储能用磷酸铁锂电池循环寿命的能量分析
摘要:近年来,随着新能源的大规模开发利用,尤其是风电并网的发展,用于改善间歇式电源运行性能、增强电网对风电接入能力的电池储能系统的研究逐渐引起人们关注。在各种类型的储能系统中,锂离子电池储能是目前技术相对成熟的一种储能方式。以橄榄石型磷酸铁锂为活性物质的锂离子二次电池,具有较高的能量密度、较低的生产制造成本以及使用寿命长等诸多优点。
关键词:储能;磷酸铁锂电池循环寿命;能量;
近几年出现的磷酸铁锂电池,以其高倍率充放电能力、长循环寿命、高安全性和无毒环保等优势得到了广泛的应用,逐渐成为电动车动力电池的首选。磷酸铁锂电池荷电状态估计的准确性决定了储能系统的寿命和工作效能。
一、磷酸铁锂电池工作原理
电池是一种化学电源,蓄电池则是一种可以将化学能和电能之间相互转换的装置。人们逐渐开始对锂电池展开研究,尽管锂离子电池存在内部阻抗高、工作电压变化大、成本高、需要特殊保护电路等问题,但锂离子电池仍具有容量大、工作电压高、电荷保持能力强、可安全快速充放电、循环使用寿命长、无记忆效应、体积小、重量轻、比能量高、安全性高等优点,因此锂离子电池在各个领域都得到了广泛的应用。锂离子电池是随着物理、化学方面新的研究成果不断更新而发展的电池体系,尤其是对电池的正负极活性材料、功能电解液的研究,促使锂离子向低成本、高性能、大功率、长寿命、高安全、环保的方向发展。磷酸铁锂具有规整的橄榄石晶体结构,主要依靠锂离子在正极和负极之间移动实现电池充放电。在充放电过程中,在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电池时,从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极;放电时则相反。电极上的化学势决定了电极的电势,锂是元素周期表中电极电势最负的单质,所以电池的工作电压可以达到3.6V。
二、储能用磷酸铁锂电池循环寿命的能量
1.累积转移能量。磷酸铁锂电池在不同SOC范围内循环,当容量损失达到25%时的累积转移总能量,可以看到电池的累积转移总能量与循环次数近似成线性规律增长,但是增长速度在逐渐变缓,这是因为电池本体的性能衰退所导致的,主要表现为极化内阻的增加、电池可逆容量的损失等。虽然放电深度降低,电池的使用寿命得到延长,但是在容量损失程度25%内时,全充全放模式的使用模式要比浅充浅放的使用模式转移的总能量要多。指前因数随着放电深度的增加单调递增,可以认为指前因数反映了电池在对应极限累积转移能量总额,即电池保持目前循环过程中的衰退速度不变且始终处于安全工作状态的前提下电池可以转移的最大能量值,它是一个理想值,可以用于定性地评估电池的能量转移能力;结合电池工作原理和电极活性物质的电化学反映机理,电池不可能达到这个理想值,因为电池在循环使用过程中,性能的衰退速度不是恒定的,在经历了缓慢稳步地衰退期之后,会出现性能的急剧恶化,呈现加速老化的状态,并且故障率明显提高。