锂离子电池:基础及应用( 固定储能对电池的要求)

固定储能系统对电池的要求，尤其是电化学储能系统，对于实现可再生能源的广泛应用至关重要。这些系统旨在补偿电网波动、提供能量缓冲和长期存储。它们在不同时间尺度上发挥作用，从短期电网波动补偿到几个小时的风能或太阳能能量存储。工业电化学储能系统广泛应用于能源供应、电信、IT、铁路技术、应急与安全、医疗工程、物流等多个领域，满足其在能量密度、功率、存储动态、可靠性、维护和成本等方面的特定需求。

固定储能系统的需求特性包括高能量吞吐、长使用寿命和高循环稳定性。锂离子电池因其良好的特性和经济可行性，在电化学储能系统中扮演着关键角色。与其他电化学储能系统相比，锂离子电池具有高能量密度和功率密度，这些优势可以通过使用不同的活性材料进一步优化。当前发展侧重于提高安全性和降低生命周期成本，新材料、纳米复合材料和新型电芯概念为固定式储能系统提供了巨大的改进潜力。

锂离子电池在固定储能系统中的应用广泛，包括汽车应用和固定储能应用。电动汽车侧重于提升能量密度和功率密度，而固定储能系统需要满足低放电深度短周期和高放电深度持续数小时的需求，以及至少10（20）年的使用寿命。在后备或辅助固定储能应用方面，循环利用率的重要性较小，涉及UPS电源、应急照明、内燃机启动电源以及电芯、IT、发电站和铁路交叉路口等固定储能场合。

锂离子电池的正极材料发展至关重要，其性能直接影响电池的使用寿命、安全性和经济性。目前广泛使用的正极活性物质是锂钴氧化物（LiCoO2），尽管其理论比容量仅为130-150 Ah/kg，且存在热失控风险。通过引入镍、锰等过渡金属替代钴，可实现更高比容量（如LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2）和更高的热稳定性。此外，LiFePO4因其稳定性和原材料的可用性，在固定储能系统中展现出优势。

负极材料同样影响电池性能，石墨是最常用的负极材料，但其循环寿命受到限制。钛酸锂（Li4Ti5O12）作为替代品，具有较低的电池电压和极高的循环周期数，适合作为电网缓冲或离网应用的固定储能解决方案。在固定储能系统中，LiFePO4与Li4Ti5O12材料的结合形成了LTO-LFP电池，这种电池可以承受极高的充电循环次数，适合作为分布式储能系统的替代方案。

完整储能系统设计对于充分利用现有电池技术至关重要。设计考虑包括最小化能量密度和功率密度的损失，匹配和优化每个组件以决定整个系统的寿命和安全性。大型固定式储能系统采用模块化设计，模块采用串联或并联连接的电芯组成，满足能源和电力需求。此外，系统设计需要考虑从电池到逆变器的高电压传输、隔离安全性以及功率编组的挑战。

固定储能系统的典型应用包括促进自产太阳能的消耗、解决电网容量问题、集成可再生能源、电力交易、无功功率补偿以及消除谐波分量等。在未来的智能电网中，电池作为能源存储系统将促进本地消耗和系统效率的提升。在低压电网中，储能系统可以将大量光伏系统并入现有电网，减少传统发电厂提供的备用电力，从而实现能源自给自足和电网容量的优化。

固定工业储能系统在德国政府决定提高可再生能源在整体电力生产中的份额背景下变得越来越重要。这些系统具有相对较低的规划费用、较高的可扩展性和适应性，可以应用于可再生能源的集成、分布式网络平定、电力交易、无功功率补偿等多个方向。铅酸电池、镍镉电池以及基于氧化还原和高温系统的储能系统在当前的工业应用中被广泛使用，而锂离子电池在固定储能系统中展现出巨大的潜力和竞争优势。随着锂离子电池相关电极材料的持续发展，未来将有更多经济、优化的储能系统解决方案出现。

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