太阳能发电的“得力干将”——储能锂电池

太阳能发电较传统能源相比，具有清洁、无污染的特殊优势。太阳能发电现在正大规模的应用于我们身边的各个角落，然而在无光照的时候（阴雨天、夜晚），我们又该如何发电呢？这就需要我们的一个“得力干将”——储能锂电池。

锂离子电池能够实现化学能与电能的相互转化。在光照充足时，由太阳能产生的多余的电能转化成化学能，给锂离子电池充电，因此相当于这部分多余的电能被储存起来；在光照不充足甚至没有光照时，为保证居民用电平稳，锂离子电池开始放电，这时化学能转化成电能，用来弥补因光照欠缺造成的用电失衡，从而确保电力输出的可靠性与品质。

锂电池储能过程是一个基本的氧化还原反应，这主要依赖于两极的锂离子浓度差。在充电过程中，锂离子从正极脱嵌，经过电解液嵌入负极，负极因此处于富锂状态。此时，电子通过外电路从正极流向负极，形成电流，完成储能过程。放电过程则相反，锂离子从负极脱嵌，经过电解液返回正极，同时电子通过外电路从负极流向正极，产生电流供外部使用，这使得在光照不足时，放电过程相当于一个应急方案。这一过程可以形象地比喻为“摇椅电池”，因为锂离子在正负极之间往返嵌入和脱嵌，就像摇椅一样来回移动，使其广泛应用于光伏发电的储能领域。

锂离子电池包括四部分组成：正极材料、负极材料、电解液、电池隔膜。

1） 正极材料：包括钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元材料（镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂）。其中三元材料能量密度高，续航时间长，磷酸铁锂更安全，成本更低，寿命更长。正极材料是电池的关键部分，其性能直接影响电池的性能。现如今，钴酸锂凭借其可靠的导电率、大比容量以及高振实密度等优势，得到广泛应用，但成本较高，对环境有一定的危害。所以现在主要研究其他可替代的正极材料，比如将层状镍酸锂用作正极材料的锂电池，其比容量可达到240mAh/g,但镍酸锂不易合成且首圈容量损失达到20%,再加上其缺乏良好的结构稳定性及化学稳定性，循环寿命不长。虽然采用锰、镁、铝等金属取代镍可在一定程度上弥补不足，但仍难在市场上大规模应用。

2） 负极材料：起着能量的储存与释放的作用、影响着锂离子电池的能量密度。在电池成本中，负极材料约占10%。目前锂离子电池负极材料主要分为碳负极材料、合金型负极材料、过渡金属氧化物。材料市场应用程度最高的是碳材料中的石墨类负极材料。首先，碳材料具有良好的电化学稳定性，能够避免使用性质活泼的金属锂，提高了电池的安全性和循环性能‌。其次，是因为它具有较高的比容量。比容量大可以帮助容纳锂离子，从而提高电池的容量‌。此外，碳通常具有较大的比表面积和丰富的孔隙结构，这些特性也有助于锂离子的脱吸附和嵌入，进一步提升了电池的性能‌。最后，碳负极材料因其高能量密度和良好的综合性能，具有快速充电、高安全性和环境友好的特点‌。合金型负极材料具备较高的嵌锂电位，有着良好的安全性。但是，这种负极材料在充放电时不仅会发生较大的体积转变，而且缺乏良好的循环稳定性。为解决合金型负极材料循环稳定性不足的问题，关键在于对其表面进行改性处理，比如引入碳材料复合技术、材料表面喷涂技术等，可在一定程度上提升其循环稳定性。为研发出具备高循环稳定性的电极材料，过渡金属氧化物是十分理想的选择。过渡金属氧化物不仅具各可靠的循环稳定性、较高的比容量，而且造价偏低、易于获取。 但是，这种材料仍处在研发阶段，技术还不够成熟。

3） 电解液：电解液作为锂电池的重要组成部分，在锂电池中发挥了重要作用，可在正负极之间传导离子，对锂电池的比容量、循环稳定性、安全性等性能指标也有重要影响。从锂电池的性能及安全性角度而言，电解液应满足下述3项要求:(1)良好的稳定性，确保在充放电时鲜少出现副反应； (2)具备较宽的工作电位范围:(3)具备较高的离子导电率。因为单一溶剂不是万能的，所以当前锂电池普遍采用多溶剂混合型电解液。另外，添加剂会对其循环稳定性产生一定影响，适量效果更好，这是由于有的添加剂会促进稳定固液界面膜的形成，而稳定的固液界面膜可用作保护层以阻碍电解液与电极材料发生反应，进一步提升锂电池的循环稳定性。

4） 隔膜：目前商业化锂电池隔膜材料主要是聚乙烯/PE、聚丙烯/PP微孔膜。根据制备方法，隔膜可以分为干法、湿法和涂覆隔膜： 干法隔膜用于电动汽车、 电动自行车、电动工具、 数码产品、储能用电池领域；湿法隔膜用于电动汽车、电动工具、高端数码类用锂离子电池；涂覆隔膜用于对安全性要求更高的动力、数码电动电池领域。

储能锂电池的一些常用规格，包括电压、容量、尺寸、最大充电电流和最大放电电流、寿命等多个方面。具体如下：

1.电压

储能锂电池的标称电压一般为3.2V、3.7V、12V等。其中3.2V和3.7V的标称电压用于家庭储能、备用电源等场合，12V的标称电压用于电力系统等大型场合。

2. 容量

储能锂电池的容量一般用mAh或Ah来表示，顾名思义，这是电池一次放电能够输出的电流，容量越大，一次放电时间就越长。目前常用的储能锂电池容量有100Ah、200Ah等多种规格，一般适用于不同需求和电力系统大小。

3. 尺寸

储能锂电池的尺寸也是其规格之一，它决定了电池的外形尺寸大小，对于储能设备的结构设计非常重要。目前常见的储能锂电池有8Ah、10Ah、20Ah 等规格，尺寸不同，适用范围也不同。可根据需要选择不同尺寸规格的储能锂电池。

4. 最大充电电流和最大放电电流

储能锂电池最大充电电流和最大放电电流是其重要规格之一，也是保证电池工作正常的前提。最大充电电流一般以C为单位，典型值0.2C和0.5C，最大放电电流一般以C为单位，典型值为1C和3C。

5. 寿命

储能锂电池的寿命表现为循环寿命和年限寿命两个方面，循环寿命指电池能够循环使用的次数，年限寿命指电池使用年限。目前市场上常见的储能锂电池其循环寿命在600-1200次之间，年限寿命在5-15年之间。

储能锂电池的意义在于它不仅能够解决电力资源的时空不匹配问题，提高能源利用效率，还能够促进清洁能源的应用，减少碳排放，对于实现能源转型和可持续发展具有重要的意义。但同时储能锂电池存在成本高、安全性差、寿命有限等问题，如果供应电流过大，存在爆炸隐患。由锂离子电池引出的问题有待解决，需要广大研究人员推动锂离子相关产业的不断创新，有效降低锂离子电池的制作成本。如果这些问题能够克服，那么储能锂电池的应用规模会更加广阔。除此之外，锂电池的应用层面不仅在于光伏发电上，而且还在于家庭储能系统、微电网、大型电网储能等方面。

参考文献;

1高档妮，郭宏伟，王毅等作者，磷酸铁锂电池材料知识演讲及发展趋势的可视化分析.硅酸盐通报，2023（3），42（3）：1087、1090

2孟亚斌，高性能锂电池材料的应用趋势研究，新材料与新技术，化工设计通讯，2022（10），48（10）：44-46.