用于光伏系统的锂离子蓄电池设计

XinyuUniversity项目课程用于光伏系统的锂离子蓄电池设计学生姓名:万洪亮学号:1303230020专业:新能源材料与器件班级：13新能源材料与器件指导教师:周小英讲师学院:新能源科学与工程江西·新余摘要PAGE项目课程：用于光伏系统的锂离子蓄电池设计专业：新能源材料与器件学生姓名：万洪亮指导教师：周小英讲师摘要锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。锂离子电池是新型绿色环保蓄电池，主要结构分为正极、负极、电解液、隔膜。当放电时，锂离子从负极释放出进入正极，充电时，锂离子从正极释放进入负极。与其他蓄电池相比，锂离子电池的主要优点是储能密度高(300～400kWh/m3，130kWh/t)，储能效率高(接近100%)和使用寿命长(每次放电不超过储能的80%时可充3000次)。由于具有上述优点，锂离子电池得到快速发展，在几年之内锂电池已经占有小型移动设备电源市场份额的60%以上。由于锂离子电池能量密度高，大规模集成后的安全性值得重点关注。这就需要从原材料的选用、单体电池结构的优化改进、制程过程的控制、电池管理系统、储能系统监控保护系统等各个环节层层把关，同时针对风电场、光伏电站的负荷波动规律，对电池和系统做到实时状态检测和故障分析，保障储能系统运行的安全性和可靠性。关键词：光伏发电系统；\o"蓄电池"蓄电池；锂离子电池目录PAGE10Title:DesignoflithiumionbatteryforphotovoltaicsystemSpecialty:NewenergymaterialsanddevicesApplicant:HongLiangWanSupervisor:Prof.XiaoYingZhouABSTRACTLithiumionbatteryisarechargeablebattery.Itmainlydependsonlithiumioninbetweentheanodeandthecathodemovetothework.Intheprocessofchargeanddischarge,Li+betweenthetwoelectrodesround-tripembeddinganddeintercalation:rechargeablebatteries,Li+fromthecathodedeintercalation,throughtheelectrolyteintothecathode,anodeinlithiumrichstate;dischargeonthecontrary.Commonlyusedasabatteryelectrode,isrepresentativeofthemodernhighperformancebatteriescontaininglithiummaterial.Lithiumionbatteryisanewtypeofgreenenvironmentalprotectionbattery,thestructureismainlydividedascathode,cathode,electrolyteandseparator.Whenthedischarge,lithiumionsfromthecathodereleaseintothecathode.Whencharging,thelithiumionsfromthecathodereleaseintotheanode.Comparedwithotherbattery.Themainadvantagesofthelithiumionbatteryisenergystoragedensityhigh(300~400kWh/m3130kwh/T)andenergystorageefficiencyishigh(closeto100%)andtheuseoflonglife(nomorethan80%ofenergystorageforeachdischargecharge3000times).Becauseoftheseadvantages,thelithiumionbatterygetrapiddevelopment.WithinafewyearslithiumbatteryHasoccupiedasmallmobiledevicepowermarketshareofmorethan60%.Duetothehighenergydensityofthelithiumionbattery,thesafetyoflarge-scaleintegratedworthyoffocus.Thisrequiresfromtheselectionofrawmaterials,improvementandoptimizationofsinglecellstructure,processcontrol,batterymanagementsystem,energystoragesystemmonitoringandprotectionsystemandsooneachlinklayerchecks,andforawindfarm,theloadfluctuationsofthephotovoltaicpowerstation,tothebatterysystemandachievereal-timestatusdetectionandfaultanalysis,securitystoragesystemoperationsafetyandreliability.KEYWORDS:Photovoltaicpowergenerationsystem;battery;lithiumionbattery目录1绪论 11.1太阳能光伏发电系统1.1.1太阳能发电系统的发电原理 11.1.2发电系统的组成 11.1.3光伏发电系统分类 21.2锂电池1.2.1介绍 21.2.2工作原理 31.2.3锂离子电池的组成 31.2.4优缺点与应用 31.3锂离子电池在光伏系统中的应用可行性分析1.3.1储能方式的意义及方式 41.3.2储能电池的选择 41.3.3储能系统方案 51.3.4产业化关键问题 62锂离子电池在光伏系统中的应用2.1锂电池设计2.1.1锂电池结构图 62.1.2正极材料与负极材料 72.1.3电解液与隔膜 82.1.4基本设计 82.2光伏系统用锂电池容量设计 82.2.1太阳能蓄电音响的锂离子蓄电池容量设计 82.2.2太阳能蓄电音响的锂离子蓄电池组合设计 93结论与展望3.1结论与展望 10参考文献 11用于光伏系统的锂离子蓄电池设计1绪论\o"蓄电池"蓄电池组是将太阳电池方阵发出直流电贮存起来供\o"把电能转换成其他形式的能的装置叫做负载"负载使用。在光伏发电系统中，电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电。在冬天日照量少时，这部分贮存的电能逐步放出。白天太阳能电池方阵给蓄电池充电，同时方阵还要给负载用电，晚上负载用电全部由蓄电池供给。因此，要求蓄电池的自放电要小，而且充电效率要高，同时还要考虑价格和使用是否方便等因素。常用的蓄电池有铅酸蓄电池和硅胶蓄电池?熏要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍镉蓄电池。锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。那么锂电池能否应用于光伏系统中？1.1太阳能光伏发电系统1.1.1太阳能发电系统的发电原理光生伏特效应：假设光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被接纳，具有足够能量的光子可以在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激起，致使发作电子-空穴对。界面层临近的电子和空穴在复合之前，将经由空间电荷的电场结果被相互分别。电子向带正电的N区和空穴向带负电的P区运动。经由界面层的电荷分别，将在P区和N区之间发作一个向外的可测试的电压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典型数值为0.5～0.6V。经由光照在界面层发作的电子-空穴对越多，电流越大。界面层接纳的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中组成的电流也越大。太阳光照在半导体p-n结上，形成新的空穴-电子对，在p-n结电场的作用下，空穴由n区流向p区，电子由p区流向n区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能光伏发电系统是利用太阳电池半导体材料的光伏效应，将太阳光辐射能直接转换为电能的一种新型发电系统，有独立运行和并网运行两种方式。1.1.2发电系统的组成一套基本的太阳能发电系统是由太阳电池板、充电控制器、逆变器和\o"蓄电池"蓄电池构成，下面对各部分的功能做一个简单的介绍：（1）太阳电池板

太阳电池板的作用是将太阳辐射能直接转换成直流电，供\o"把电能转换成其他形式的能的装置叫做负载"负载使用或存贮于\o"蓄电池"蓄电池内备用。一般根据用户需要，将若干太阳电池板按一定方式连接，组成太阳能电池方阵，再配上适当的支架及接线盒组成。充电控制器

（2）充电控制器在不同类型的光伏发电系统中，充电控制器不尽相同，其功能多少及复杂程度差别很大，这需根据系统的要求及重要程度来确定。充电控制器主要由电子元器件、仪表、\o"是用较小的电流去控制较大电流的一种\“自动开关\”"继电器、开关等组成。在太阳发电系统中，充电控制器的基本作用是为\o"蓄电池"蓄电池提供最佳的充电\o"电流"电流和\o"电压"电压，快速、平稳、高效的为蓄电池充电，并在充电过程中减少损耗、尽量延长蓄电池的使用寿命；同时保护蓄电池，避免过充电和过放电现象的发生。

（3）逆变器逆变器的作用就是将太阳能电池方阵和\o"蓄电池"蓄电池提供的低压直流电逆变成２２０伏交流电，供给交流\o"把电能转换成其他形式的能的装置叫做负载"负载使用。

（4）\o"蓄电池"蓄电池组

\o"蓄电池"蓄电池组是将太阳电池方阵发出直流电贮存起来供\o"把电能转换成其他形式的能的装置叫做负载"负载使用。在光伏发电系统中，电池处于浮充放电状态，夏天日照量大，除了供给负载用电外，还对蓄电池充电。在冬天日照量少时，这部分贮存的电能逐步放出。白天太阳能电池方阵给蓄电池充电，同时方阵还要给负载用电，晚上负载用电全部由蓄电池供给。常用的蓄电池有铅酸蓄电池和硅胶蓄电池?熏要求较高的场合也有价格比较昂贵的镍镉蓄电池。1.1.3光伏发电系统分类一般我们将光伏系统分为独立系统、并网系统和混合系统。如果根据太阳能光伏系统的应用形式，应用规模和负载的类型，对光伏供电系统进行比较细致的划分。还可以将光伏系统细分为如下六种类型：小型太阳能供电系统（SmallDC）；简单直流系统（SimpleDC）；大型太阳能发电系统（LargeDC）；交流、直流供电系统（AC/DC）；并网系统（UtilityGridConnect）；混合供电系统（Hybrid）；并网混合系统。1.2锂电池1.2.1介绍锂离子电池是一种充电电池，它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电池时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。一般采用含有锂元素的材料作为电极的电池，是现代高性能电池的代表。锂系电池分为锂电池和锂离子电池。手机和笔记本电脑使用的都是锂离子电池，通常人们俗称其为锂电池，而真正的锂电池由于危险性大，很少应用于日常电子产品。锂离子电池容易与下面两种电池混淆：（1）锂电池：以金属锂为负极。（2）锂离子聚合物电池：用聚合物来凝胶化液态有机溶剂。或者直接用全固态聚合物电解质。锂离子电池一般以石墨类碳材料为负极1.2.2工作原理锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，这就是锂离子电池。锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称。锂离子电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌过程。在锂离子的嵌入和脱嵌过程中，同时伴随着与锂离子等当量电子的嵌入和脱嵌（习惯上正极用嵌入或脱嵌表示，而负极用插入或脱插表示）。在充放电过程中，锂离子在正、负极之间往返嵌入/脱嵌和插入/脱插，被形象地称为“摇椅电池”。1.2.3锂离子电池的组成1）电池上下盖2）正极——活性物质一般为氧化锂钴3）隔膜——一种特殊的复合膜4）负极——活性物质为碳5）有机电解液6）电池壳1.2.4优缺点与应用锂离子电池具有以下优点：1）电压高，单体电池的工作电压高达3.6-3.9V，是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍2）比能量大，目前能达到的实际比能量为100-125Wh/kg和240-300Wh/L（2倍于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH）,未来随着技术发展,比能量可高达150Wh/kg和400Wh/L。3）循环寿命长,一般均可达到500次以上,甚至1000次以上.对于小电流放电的电器,电池的使用期限将倍增电器的竞争力。4）安全性能好,无公害,无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池,因金属锂易形成枝晶发生短路,缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为“记忆效应”，严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。5）自放电小，室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于Ni-Cd的25-30%，Ni、MH的30-35%。6)可快速充放电，1C充电是容量可以达到标称容量的80%以上。锂离子电池也存在着一定的缺点，如：1）电池成本较高。主要表现在正极材料LiCoO2的价格高（Co的资源较小），电解质体系提纯困难。2）不能大电流放电。由于有机电解质体系等原因，电池内阻相对其他类电池大。故要求较小的放电电流密度，一般放电电流在0.5C以下，只适合于中小电流的电器使用。3）需要保护线路控制。锂电池的应用：1）电子产品方面的应用2）交通工具方面的应用3）在国防军事方面的应用4）在航空航天方面的应用5）在储能方面的应用（尤其是在光伏系统中的应用）1.3锂离子电池在光伏系统中的应用可行性分析1.3.1储能方式的意义及方式电力系统的储能方式主要有电池储能、抽水蓄能、飞轮储能、压缩空气储能、超导储能。超导储能目前受制于技术的进步，短期内看不到大规模应用的前景；飞轮储能转换效率较低，大功率飞轮实现难度大；压缩空气储能对安全要求较高，实现存在一定难度。国内主要倡导的还是抽水蓄能电站和电池储能。抽水蓄能电站技术成熟、存储容量大、运行寿命长，适宜于电力系统的大容量储能，但是受水资源和地理条件的限制。随着钠硫电池、液流电池和锂离子电池的安全性、能量转换效率和经济性等方面取得重大突破，电池储能技术在分布式储能以及大规模电站储能方面产业化应用的条件日趋成熟。目前，美国在锂离子电池应用于电力系统储能领域处于世界领先地位。美国电科院(EPRI)在2009年的储能项目研究规划中开展了锂离子电池用于分布式储能的研究和开发，包括2kW/4kWh，50kW/200kWh，100kW/400kWh的电池储能系统。国内，国家电网、南方电网也开始尝试用高功率锂离子电池作为储能系统的电源。1.3.2储能电池的选择目前储能电池主要有以下几类(1)钠硫电池钠硫电池(NaS)最早发明于20世纪60年代中期，以钠和硫分别用作阳极和阴极，β-氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解质的作用。钠硫电池优点：比能量高；可大电流、高功率放电；充放电效率高。目前，全球只有日本NGK拥有钠硫电池成熟的研发和生产体系，在国际上处于技术垄断地位，在市场上也有成熟的应用业绩。我国在大容量钠硫电池关键技术和小批量制备上也取得了突破，但在生产工艺、重大装备、成本控制和满足市场需求等方面仍存在明显不足。(2)液流电池液流电池的两个氧化-还原电极对应的活性物质分别装在两个大储液罐中，各用一个泵，使溶液流经电池，并在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应。液流电池优点：(1)电池的功率和储能容量可以独立设计，电池系统组装设计灵活；(2)电池系统可高功率输出；(3)电池系统易于维护，安全稳定；(4)环境友好；(5)可超深度放电(100%)而不引起电池的不可逆损伤(3)氢镍电池氢镍电池是新型环保的二次碱性电池，正极材料为氢氧化亚镍，负极材料为储氢合金粉，具有更高的比能量和循环寿命，近几年受到大家的关注。氢镍电池优点：(1)容量较高，结构坚固，充放循环次数多；(2)氢镍电池是密封免维护电池，不含Pb、Cd、Hg等有毒物质，正常使用过程中也不会产生任何有害物质；(3)氢镍电池具有较好的低温放电特性。镍氢动力电池在混合动力电动车中得到过示范应用，是前几年应用研究的热点，在大容量储能方面也有少量试用，目前有100kWh的氢镍电池储能系统正在试运行。(4)锂离子电池锂离子电池是新型绿色环保蓄电池，主要结构分为正极、负极、电解液、隔膜。当放电时，锂离子从负极释放出进入正极，充电时，锂离子从正极释放进入负极。与其他蓄电池相比，锂离子电池的主要优点是储能密度高(300～400kWh/m3，130kWh/t)，储能效率高(接近100%)和使用寿命长(每次放电不超过储能的80%时可充3000次)。由于具有上述优点，锂离子电池得到快速发展，在几年之内锂电池已经占有小型移动设备电源市场份额的60%以上。磷酸亚铁锂电池与其他电池储能方式相比较有着能量效率高、原料来源广泛、制备工艺可靠、绿色环保、宽温幅、循环寿命长等显著优点，作为目前最有发展前景、最有应用优势的储能方式之一，随着电池关键技术的进步和成本下降，铁锂电池在储能系统的应用优势将更为明显。1.3.3储能系统方案考虑兼顾分布式储能与规模并网的应用，储能系统宜采用模块化组件搭建方式，自下而上主要包含电池模块、电池管理系统、双向储能变流器、监控保护系统四层构架，主要用于平抑太阳能光伏发电/风力发电的波动，改善电网对新能源的吸纳能力，同时兼有部分对电网谷电储能峰值供电作用。图1为储能系统流程示意图。图2为铁锂电池柜系统示意图。图1储能系统流程示意图 图2铁锂电池柜系统示意图1.3.4产业化关键问题储能技术的战略意义不容置疑，产业化的关键问题在于：第一：储能系统的经济性。安全、优质、经济是对电力系统的基本要求。锂离子电池储能系统虽然在众多储能方式中胜出，但真正想要实现产业化，为市场所接受，一方面期待新能源并网带来的极大商机以及储能系统应对城市尖峰负荷的最佳解决方案，更重要的一方面要有效降低成本，使其真正具备经济性。2锂离子电池在光伏系统中的应用2.1锂离子电池设计本设计的锂离子电池的电化学表达式为：锂离子电池的成流反应正极反应：LiCoO2←→Li1-xCoO2+xLi++xe负极反应：6C+xLi++xe←→LixC6电池反应：LiCoO2+6C←→Li1-xCoO2+LixC62.1.1锂电池结构图2.1.2正极材料与负极材料正极活性物质选择LiCoO2，因为它制备工艺简单，开路电压高，比能量大，循环寿命长，能快速充放电，电化学性能稳定，现已商品化。正极反应：LiCoO2←→Li1-xCoO2+xLi++xe正极片压实密度（g/cm3）材料实际比容量（mAh/g）材料理论比容量（mAh/g）活性物质利用率η（%）LiCoO23.913827350.6负极活性物质选择中间相碳微球（MCMB），颗粒直径大小在10微米左右，这种颗粒放射状结构，从轴心向外的石墨晶面以之字形取向排列，外侧被一薄覆盖，该薄层的底晶面几乎覆盖了纤维柱的全部表面，纤维的机械结构坚固，即使经过1000次循环，结构也不会破坏。负极反应：6C+xLi++xe←→LixC6负极片压实密度（g/cm3）实际比容量为（mAh/g）理论比容量为（mAh/g）活性物质利用率η（%）MCMB1.75305320隔膜与电解液1.3隔膜PE隔膜厚度取20微米1.4电解液1mol/LLiPF6-EC-DEC-DMC(1:1:1)2.1.4设计单体电池直径（㎜）高度（㎝）容积（㎝3）质量（g）数值26.810