一文读懂储能锂电池的工作原理

储能技术发展至今取得了瞩目的成就，不仅有效地满足电网运行各阶段的需求，而且能够实现削峰填谷、电力负荷平衡，提高了电网中大规模可再生能源的接受程度以及间歇式可再生能源入网的可能性。锂电池技术是电化学储能技术中最为成熟的一项技术。锂电池通常有两种外型：圆柱形和长方形。圆柱型电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细且渗透性很强的薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成，主要有聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯与聚丙烯复合等材料。而长方形锂电池则是通过叠片形式构成，正极上放置隔膜，然后放置负极，以此类推并逐次叠加而成。

储能锂电池的组成

锂电池主要组成部分有正极、负极、电解质和正负极间隔膜。正极包括由含锂材料（如钴酸锂、锰酸锂和镍钴锰酸锂的一种或几种混合使用等）组成的锂离子收集极、由铝薄膜组成的电流收集极。

负极由层状碳材料组成的锂离子收集极、铜薄膜组成的电流收集极构成。电池内装有安全阀和正温度系数（Positive Temperature Coefficient，PTC）电阻器，具有热阻小、换热效率高、不燃烧和安全可靠等优点，并且能够有效防止电池在不正常状态或输出短路时受到伤害。隔膜是一种特殊的复合模，其在锂电池中的作用是阻止电子在正负极之间自由穿梭，但是电解液中的锂离子可以自由通过。电子不能脱离载体单独存在，隔膜本质为绝缘体，无法包容自由电子，所以不导电。

在电池中，元素基本以离子形式存在，离子能够容易地通过隔膜，而电子脱离了本身元素到了新载体（正极材料或负极材料）上，在与隔膜接触时，隔膜无法吸取电极上面的自由电子，从而阻止了电子的通过。常见的隔膜材料为单层PP膜、PE膜以及PP/PE/PP三层复合膜。电解液一般由锂盐和有机溶剂组成，具有传导离子的作用。电解质实现锂离子在电池正负极之间的传导，目前使用最广泛的电解质是LiPF6。图1对电池的内部结构进行了客观表现，电池内部有锂离子、金属离子、氧离子和碳层，锂电池的组成基本上都是一些化合物。电池的反应通过电池里面的离子移动来完成。而电池的隔膜好像一道屏障，使电池两极分开。

图1  锂电池内部结构原理图

锂电池是目前不可缺少的可携带的电能储存元件，锂电池的性能表征外部参数有很多，如电压、电流和内阻等。锂电池的优点如下：

1）燃烧热很高，即单位体积中放出的热量很高。

2）较环保，符合绿色社会发展要求。

3）使用寿命长。正常条件下，锂电池可以进行几百次的重复充放电的过程，所以锂电池可以被使用的时间很长。

4）无记忆效应。如果电池经常在充满且不放完电的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫作记忆效应。普通电池在工作过程中，有记忆效应，导致容量越来越少，而这个问题在锂电池中不存在。

当然锂电池还有很多其它优点，如安全性能好、自放电率低、充电快和工作温度范围宽等，因此得到广泛应用。

储能锂电池的工作原理

锂电池内部化学反应是一个基本的氧化还原反应，能量是守恒的，通过化学反应，能量得以在电池中进行储存和使用。从化学反应方程式可知，锂电池的充放电过程，就是锂离子的嵌入和脱嵌的过程，主要依靠两极的锂电子浓度差。锂电池在充电时，正极的锂原子会发生氧化反应，失去电子，从而变为锂离子；正极氧化反应产生的大量锂离子从正极脱嵌，经过电解液到达电池负极的碳层，在负极嵌入锂离子。此时，锂电池的负极实现富锂状态。电池容量的大小一方面和正极反应产生的锂离子数目有关，另一方面和通过电解液交换到负极的锂离子数目有关。放电是充电的逆过程，放电时负极发生氧化反应，嵌在负极碳层中的锂离子脱嵌，经过电解液运回正极，回到正极的锂离子越多，放电容量越高。同样充电时，电池正极有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极，到负极的锂离子嵌入到碳层微孔中，嵌入锂离子越多，充电容量越高。锂电池的工作原理如图2所示。

图2  锂电池的工作原理

储能锂电池的分段充电

锂离子电池在使用中随着电的释放，电压下降，电池的化学活性也会降低。为了更好的保护锂离子电池的功能，采取分段充电策略，保证电池快速充满又不过充电，对长期充不满、放不完的电池起到一定修复作用。

目前储能锂电池主要的充电方式有两种，主要为恒流充电模式和恒压充电模式，无论是恒流的充电模式还是恒压的充电模式，其充电方式都可以分为4个阶段来实现：涓流充电（低压预充）、恒流充电、恒压充电以及充电终止。储能锂电池的充电大多数都是由集成电路（Integrated Circuit，IC）芯片控制的，其中典型的充电方式是：先检测待充电储能锂电池的实际电压，如果电压低于3V，就需要先进行预充电，这时充电的电流一般为设定电流的1/10，直到电压稳步上升到3V以后，再进入标准的充电过程。标准的充电过程为：先以设定电流进行恒流充电，待电池电压上升到4.2V时改为恒压充电，一直使充电电压持续为4.2V进行充电；充电一段时间后，充电电流逐渐下降，当下降至设定电流的1/10时，充电过程结束。

第一阶段：涓流充电。涓流充电主要针对完全放电的电池单元进行预充电（恢复性充电）。即在电池电压低于3V时采用涓流充电。涓流充电电流是恒流充电方式下电流的1/10即0.1C（C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法，例如此时的电池容量为1000mA·h，则这时1C就代表充电电流为1000mA）。

第二阶段：恒流充电。当电池的电压值上升为涓流充电阈值以上时，提高此时的充电电流进行恒流充电。一般情况下恒流充电的电流值在0.2C~1.0C之间。此时储能锂电池的电压也会随着恒流充电过程逐渐上升，一般情况下单节电池设定的电压为3.0V~4.2V。

第三阶段：恒压充电。当储能锂电池的电压上升到4.2V时，恒流充电阶段结束，此时开始恒压充电阶段。这时电流值的变化会根据此时电芯饱和程度而决定，随着充电过程的进行，充电电流从最大值慢慢减少，当减小到0.05C时，则认为充电终止。

第四阶段：充电终止。判别充电终止的典型方法主要有两种：最小充电电流法和计时法（或者两者相互结合）。第一种方法用最小电流法来监视恒压充电阶段的充电电流，并当充电电流值减小到0.05C（或者取0.02C~0.07C范围内的值）时就终止充电。第二种方法设从恒压充电阶段开始的时间为初始时间，连续充电2h后终止充电过程。

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▊《锂电池储能科学与技术》

王顺利 等 编著本书针对储能锂电池应用的技术要求，以储能锂电池状态估计和电源管理方法为出发点，主要包括储能锂电池概述、储能锂电池控制策略、核心状态参量预估方法与储能电池电源管理设计实例等内容。本书特色鲜明、内容系统、实例丰富，既可用于高等院校新能源科学与工程、自动化、电气工程及其自动化等相关专业教学与科学研究，又可作为储能科学与技术应用研究人员的技术参考书。

撰  稿  人：杨健亭责任编辑： 李馨馨审  核  人：曹新宇