一文讀懂儲能鋰電池的工作原理

儲能技術(shù)發(fā)展至今取得了矚目的成就，不僅有效地滿足電網(wǎng)運(yùn)行各階段的需求，而且能夠?qū)崿F(xiàn)削峰填谷、電力負(fù)荷平衡，提高了電網(wǎng)中大規(guī)模可再生能源的接受程度以及間歇式可再生能源入網(wǎng)的可能性。鋰電池技術(shù)是電化學(xué)儲能技術(shù)中最為成熟的一項技術(shù)。鋰電池通常有兩種外型：圓柱形和長方形。圓柱型電池內(nèi)部采用螺旋繞制結(jié)構(gòu)，用一種非常精細(xì)且滲透性很強(qiáng)的薄膜隔離材料在正、負(fù)極間間隔而成，主要有聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯與聚丙烯復(fù)合等材料。而長方形鋰電池則是通過疊片形式構(gòu)成，正極上放置隔膜，然后放置負(fù)極，以此類推并逐次疊加而成。

儲能鋰電池的組成

鋰電池主要組成部分有正極、負(fù)極、電解質(zhì)和正負(fù)極間隔膜。正極包括由含鋰材料（如鈷酸鋰、錳酸鋰和鎳鈷錳酸鋰的一種或幾種混合使用等）組成的鋰離子收集極、由鋁薄膜組成的電流收集極。

負(fù)極由層狀碳材料組成的鋰離子收集極、銅薄膜組成的電流收集極構(gòu)成。電池內(nèi)裝有安全閥和正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient，PTC）電阻器，具有熱阻小、換熱效率高、不燃燒和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，并且能夠有效防止電池在不正常狀態(tài)或輸出短路時受到傷害。隔膜是一種特殊的復(fù)合模，其在鋰電池中的作用是阻止電子在正負(fù)極之間自由穿梭，但是電解液中的鋰離子可以自由通過。電子不能脫離載體單獨(dú)存在，隔膜本質(zhì)為絕緣體，無法包容自由電子，所以不導(dǎo)電。

在電池中，元素基本以離子形式存在，離子能夠容易地通過隔膜，而電子脫離了本身元素到了新載體（正極材料或負(fù)極材料）上，在與隔膜接觸時，隔膜無法吸取電極上面的自由電子，從而阻止了電子的通過。常見的隔膜材料為單層PP膜、PE膜以及PP/PE/PP三層復(fù)合膜。電解液一般由鋰鹽和有機(jī)溶劑組成，具有傳導(dǎo)離子的作用。電解質(zhì)實現(xiàn)鋰離子在電池正負(fù)極之間的傳導(dǎo)，目前使用最廣泛的電解質(zhì)是LiPF6。圖1對電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了客觀表現(xiàn)，電池內(nèi)部有鋰離子、金屬離子、氧離子和碳層，鋰電池的組成基本上都是一些化合物。電池的反應(yīng)通過電池里面的離子移動來完成。而電池的隔膜好像一道屏障，使電池兩極分開。

圖1??鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理圖

鋰電池是目前不可缺少的可攜帶的電能儲存元件，鋰電池的性能表征外部參數(shù)有很多，如電壓、電流和內(nèi)阻等。鋰電池的優(yōu)點(diǎn)如下：

1）燃燒熱很高，即單位體積中放出的熱量很高。

2）較環(huán)保，符合綠色社會發(fā)展要求。

3）使用壽命長。正常條件下，鋰電池可以進(jìn)行幾百次的重復(fù)充放電的過程，所以鋰電池可以被使用的時間很長。

4）無記憶效應(yīng)。如果電池經(jīng)常在充滿且不放完電的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現(xiàn)象叫作記憶效應(yīng)。普通電池在工作過程中，有記憶效應(yīng)，導(dǎo)致容量越來越少，而這個問題在鋰電池中不存在。

當(dāng)然鋰電池還有很多其它優(yōu)點(diǎn)，如安全性能好、自放電率低、充電快和工作溫度范圍寬等，因此得到廣泛應(yīng)用。

儲能鋰電池的工作原理

鋰電池內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)是一個基本的氧化還原反應(yīng)，能量是守恒的，通過化學(xué)反應(yīng)，能量得以在電池中進(jìn)行儲存和使用。從化學(xué)反應(yīng)方程式可知，鋰電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌的過程，主要依靠兩極的鋰電子濃度差。鋰電池在充電時，正極的鋰原子會發(fā)生氧化反應(yīng)，失去電子，從而變?yōu)殇囯x子；正極氧化反應(yīng)產(chǎn)生的大量鋰離子從正極脫嵌，經(jīng)過電解液到達(dá)電池負(fù)極的碳層，在負(fù)極嵌入鋰離子。此時，鋰電池的負(fù)極實現(xiàn)富鋰狀態(tài)。電池容量的大小一方面和正極反應(yīng)產(chǎn)生的鋰離子數(shù)目有關(guān)，另一方面和通過電解液交換到負(fù)極的鋰離子數(shù)目有關(guān)。放電是充電的逆過程，放電時負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，嵌在負(fù)極碳層中的鋰離子脫嵌，經(jīng)過電解液運(yùn)回正極，回到正極的鋰離子越多，放電容量越高。同樣充電時，電池正極有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運(yùn)動到負(fù)極，到負(fù)極的鋰離子嵌入到碳層微孔中，嵌入鋰離子越多，充電容量越高。鋰電池的工作原理如圖2所示。

圖2??鋰電池的工作原理

儲能鋰電池的分段充電

鋰離子電池在使用中隨著電的釋放，電壓下降，電池的化學(xué)活性也會降低。為了更好的保護(hù)鋰離子電池的功能，采取分段充電策略，保證電池快速充滿又不過充電，對長期充不滿、放不完的電池起到一定修復(fù)作用。

目前儲能鋰電池主要的充電方式有兩種，主要為恒流充電模式和恒壓充電模式，無論是恒流的充電模式還是恒壓的充電模式，其充電方式都可以分為4個階段來實現(xiàn)：涓流充電（低壓預(yù)充）、恒流充電、恒壓充電以及充電終止。儲能鋰電池的充電大多數(shù)都是由集成電路（Integrated Circuit，IC）芯片控制的，其中典型的充電方式是：先檢測待充電儲能鋰電池的實際電壓，如果電壓低于3V，就需要先進(jìn)行預(yù)充電，這時充電的電流一般為設(shè)定電流的1/10，直到電壓穩(wěn)步上升到3V以后，再進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)的充電過程。標(biāo)準(zhǔn)的充電過程為：先以設(shè)定電流進(jìn)行恒流充電，待電池電壓上升到4.2V時改為恒壓充電，一直使充電電壓持續(xù)為4.2V進(jìn)行充電；充電一段時間后，充電電流逐漸下降，當(dāng)下降至設(shè)定電流的1/10時，充電過程結(jié)束。

第一階段：涓流充電。涓流充電主要針對完全放電的電池單元進(jìn)行預(yù)充電（恢復(fù)性充電）。即在電池電壓低于3V時采用涓流充電。涓流充電電流是恒流充電方式下電流的1/10即0.1C（C是以電池標(biāo)稱容量對照電流的一種表示方法，例如此時的電池容量為1000mA·h，則這時1C就代表充電電流為1000mA）。

第二階段：恒流充電。當(dāng)電池的電壓值上升為涓流充電閾值以上時，提高此時的充電電流進(jìn)行恒流充電。一般情況下恒流充電的電流值在0.2C~1.0C之間。此時儲能鋰電池的電壓也會隨著恒流充電過程逐漸上升，一般情況下單節(jié)電池設(shè)定的電壓為3.0V~4.2V。

第三階段：恒壓充電。當(dāng)儲能鋰電池的電壓上升到4.2V時，恒流充電階段結(jié)束，此時開始恒壓充電階段。這時電流值的變化會根據(jù)此時電芯飽和程度而決定，隨著充電過程的進(jìn)行，充電電流從最大值慢慢減少，當(dāng)減小到0.05C時，則認(rèn)為充電終止。

第四階段：充電終止。判別充電終止的典型方法主要有兩種：最小充電電流法和計時法（或者兩者相互結(jié)合）。第一種方法用最小電流法來監(jiān)視恒壓充電階段的充電電流，并當(dāng)充電電流值減小到0.05C（或者取0.02C~0.07C范圍內(nèi)的值）時就終止充電。第二種方法設(shè)從恒壓充電階段開始的時間為初始時間，連續(xù)充電2h后終止充電過程。

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▊《鋰電池儲能科學(xué)與技術(shù)》

王順利 等?編著本書針對儲能鋰電池應(yīng)用的技術(shù)要求，以儲能鋰電池狀態(tài)估計和電源管理方法為出發(fā)點(diǎn)，主要包括儲能鋰電池概述、儲能鋰電池控制策略、核心狀態(tài)參量預(yù)估方法與儲能電池電源管理設(shè)計實例等內(nèi)容。本書特色鮮明、內(nèi)容系統(tǒng)、實例豐富，既可用于高等院校新能源科學(xué)與工程、自動化、電氣工程及其自動化等相關(guān)專業(yè)教學(xué)與科學(xué)研究，又可作為儲能科學(xué)與技術(shù)應(yīng)用研究人員的技術(shù)參考書。

撰? 稿? 人：楊健亭責(zé)任編輯：?李馨馨審? 核? 人：曹新宇