充電機(jī)充電鈦酸鋰儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用與攻關(guān)
2017-7-19 11:42:52??????點(diǎn)擊：
國(guó)家電網(wǎng)從2006年開始關(guān)注儲(chǔ)能技術(shù)，當(dāng)時(shí)充電機(jī)充電蓄電池的選擇不多，我們重點(diǎn)技術(shù)攻關(guān)的項(xiàng)目是納米充電機(jī)充電蓄電池和液硫充電機(jī)充電蓄電池。當(dāng)時(shí)沒有考慮用鋰充電機(jī)充電蓄電池做儲(chǔ)能，因?yàn)楫?dāng)時(shí)鋰充電機(jī)充電蓄電池的循環(huán)壽命是2000~3000次，這在電網(wǎng)應(yīng)用中就沒什么價(jià)值。兩三千次的循環(huán)壽命，對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)就意味著充電機(jī)充電蓄電池在幾年內(nèi)就要全更換一次，鋰充電機(jī)充電蓄電池不適合電網(wǎng)使用。到2009年，了解到充電機(jī)充電鈦酸鋰蓄電池的循環(huán)壽命可達(dá)上萬(wàn)次，當(dāng)時(shí)覺得不可思議。后來(lái)用充電機(jī)充電鈦酸鋰蓄電池樣品做測(cè)試，在循環(huán)1000多次的時(shí)候，容量沒有衰減。經(jīng)過(guò)這么多年對(duì)充電機(jī)充電鈦酸鋰蓄電池的研發(fā)、評(píng)價(jià)和應(yīng)用，充電機(jī)充電鈦酸鋰蓄電池確實(shí)具有長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)。當(dāng)然它也有很大的缺點(diǎn)，就是太貴。國(guó)家電網(wǎng)作為用戶單位，一直努力尋找降低成本的方法。
充電機(jī)充電鈦酸鋰蓄電池功率可以做高，但為了追求高功率，就需要將材料納米化，納米化后生產(chǎn)加工等工序的工藝控制要求都很苛刻，從而成本提高。在儲(chǔ)能方面，能否考慮降低充電機(jī)充電鈦酸鋰蓄電池高功率的要求，只保留長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，以此換來(lái)成本的降低。
一、首先，我們研究了充電機(jī)充電鈦酸鋰蓄電池的重構(gòu)技術(shù)。
以低成本亞微米鈦酸鋰材料取代納米鈦酸鋰材料，并以此為基礎(chǔ)建立儲(chǔ)能用充電機(jī)充電鈦酸鋰蓄電池材料體系。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，材料粒徑在0.8~1.3μm之間時(shí)，既能保證長(zhǎng)壽命的特點(diǎn)，又能降低高功率的要求，降低生產(chǎn)工藝控制的苛刻條件，從而降低成本。還可以用性能、制造工藝、成本方面都具有優(yōu)勢(shì)的疊片式軟包裝結(jié)構(gòu)取代環(huán)形結(jié)構(gòu)和圓柱形結(jié)構(gòu)。以上兩點(diǎn)是從材料和充電機(jī)充電蓄電池結(jié)構(gòu)的重構(gòu)來(lái)降低充電機(jī)充電蓄電池成本。
另一方面是充電機(jī)充電蓄電池生產(chǎn)工藝上的重構(gòu)。在電極材料的勻漿環(huán)節(jié)，將常規(guī)攪拌工藝改為高粘度攪拌工藝；在電極制作環(huán)節(jié)，將進(jìn)口預(yù)涂層集流體改為自主研發(fā)的預(yù)涂層集流體；在充電機(jī)充電蓄電池制作的環(huán)境控制環(huán)節(jié)，可將環(huán)境濕度由10%放寬到30%；在充電機(jī)充電蓄電池制作工序上，可以取消涂布前卷料烘干和注液前電芯烘干兩個(gè)烘干工序。以上針對(duì)勻漿、預(yù)涂層集流體、環(huán)境控制、充電機(jī)充電蓄電池制作工序等環(huán)節(jié)分別進(jìn)行技術(shù)重構(gòu)，降低充電機(jī)充電蓄電池成本。
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序號(hào) |
成本變化項(xiàng)目 |
成本降低百分比 |
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1 |
亞微米鈦酸鋰材料成本降低比例 |
12.0% |
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2 |
導(dǎo)電預(yù)涂層鋁箔成本降低比例 |
2.3% |
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3 |
其他原材料（包括正極材料、電解液、隔膜、鋁塑模等）成本降低比例 |
5.1% |
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4 |
攪拌工藝改進(jìn)后成本降低比例 |
0.9% |
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5 |
環(huán)境濕度控制成本降低比例（從10%RH降低至30%RH） |
6.1% |
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6 |
化成工藝優(yōu)化后成本降低比例 |
1.6% |
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7 |
管理、財(cái)務(wù)等其他費(fèi)用降低比例 |
3.9% |
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8 |
電池總成本降低合計(jì) |
31.9% |
二、充電機(jī)充電鈦酸鋰儲(chǔ)能蓄電池測(cè)評(píng)技術(shù)
圖中可以看出，鈦酸鋰的循環(huán)次數(shù)和容量保持率是大大好于磷酸鐵鋰充電機(jī)充電蓄電池。據(jù)我們的測(cè)試經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，循環(huán)次數(shù)七八千次以前，國(guó)內(nèi)的充電機(jī)充電蓄電池和國(guó)際上的充電機(jī)充電蓄電池區(qū)別不大，七八千次以后，國(guó)產(chǎn)充電機(jī)充電蓄電池的一致性上有差異。這些問題促使我們需要改進(jìn)評(píng)測(cè)技術(shù)。
充電機(jī)充電鈦酸鋰蓄電池快速充電機(jī)評(píng)價(jià)實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究主要有兩種方法：基于加速老化實(shí)驗(yàn)的快速充電機(jī)評(píng)價(jià)技術(shù)研究和基于壽命預(yù)測(cè)模型的快速充電機(jī)評(píng)價(jià)技術(shù)研究。
1、基于加速老化實(shí)驗(yàn)的快速充電機(jī)評(píng)價(jià)技術(shù)研究
加速老化評(píng)價(jià)的關(guān)鍵技術(shù)在于：對(duì)加速老化的動(dòng)力學(xué)條件選擇和邊界條件進(jìn)行確認(rèn)，通過(guò)建立不同動(dòng)力學(xué)條件下衰減特性之間的等效關(guān)系進(jìn)行快速充電機(jī)評(píng)價(jià)。
在實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)充電機(jī)充電蓄電池在常規(guī)實(shí)驗(yàn)和加速老化實(shí)驗(yàn)條件下的定期表征，找尋不同條件下充電機(jī)充電蓄電池特性一致的等效點(diǎn)，建立等效點(diǎn)之間的函數(shù)關(guān)系（y2=f(y1)）, 從而以加速實(shí)驗(yàn)條件的數(shù)據(jù)對(duì)常規(guī)1C、23℃實(shí)驗(yàn)條件下的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)和估算。
通過(guò)在不同倍率、不同溫度下進(jìn)行等效實(shí)驗(yàn)的快速充電機(jī)評(píng)價(jià)方法所用的時(shí)間進(jìn)行對(duì)比可以看出，等效實(shí)驗(yàn)最多可以節(jié)省一半的時(shí)間，但這時(shí)間也比較長(zhǎng)。用加速的方法進(jìn)行快速充電機(jī)評(píng)價(jià)還是不太理想。于是我們考慮用壽命預(yù)測(cè)模型的方法進(jìn)行快速充電機(jī)評(píng)價(jià)。
2、基于壽命預(yù)測(cè)模型的快速充電機(jī)評(píng)價(jià)技術(shù)研究
壽命預(yù)測(cè)模型有三種方法：
（1）直線外推法：使用較為普遍，方法簡(jiǎn)單但不考慮充電機(jī)充電蓄電池的電化學(xué)非線性衰退特點(diǎn)。
該方法以1000次循環(huán)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)3000次循環(huán)以內(nèi)的容量預(yù)測(cè)較為準(zhǔn)確，由于未考慮循環(huán)過(guò)程中電化學(xué)極化等因素造成的非線性衰退等因素，長(zhǎng)期循環(huán)預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度較差，呈明顯的離散趨勢(shì)。
（2）全壽命周期擬合法：需要全壽命周期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，往往僅針對(duì)一款充電機(jī)充電蓄電池有效。
該方法以1000次循環(huán)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在前3000次循環(huán)擬合較為準(zhǔn)確，之后的偏差率較大，主要原因是不同充電機(jī)充電蓄電池之間差異性造成性能衰退趨勢(shì)不同。
（3）電化學(xué)模型擬合法：考慮電化學(xué)極化等因素，輔以實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)修訂。
該方法以1000次循環(huán)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，在5000次循環(huán)周期內(nèi)，預(yù)測(cè)偏差率較小，這種方法是可取的。
總體來(lái)說(shuō)，基于實(shí)驗(yàn)等效的快速充電機(jī)評(píng)價(jià)方法周期相對(duì)較長(zhǎng)，如以5000次作為循環(huán)壽命預(yù)測(cè)目標(biāo)，最多只能縮短原先時(shí)間的50%左右。電化學(xué)模型擬合法由于僅需1000次循環(huán)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為模型基準(zhǔn)數(shù)據(jù)或修正數(shù)據(jù)，因此如以5000次作為循環(huán)壽命預(yù)測(cè)目標(biāo)，能縮短原先的時(shí)間的80%。
未來(lái)，需要探索更加細(xì)致的加速老化邊界條件，同時(shí)將快速充電機(jī)評(píng)價(jià)方法拓展到不同廠家的充電機(jī)充電鈦酸鋰蓄電池，或其他類型的儲(chǔ)能充電機(jī)充電蓄電池。充電機(jī)充電鈦酸鋰蓄電池壽命受日歷時(shí)間影響較大，接下來(lái)需要尋找日歷時(shí)間與加速老化的關(guān)系。對(duì)現(xiàn)有的電化學(xué)模型進(jìn)行優(yōu)化，與未來(lái)更細(xì)化的邊界條件結(jié)合，提高鋰離子儲(chǔ)能充電機(jī)充電蓄電池快速充電機(jī)評(píng)價(jià)精度，進(jìn)一步完善檢測(cè)方法和規(guī)范，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修編。
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