储能电池全生命周期再生技术研究进展

储能电池全生命周期再生技术研究进展

郝晋轩

中国能源建设集团山西电力建设有限公司 山西省太原市030000

摘要：储能是实现发电端与用电端功率解耦的必要条件，是发展新型电力系统的核心要素。其可充可放的运行特性能有效解决新能源发电不稳定性对电力系统造成的影响，也是支撑“源、网、荷”端互联、互通、互济的重要保障力量。近几年，随着全球经济的快速发展，与之相伴的全球气候变暖、传统能源匮乏等问题也愈演愈烈，在此背景需求下，风能、光能等可再生能源受到了广泛的关注，基于此，本文主要对储能电池全生命周期再生技术进行研究，详情如下。

关键词：储能电池；全生命周期；再生技术

引言

在实现双碳目标的过程中，风能、太阳能等可再生能源的发展成为推动能源清洁低碳转型的关键。储能是解决可再生能源发电间歇性、波动性问题，实现电能供需平衡的关键支撑技术。截止到2020年底，全球储能累计装机规模达到192.2GW，其中抽水蓄能装机量占总装机量的89.6%，电化学储能装机量占总装机量的7.1%。与物理储能相比，电化学储能具有快速响应、能量密度高、配置灵活且建设周期短等技术优势。电化学储能技术主要包括锂离子电池、铅酸蓄电池、全钒液流电池、钠硫电池和氢镍蓄电池等。虽然电化学储能技术发展迅速，但“可再生能源+电化学储能”的全生命周期成本仍然较高，严重影响其商业化进程。

1电池修复再生技术

修复再生技术是针对衰减或失效电池进行性能再生的技术。当储能电池因内阻增加、电解液缺失、组件老化等出现性能衰减时，可通过原位修复或局部拆解修复对衰减电池进行及时补救，恢复储能电池电化学性能，延长使用寿命。目前储能电池退役时的剩余容量大部分在60%~80%，通过修复再生提升电池性能使之继续服役，对于减轻报废压力和实现资源可持续具有重要意义。

2储能电池全生命周期再生技术

2.1电池储能协同火电机组参与系统调频控制策略

在中国提出“双碳目标”的推动下，我国的能源体系逐渐向清洁低碳、安全高效等方向发展，并逐步建成以风电、光伏等可再生能源为主的新型电力系统。风电、光伏等新能源大规模并网，其波动性及间歇性等出力特征导致电力系统有功出力与负荷之间不平衡会引起系统频率波动。大幅度的系统频率波动甚至会引发停电事故。如2019年8月19日，某电网风电机群发生连锁脱网跳闸，导致频率跌落出正常范围，从而引起英格兰部分地区停电长达1.5h。因此，维持电网系统频率稳定是保证电网正常运行的基本要求。储能电池系统响应速度快，调节灵活，可以在额定功率内的任何功率点实现精准控制。因此，选择储能电池中使用最广泛的磷酸铁锂电池进行研究，对储能电池设置附加的功率控制环节，从而达到响应频率的目的。目前，储能电池参与频率响应的方式主要是通过模拟同步发电机组的下垂特性和惯性特性进行调节。考虑到储能系统的功率输出与电池的SOC紧密相关，采用较大的充放电系数不仅会造成SOC越限，更会影响电池的寿命；而较小的充放电系数又会造成出力过慢难以维持输出功率的稳定。

2.2新型半固态液流储能电池

传统化石能源的过度消耗造成了严重的资源枯竭和环境污染。在“碳达峰、碳中和”背景下,推动能源结构从油气、煤炭为主的传统模式向以风能、太阳能等可再生能源为主的新能源结构变革,关乎国家的能源安全及可持续发展战略。风能、太阳能等可再生能源的发电方式不同于传统火力发电,其发电高度依赖自然环境而不能通过人工调节发电效率,发电输出具有波动性、随机性和间歇性的特点,这种非稳态特征导致产能端和用能端时空不匹配。规模储能技术可有效地调控可再生能源发电的不稳定性,实现能量跨时间、空间的传递,促进电网的调峰平谷及安全稳定供电。因此研发大规模储能技术是推进中国能源革命及保证可持续发展的关键。半固态液流电池具有能量密度高、安全性高、循环寿命长、电解液可循环利用、功率/容量解耦、环境友好等优势,被认为是最具潜力的大规模储能技术之一,在新能源智能电网建设等领域有广阔的应用前景。多物理场多尺度高级建模和仿真为电池设计从材料到实际产品与工程应用提供了更多的理论依据、解释和预测,半固态液流电池兼具锂离子电池高能量密度和传统均相液流电池灵活可拓展的特点,因此可采用与锂离子电池及液流电池相似的模型来表述。通过建立多物理场建模,耦合多个长度尺度以及时间尺度构建层次结构,可以同时模拟半固态电极浆料流动的流体动力学、锂电极反应的电化学、固相锂在颗粒中的输运以及在储罐中的质量平衡,掌握电池电荷传递与离子传输过程,进一步了解半固态液流电池内部的反应状态与进程,从而深入研究储能体系,促进包括高能量密度、高功率密度以及在热和机械应力条件下的循环稳定性等系统性能,对于指导半固态液流电池材料体系优化与结构设计具有重要意义。

2.3基于Logsitic函数的改进下垂控制策略

下垂控制是储能电池参与电网调频的策略之一，储能电池通过下垂控制环节实现有功功率的输出采用固定系数的下垂控制能在系统发生短时间负荷扰动或储能电荷状态充足的情况下提供良好的调频效果。然而，储能电池受到荷电量的限制，在系统中出现长时间负荷扰动时，快速充放电不仅会影响储能电池工作寿命，更会出现储能出力不足引发频率二次跌落的情况。该策略避免储能电池出现过充、过放的同时，很大程度上减小了储能越限时对系统造成的影响。以储能电池放电为例，放电曲线呈现出上凸下凹形状。当储能电池电荷量充足时，下垂系数较大，保证储能电池快速出力；随着储能电池电荷量逐渐减小之后，下垂系数也出现逐渐减小趋势，放电速度减缓，维持了电荷量的状态，避免出现储能电池过放的情况。

2.4考虑储能寿命和通信故障的微电网群优化调度

各微网内部包括光伏(photovoltaic，PV)、风机(wind turbine，WT)、柴油发电机(diesel generator，DG)等分布式能源及储能电池系统。其中，光伏、风机等可再生能源为不可控单元，其输出功率受当地辐射强度、温度、风速影响，柴油发电机和储能电池系统则作为可控单元来平抑电网功率波动，提高电能质量。储能电池在日常运行中不直接产生成本，但其每一次的充放电都会损耗其使用寿命。因此，微电网运行时需要建立合理的储能电池模型，来延缓储能电池损耗，降低系统运行成本。随着大规模可再生能源的接入，孤岛模式下的多微网系统将趋于并网连接。因此，多个以可再生能源发电为主的微网的并网连接或将是未来研究的一个课题。

结语

综上，在目前不断加大对电化学储能电池产业链中游加工相关技术研发力度的同时，应注重核心技术的突破并规范行业标准，加强产业链协作水平以实现中游加工技术的高质量发展，并且仍需努力实现上游原材料关键技术的突破，例如电极活性物质材料的研发，唯有上游关键技术的不断突破方能使得后续中游及下游技术研发保持可持续性。

参考文献

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