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研制固态高安全储能锂电池 提升储能电池安全性能

北极星储能网  来源:国家电网报    2021/12/1 10:12:50  我要投稿  

北极星储能网讯:固态电池是一种使用固体电极和固体电解质的电池,可以从本征上解决锂电池高温起火的安全问题。中国电力科学研究院有限公司牵头研制的固态高安全储能锂电池解决了电池起火问题,已开始规模化生产,将应用于兆瓦时级储能集装箱示范工程。

11月11日,中国电力科学研究院有限公司储能与电工新技术研究所固态高安全储能电池团队开展了1兆瓦时储能集装箱示范工程电池单体热失控实验。团队将电池单体加热到300摄氏度后,电池单体没有出现起火爆炸和热失控扩散情况。

出现热失控时的温度是储能单体电池和电池模组最重要的安全指标。造成热失控的根本因素是电池内部高分子隔膜和有机电解液的不稳定性。2019年1月份,固态高安全储能电池团队通过对锂离子电池内部传导物质进行改性,研制出固态高安全储能锂电池,可以阻断电池内部热失控,提升储能电池的安全性能。目前,团队正探索在更多领域应用这种电池。

从材料源头切断电池热失控路径

“在电池内部结构中,高分子隔膜能起到物理阻隔正负极的作用,但遇到高温会发生热收缩,引起电池短路,触发热失控。在一定温度下,电池内部的可燃物——有机电解液会燃烧,导致电池起火、爆炸。”在1兆瓦时储能集装箱示范工程电池单体的热失控实验前,固态高安全储能电池团队负责人金翼介绍。

团队提出了具有可行性的解决思路:利用新型的无机隔膜材料取代有机隔膜,阻断正负极接触,在电池正负极之间构筑起一道“防火墙”,同时向电解液中掺入一定比例的固体电解质,降低电池内部的可燃物占比。

如何降低隔膜的厚度、保证其均匀性是新型无机隔膜制备需要重点攻克的难题。通过对隔膜基础材料颗粒的尺寸和分布情况进行探索,2018年10月份,团队研究出一整套技术,制备出固态高安全储能锂电池样品。

热失控实验验证,电池样品耐热失控实验温度远超过国家标准规定温度。“我们将单体电池成品放进热箱,当热箱温度达到300摄氏度时,电池仅出现了鼓胀,未发生起火爆炸现象。”团队成员于冉介绍。

预制集装箱、建于城市核心区的变电站和配网的储能系统、保电应急及数据机房后备电源等多种应用场景均对电池的安全性要求较高。为此,2020年6月份开始,项目团队进一步开展探索,在1兆瓦时储能集装箱示范工程中设计应用固态高安全储能电池模组,以验证固态电池在实际工程应用的可行性。

在关键环节带动电池产业升级

11月6日,固态高安全储能电池团队成员孙召琴接到固态高安全储能锂电池生产企业的产品报表。数据显示,该企业在一星期内批量生产的固态电池产品已经达到200千瓦时。这得益于固态高安全储能锂电池的“隔膜电极一体化结构”生产工艺。

为了能够满足实际生产要求,2019年5月份,团队设计提出了“隔膜电极一体化结构”,并明确了生产技术路线、设备选用、参数设置等一系列问题。在生产工艺方面,团队决定沿用传统锂离子电池的流延涂布技术。这与现有工艺重叠度达到99%以上,制备可操作性强,无须升级、改进生产设备,可满足现阶段大规模生产的需求。

针对1兆瓦时储能集装箱示范工程,团队的设计方案是布局约5簇电池模块,每簇约210千瓦时。这需要多家电池生产厂商来完成。2019年以来,项目团队已经与武汉、北京等地几家电池企业签订了批量生产协议。目前,该项目电池单体的生产已经接近尾声。

考虑到储能工程后续的工作状态,团队还开展了“电化学-热”特性耦合仿真分析和算法研究。团队在电池内部设计了多层级、多场耦合热管理系统,实现了电池模组工作状态的长时间动态监控。

接下来,团队将进行固态电池模块及系统的集成设计工作。预计今年年底,电池模块及系统将批量用于1兆瓦时储能集装箱示范工程。

推动固态锂离子电池多场景应用

10月25日,固态高安全储能锂电池技术成果获得第三届中央企业熠星创新创意大赛优秀奖。目前,中国电科院已与3家电池生产企业达成初步合作意向。这进一步扩大了固态锂离子电池技术成果的应用范围,将推动储能电池产业化,具有重要的社会效益和经济效益。

根据固体电解质的种类,全固态电池可以划分为两类——基于无机电解质的全固态电池和基于聚合物电解质的全固态电池。

前者自身阻抗较大,电化学性能并不理想。后者具备柔性特性,能够降低电极与电解质之间的界面阻抗,获得较好的电化学性能,而且可以借鉴传统锂离子电池的制备方法,在工艺流程上具有天然优势,适用于多种电池体系及应用场景,在储能、新能源汽车、智能装备、无人机等领域有很大发展潜力。

纵观基于聚合物电解质的全固态电池技术发展趋势,从半固态电池到准固态电池,再到无液体的全固态电池,逐渐减少内部液体是关键。

近年来,基于聚合物电解质的全固态电池进入较快发展阶段。业内的技术研究路线是采用固体电解质代替有机电解液,实现锂离子在正负极间的传输。“我们的研究主要是基于复合固态电解质成膜,将液体含量控制在5%以内,实现锂离子快速传导,其工作原理与传统锂离子电池相同。”金翼说。

技术的发展直接推动应用。该技术成果可以用于锂离子电池的所有产品,成熟度较高,已经形成自主核心知识产权。与现有锂离子电池相比,固态高安全储能锂电池体积小,更加稳定安全,成本与现有商品电池持平,可以为不同类型、不同应用目标的场景提供安全解决方案。

目前,团队正研发下一代长寿命、宽温域高安全固态电池。未来,除预制集装箱储能系统外,安全固态电池将在更多的变电站、配电自动化终端、通信基站的操作和后备电源系统中应用,缓解安全保障压力,减少人工运维工作量。


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