用于光伏系統(tǒng)的鋰離子蓄電池設計

1、Xinyu University項目課程用于光伏系統(tǒng)的鋰離子蓄電池設計學生姓名:萬洪亮學 號:1303230020專 業(yè):新能源材料與器件 班 級：13新能源材料與器件指導教師:周小英 講師學 院:新能源科學與工程江西·新余摘 要項目課程：用于光伏系統(tǒng)的鋰離子蓄電池設計專 業(yè)：新能源材料與器件學生姓名：萬洪亮指導教師：周小英講師摘 要鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性

2、能電池的代表。鋰離子電池是新型綠色環(huán)保蓄電池，主要結(jié)構(gòu)分為正極、負極、電解液、隔膜。當放電時，鋰離子從負極釋放出進入正極，充電時，鋰離子從正極釋放進入負極。與其他蓄電池相比，鋰離子電池的主要優(yōu)點是儲能密度高(300400 kWh/m3，130 kWh/t)，儲能效率高(接近 100%)和使用壽命長(每次放電不超過儲能的 80%時可充 3 000 次)。由于具有上述優(yōu)點，鋰離子電池得到快速發(fā)展，在幾年之內(nèi)鋰電池已經(jīng)占有小型移動設備電源市場份額的 60%以上。由于鋰離子電池能量密度高，大規(guī)模集成后的安全性值得重點關注。這就需要從原材料的選用、單體電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化改進、制程過程的控制、電池管理系統(tǒng)、儲

3、能系統(tǒng)監(jiān)控保護系統(tǒng)等各個環(huán)節(jié)層層把關，同時針對風電場、光伏電站的負荷波動規(guī)律，對電池和系統(tǒng)做到實時狀態(tài)檢測和故障分析，保障儲能系統(tǒng)運行的安全性和可靠性。關 鍵 詞：光伏發(fā)電系統(tǒng)；蓄電池；鋰離子電池目 錄Title: Design of lithium ion battery for photovoltaic systemSpecialty: New energy materials and devicesApplicant: HongLiang WanSupervisor: Prof. XiaoYing ZhouABSTRACTLithium ion battery is a recharge

4、able battery. It mainly depends on lithium ion in between the anode and the cathode move to the work. In the process of charge and discharge, Li + between the two electrodes round-trip embedding and deintercalation: rechargeable batteries, Li + from the cathode deintercalation, through the electroly

5、te into the cathode, anode in lithium rich state; discharge on the contrary. Commonly used as a battery electrode, is representative of the modern high performance batteries containing lithium material.Lithium ion battery is a new type of green environmental protection battery, the structure is main

6、ly divided as cathode, cathode, electrolyte and separator. When the discharge, lithium ions from the cathode release into the cathode. When charging, the lithium ions from the cathode release into the anode. Compared with other battery. The main advantages of the lithium ion battery is energy storag

7、e density high (300 400 kWh/m3130 kwh / T) and energy storage efficiency is high (close to 100%) and the use of long life (no more than 80% of energy storage for each discharge charge 3 000 times). Because of these advantages, the lithium ion battery get rapid development. Within a few years lithium

8、 battery Has occupied a small mobile device power market share of more than 60%.Due to the high energy density of the lithium ion battery, the safety of large-scale integrated worthy of focus. This requires from the selection of raw materials, improvement and optimization of single cell structure, p

9、rocess control, battery management system, energy storage system monitoring and protection system and so on each link layer checks, and for a wind farm, the load fluctuations of the photovoltaic power station, to the battery system and achieve real-time status detection and fault analysis, security

10、storage system operation safety and reliability.KEYWORDS: Photovoltaic power generation system; battery; lithium ion battery目 錄1 緒 論11.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)1.1.1太陽能發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電原理11.1.2發(fā)電系統(tǒng)的組成11.1.3光伏發(fā)電系統(tǒng)分類2 1.2鋰電池1.2.1介紹21.2.2工作原理31.2.3鋰離子電池的組成 31.2.4優(yōu)缺點與應用31.3鋰離子電池在光伏系統(tǒng)中的應用可行性分析1.3.1儲能方式的意義及方式4 1.3.2儲能電池的選擇41.3.3儲

11、能系統(tǒng)方案51.3.4產(chǎn)業(yè)化關鍵問題62 鋰離子電池在光伏系統(tǒng)中的應用2.1鋰電池設計2.1.1鋰電池結(jié)構(gòu)圖62.1.2正極材料與負極材料72.1.3電解液與隔膜82.1.4基本設計82.2光伏系統(tǒng)用鋰電池容量設計8 2.2.1太陽能蓄電音響的鋰離子蓄電池容量設計8 2.2.2太陽能蓄電音響的鋰離子蓄電池組合設計9 3 結(jié)論與展望 3.1結(jié)論與展望10參考文獻1110用于光伏系統(tǒng)的鋰離子蓄電池設計1 緒 論蓄電池組是將太陽電池方陣發(fā)出直流電貯存起來供負載使用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大，除了供給負 載用電外，還對蓄電池充電。在冬天日照量少時，這部分貯存的電能逐步放出。

12、白天太陽能電池方陣給蓄電池充電，同時方陣還要給負載用電，晚上負載用電全部由 蓄電池供給。因此，要求蓄電池的自放電要小，而且充電效率要高，同時還要考慮價格和使用是否方便等因素。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池和硅膠蓄電池?熏要求較 高的場合也有價格比較昂貴的鎳鎘蓄電池。鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。那么鋰電池能否應用于光伏系統(tǒng)中？1.1太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)1.1.1太陽能

13、發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電原理光生伏特效應：假設光線照射在太陽能電池上并且光在界面層被接納，具有足夠能量的光子可以在P型硅和N型硅中將電子從共價鍵中激起，致使發(fā)作電子-空穴對。界面層臨近的電子和空穴在復合之前，將經(jīng)由空間電荷的電場結(jié)果被相互分別。電子向帶正電的N區(qū)和空穴向帶負電的P區(qū)運動。經(jīng)由界面層的電荷分別，將在P區(qū)和N區(qū)之間發(fā)作一個向外的可測試的電壓。此時可在硅片的兩邊加上電極并接入電壓表。對晶體硅太陽能電池來說，開路電壓的典型數(shù)值為0.50.6V。經(jīng)由光照在界面層發(fā)作的電子-空穴對越多，電流越大。界面層接納的光能越多，界面層即電池面積越大，在太陽能電池中組成的電流也越大。 太陽光照在半導體p-n結(jié)上

14、，形成新的空穴-電子對，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后就形成電流。這就是光電效應太陽能電池的工作原理。太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池半導體材料的光伏效應，將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的一種新型發(fā)電系統(tǒng)，有獨立運行和并網(wǎng)運行兩種方式。 1.1.2發(fā)電系統(tǒng)的組成一套基本的太陽能發(fā)電系統(tǒng)是由太陽電池板、充電控制器、逆變器和蓄電池構(gòu)成，下面對各部分的功能做一個簡單的介紹：（1）太陽電池板    太陽電池板的作用是將太陽輻射能直接轉(zhuǎn)換成直流電，供負載使用或存貯于蓄電池內(nèi)備用。一般根據(jù)用戶需要，將若干太陽電池板按一定方式連接，組成

15、太陽能電池方陣，再配上適當?shù)闹Ъ芗敖泳€盒組成。充電控制器（2）充電控制器 在不同類型的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，充電控制器不盡相同，其功能多少及復雜程度差別很大，這需根據(jù)系統(tǒng)的要求及重要程度來確定。充電控制器主要由電子元器件、儀表、繼電器、開關等組成。在太陽發(fā)電系統(tǒng)中，充電控制器的基本作用是為蓄電池提供最佳的充電電流和電壓，快速、平穩(wěn)、高效的為蓄電池充電，并在充電過程中減少損耗、盡量延長蓄電池的使用壽命；同時保護蓄電池，避免過充電和過放電現(xiàn)象的發(fā)生。（3）逆變器逆變器的作用就是將太陽能電池方陣和蓄電池提供的低壓直流電逆變成伏交流電，供給交流負載使用。（4）蓄電池組    蓄

16、電池組是將太陽電池方陣發(fā)出直流電貯存起來供負載使用。在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，電池處于浮充放電狀態(tài)，夏天日照量大，除了供給負 載用電外，還對蓄電池充電。在冬天日照量少時，這部分貯存的電能逐步放出。白天太陽能電池方陣給蓄電池充電，同時方陣還要給負載用電，晚上負載用電全部由 蓄電池供給。常用的蓄電池有鉛酸蓄電池和硅膠蓄電池?熏要求較 高的場合也有價格比較昂貴的鎳鎘蓄電池。 1.1.3光伏發(fā)電系統(tǒng)分類一般我們將光伏系統(tǒng)分為獨立系統(tǒng)、并網(wǎng)系統(tǒng)和混合系統(tǒng)。如果根據(jù)太陽能光伏系統(tǒng)的應用形式，應用規(guī)模和負載的類型，對光伏供電系統(tǒng)進行比較細致的劃分。還可以將光伏系統(tǒng)細分為如下六種類型：小型太陽能供電系統(tǒng)（Small

17、DC）；簡單直流系統(tǒng)（Simple DC）；大型太陽能發(fā)電系統(tǒng)（Large DC）；交流、直流供電系統(tǒng)（AC/DC）；并網(wǎng)系統(tǒng)（Utility Grid Connect）；混合供電系統(tǒng)（Hybrid）；并網(wǎng)混合系統(tǒng)。1.2鋰電池 1.2.1介紹鋰離子電池是一種充電電池，它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+ 在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌：充電池時，Li+從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負極，負極處于富鋰狀態(tài)；放電時則相反。一般采用含有鋰元素的材料作為電極的電池，是現(xiàn)代高性能電池的代表。鋰系電池分為鋰電池和鋰離子電池。手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池，通常人們俗稱其為鋰

18、電池，而真正的鋰電池由于危險性大，很少應用于日常電子產(chǎn)品。鋰離子電池容易與下面兩種電池混淆：（1）鋰電池：以金屬鋰為負極。（2）鋰離子聚合物電池：用聚合物來凝膠化液態(tài)有機溶劑?；蛘咧苯佑萌虘B(tài)聚合物電解質(zhì)。鋰離子電池一般以石墨類碳材料為負極 1.2.2工作原理鋰離子電池以碳素材料為負極，以含鋰的化合物作正極，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱。鋰離子電池的充放電過程，就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子的嵌入和脫嵌過程中，同時伴隨著與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌（習慣上正極用嵌入或脫嵌表示，而負極用插入或脫插表示）。在充放電過程中

19、，鋰離子在正、負極之間往返嵌入/脫嵌和插入/脫插，被形象地稱為“搖椅電池”。 1.2.3鋰離子電池的組成1）電池上下蓋 2）正極活性物質(zhì)一般為氧化鋰鈷 3）隔膜一種特殊的復合膜 4）負極活性物質(zhì)為碳 5）有機電解液 6）電池殼 1.2.4優(yōu)缺點與應用鋰離子電池具有以下優(yōu)點： 1） 電壓高，單體電池的工作電壓高達3.6-3.9V，是Ni-Cd、Ni-H電池的3倍 2） 比能量大，目前能達到的實際比能量為100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2倍于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未來隨著技術發(fā)展,比能量可高達150Wh/kg和400 Wh/L。3） 循環(huán)壽命長,一般均可達到500次

20、以上,甚至1000次以上.對于小電流放電的電器,電池的使用期限 將倍增電器的競爭力。4） 安全性能好,無公害,無記憶效應.作為Li-ion前身的鋰電池,因金屬鋰易形成枝晶發(fā)生短路,縮減了其應用領域：Li-ion中不含鎘、鉛、汞等對環(huán)境有污染的元素：部分工藝（如燒結(jié)式）的Ni-Cd電池存在的一大弊病為“記憶效應”，嚴重束縛電池的使用，但Li-ion根本不存在這方面的問題。 5） 自放電小，室溫下充滿電的Li-ion儲存1個月后的自放電率為10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。 6) 可快速充放電，1C充電是容量可以達到標稱容量的80%以上。 鋰離子電池也存在著一

21、定的缺點，如： 1） 電池成本較高。主要表現(xiàn)在正極材料LiCoO2的價格高（Co的資源較?。?，電解質(zhì)體系提純困難。 2） 不能大電流放電。由于有機電解質(zhì)體系等原因，電池內(nèi)阻相對其他類電池大。故要求較小的放電電流密度，一般放電電流在0.5C以下，只適合于中小電流的電器使用。 3） 需要保護線路控制。鋰電池的應用：1）電子產(chǎn)品方面的應用2）交通工具方面的應用3）在國防軍事方面的應用4）在航空航天方面的應用5）在儲能方面的應用（尤其是在光伏系統(tǒng)中的應用）1.3鋰離子電池在光伏系統(tǒng)中的應用可行性分析 1.3.1儲能方式的意義及方式電力系統(tǒng)的儲能方式主要有電池儲能、抽水蓄能、飛輪儲能、壓縮空氣儲能、超導

22、儲能。超導儲能目前受制于技術的進步，短期內(nèi)看不到大規(guī)模應用的前景；飛輪儲能轉(zhuǎn)換效率較低，大功率飛輪實現(xiàn)難度大；壓縮空氣儲能對安全要求較高，實現(xiàn)存在一定難度。國內(nèi)主要倡導的還是抽水蓄能電站和電池儲能。抽水蓄能電站技術成熟、存儲容量大、運行壽命長，適宜于電力系統(tǒng)的大容量儲能，但是受水資源和地理條件的限制。隨著鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池的安全性、能量轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟性等方面取得重大突破，電池儲能技術在分布式儲能以及大規(guī)模電站儲能方面產(chǎn)業(yè)化應用的條件日趨成熟。目前，美國在鋰離子電池應用于電力系統(tǒng)儲能領域處于世界領先地位。美國電科院(EPRI)在 2009 年的儲能項目研究規(guī)劃中開展了鋰離子電池用于分

23、布式儲能的研究和開發(fā)，包括 2 kW/4 kWh，50 kW/200 kWh，100 kW/400 kWh 的電池儲能系統(tǒng)。國內(nèi)，國家電網(wǎng)、南方電網(wǎng)也開始嘗試用高功率鋰離子電池作為儲能系統(tǒng)的電源。 1.3.2儲能電池的選擇目前儲能電池主要有以下幾類(1) 鈉硫電池鈉硫電池(NaS)最早發(fā)明于 20 世紀 60 年代中期，以鈉和硫分別用作陽極和陰極，- 氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質(zhì)的作用。鈉硫電池優(yōu)點：比能量高；可大電流、高功率放電；充放電效率高。目前，全球只有日本 NGK 擁有鈉硫電池成熟的研發(fā)和生產(chǎn)體系，在國際上處于技術壟斷地位，在市場上也有成熟的應用業(yè)績。我國在大容量鈉硫電池關鍵技術和小批

24、量制備上也取得了突破，但在生產(chǎn)工藝、重大裝備、成本控制和滿足市場需求等方面仍存在明顯不足。(2) 液流電池液流電池的兩個氧化 - 還原電極對應的活性物質(zhì)分別裝在兩個大儲液罐中，各用一個泵，使溶液流經(jīng)電池，并在離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原和氧化反應。液流電池優(yōu)點：(1)電池的功率和儲能容量可以獨立設計，電池系統(tǒng)組裝設計靈活；(2)電池系統(tǒng)可高功率輸出；(3)電池系統(tǒng)易于維護，安全穩(wěn)定；(4)環(huán)境友好；(5)可超深度放電(100%)而不引起電池的不可逆損傷(3) 氫鎳電池氫鎳電池是新型環(huán)保的二次堿性電池，正極材料為氫氧化亞鎳，負極材料為儲氫合金粉，具有更高的比能量和循環(huán)壽命，近幾年受到大家的

25、關注。氫鎳電池優(yōu)點：(1)容量較高，結(jié)構(gòu)堅固，充放循環(huán)次數(shù)多；(2)氫鎳電池是密封免維護電池，不含 Pb、Cd、Hg 等有毒物質(zhì)，正常使用過程中也不會產(chǎn)生任何有害物質(zhì)；(3)氫鎳電池具有較好的低溫放電特性。鎳氫動力電池在混合動力電動車中得到過示范應用，是前幾年應用研究的熱點，在大容量儲能方面也有少量試用，目前有 100 kWh 的氫鎳電池儲能系統(tǒng)正在試運行。(4)鋰離子電池鋰離子電池是新型綠色環(huán)保蓄電池，主要結(jié)構(gòu)分為正極、負極、電解液、隔膜。當放電時，鋰離子從負極釋放出進入正極，充電時，鋰離子從正極釋放進入負極。與其他蓄電池相比，鋰離子電池的主要優(yōu)點是儲能密度高(300400 kWh/m3，1

26、30 kWh/t)，儲能效率高(接近 100%)和使用壽命長(每次放電不超過儲能的 80%時可充 3 000 次)。由于具有上述優(yōu)點，鋰離子電池得到快速發(fā)展，在幾年之內(nèi)鋰電池已經(jīng)占有小型移動設備電源市場份額的 60%以上。磷酸亞鐵鋰電池與其他電池儲能方式相比較有著能量效率高、原料來源廣泛、制備工藝可靠、綠色環(huán)保、寬溫幅、循環(huán)壽命長等顯著優(yōu)點，作為目前最有發(fā)展前景、最有應用優(yōu)勢的儲能方式之一，隨著電池關鍵技術的進步和成本下降，鐵鋰電池在儲能系統(tǒng)的應用優(yōu)勢將更為明顯。 1.3.3儲能系統(tǒng)方案考慮兼顧分布式儲能與規(guī)模并網(wǎng)的應用，儲能系統(tǒng)宜采用模塊化組件搭建方式，自下而上主要包含電池模塊、電池管理系統(tǒng)

27、、雙向儲能變流器、監(jiān)控保護系統(tǒng)四層構(gòu)架，主要用于平抑太陽能光伏發(fā)電 / 風力發(fā)電的波動，改善電網(wǎng)對新能源的吸納能力，同時兼有部分對電網(wǎng)谷電儲能峰值供電作用。圖1為儲能系統(tǒng)流程示意圖。圖 2為鐵鋰電池柜系統(tǒng)示意圖。圖1儲能系統(tǒng)流程示意圖 圖2鐵鋰電池柜系統(tǒng)示意圖1.3.4 產(chǎn)業(yè)化關鍵問題儲能技術的戰(zhàn)略意義不容置疑，產(chǎn)業(yè)化的關鍵問題在于：第一：儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟性。安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟是對 電力系統(tǒng)的基本要求。鋰離子電池儲能系統(tǒng)雖然在眾多儲能方式中勝出，但真正想要實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，為市場所接受，一方面期待新能源并網(wǎng)帶來的極大商機以及儲能系統(tǒng)應對城市尖峰負荷的最佳解決方案，更重要的一方面要有效降低成本，使其真正具

28、備經(jīng)濟性。2 鋰離子電池在光伏系統(tǒng)中的應用2.1鋰離子電池設計本設計的鋰離子電池的電化學表達式為： 鋰離子電池的成流反應 正極反應： LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe 負極反應： 6C + xLi+ + xe LixC6 電池反應： LiCoO2 + 6C Li1-xCoO2 + LixC62.1.1鋰電池結(jié)構(gòu)圖2.1.2正極材料與負極材料正極活性物質(zhì)選擇LiCoO2，因為它制備工藝簡單，開路電壓高，比能量大，循環(huán)壽命長，能快速充放電，電化學性能穩(wěn)定，現(xiàn)已商品化。 正極反應： LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe正極片壓實密度（g/cm3）材料實際比

29、容量（mAh/g）材料理論比容量（mAh/g）活性物質(zhì)利用率（%）LiCoO23.913827350.6負極活性物質(zhì)選擇中間相碳微球（MCMB），顆粒直徑大小在10微米左右，這種顆粒放射狀結(jié)構(gòu)，從軸心向外的石墨晶面以之字形取向排列，外側(cè)被一薄覆蓋，該薄層的底晶面幾乎覆蓋了纖維柱的全部表面，纖維的機械結(jié)構(gòu)堅固，即使經(jīng)過1000次循環(huán)，結(jié)構(gòu)也不會破壞。 負極反應： 6C + xLi+ + xe LixC6負極片壓實密度（g/cm3）實際比容量為（mAh/g）理論比容量為（mAh/g）活性物質(zhì)利用率（%）MCMB1.7530532095.32.1.3隔膜與電解液1.3隔膜PE隔膜 厚度取20微米1.4電解液1mol/L LiPF6-EC-DEC-DMC(1:1:1)2.1.4設計單體電池直徑（）高度（）容積（3）質(zhì)量（g）數(shù)值26.810.056.38170.27設計出了2V/30Ah的單體鋰電池蓄電池。2.2光伏系統(tǒng)用鋰電池容量設計2.2.1太陽能蓄電音響的鋰離子蓄電池組設使用的是設計的鋰離子蓄電池，放電深度（DOD）為80%；該太陽能蓄電音響系統(tǒng)交流負載的耗電量為200Wh/天，選擇使用的逆變器的效率為90，輸入電壓為12V，那么通過計算可得所需的直流負載需求為18.