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摘要：設計了一款儲能用電池模塊，模塊采用新型鈉離子電池，具有較高的充放電能量效率、寬溫域放電性能、倍率性能好、長循環(huán)、高安全等優(yōu)點。經測試，單體電芯0.33 C充放電能量效率為97.18%，－40 ℃下1 C放電容量為常溫容量的89.79%，5 C放電容量為0.33 C容量的90.49%，40 ℃下30天存儲后恢復容量保持率為98.34%，0.5 C下常溫循環(huán)2 000次后容量保持率為86.65%，可順利通過過充、擠壓、針刺、過放、短路等安全測試；電池模塊在25 ℃、0.33 C充放電條件下，能量效率為96.3%；在25 ℃、0.33P充放電條件下，能量效率為95.75%；在5 ℃、0.33P充放電條件下，與25 ℃條件下測試相比，能量效率為90.08%。該模塊采用風冷散熱，模塊內電芯溫差可控制在3 ℃以內，可滿足儲能系統(tǒng)要求。
關鍵詞：鈉離子電池；低溫；高安全；能量效率；儲能
當前，電化學儲能方案主要以鋰離子電池儲能為主，但鋰離子電池存在安全性問題[1-3]，并且鋰資源豐度有限，資源分布不均勻，面臨成本和資源受限的風險。鈉離子電池具有成本低、安全性高、低溫性能優(yōu)異等特點[4]，受到廣泛的關注與研究。另外，鈉資源非常豐富，其在地殼中的豐度位于第6位(約2.75%)，約為鋰資源的423倍[5]，且分布廣泛，完全不受資源和地域的限制，所以鈉離子電池相比鋰離子電池具有較大的資源與成本優(yōu)勢，有望應用于大規(guī)模儲能。
P2相的鈉離子層狀氧化物正極材料具有較大的層間距，有利于Na+的傳輸，具有更好的動力學過程，因而受到廣泛的關注與研究[6-7]。本文中鈉離子電池單體電芯設計容量為80 Ah，正極材料為自主研發(fā)的P2型鈉離子層狀過渡金屬氧化物，負極材料為軟碳；模塊成組方式為2P12S；研究了單體電池的高低溫放電性能、倍率性能、循環(huán)性能、高溫存儲性能以及安全性能等，并驗證了電池模塊不同溫度的能量效率。
由于單體電池數量眾多，使用過程中易造成單體之間的溫度梯度差是儲能用電池設計模塊的難點之一。在長期過熱的情況下，某些單體易影響整組壽命，同時帶來安全隱患。由于新型鈉離子電池具備較好的倍率特性、優(yōu)異的溫度特性以及較高的能量效率，該鈉離子電池模塊的熱管理設計采用低成本的風冷方式，有效增加了使用過程中的可靠性。結構設計上，箱體左右兩側及后側分別有進風口，可確保電芯均勻散熱；模組底部增加散熱膠墊，可進一步提升電芯的散熱效率，鈉離子電池模塊中電芯的溫差可控制在3 ℃以內，與液冷水平相當。為保證電池模塊的電氣絕緣性能，單體電芯間增加了塑料支架卡槽，進一步保證模塊的安全性。該儲能用電池模塊具備散熱效率高、結構可靠的優(yōu)點，具有較強的實用性，并可大規(guī)模推廣，已應用于某儲能示范項目。
1 實驗
1.1 單體電芯的制備與電池模組的組裝
1.1.1 單體電芯的制備
實驗使用的方形鈉離子電池由天津中電新能源研究院有限公司提供，單體電芯采用方形鋁殼，型號為42173205，極組為疊片式結構，設計容量80 Ah。
1.1.2 電芯模組的配組
電池模塊采用42173205方形電芯(80 Ah)，成組方式為2P12S，模塊尺寸為670 mm×528 mm(含安裝耳)×243 mm，如圖1所示。圖2為電池模塊爆炸視圖，主要由箱體、匯流排、端板、輸出座、采樣板等組成，該模塊采用風冷散熱，箱體左右兩側及后側分別有進風口，確保電芯散熱均勻。組裝后模組及2P12S電池模塊如圖3所示，該模塊已經應用于某電網側儲能示范項目。
圖1 電池模塊尺寸
圖2 電池模塊爆炸視圖
圖3 鈉離子電池模組及2P12S模塊
1.2 單體電芯及電池模塊的性能測試
1.2.1 單體電芯的性能測試
電芯的高低溫性能、倍率性能以及充放電循環(huán)測試采用國產新威電池測試儀進行測試，電壓范圍2.0～3.9 V，充電截止電流為0.05 C，其中，－30、－40 ℃低溫放電，電池下限電壓放至1.5 V；高溫存儲性能測試，在40 ℃恒溫箱中進行測試；安全測試按照國標GB38031-2020（擠壓、過充、過放、短路）以及GJB4477-2002（針刺）進行測試驗證。測試參考標準為GB/T 36276-2018《電力儲能用鋰離子電池》。為保證單體電芯測試過程中溫度的均勻性，在電芯正、負極柱附近和電池殼體中部放置3個溫度傳感器，實時采集單體電池溫度。
1.2.2 電池模塊的性能測試
電池模塊的能量效率測試采用星云電子充放電測試設備、溫箱進行，模塊單體電壓范圍控制在2.0～3.9 V，放電截止電壓為2.2 V，參考GB/T 36276-2018進行測試。能量效率?e=E放/E充，其中E充為充電能量，E放為放電能量；放電功率P=放電容量×放電平臺電壓/放電時間，0.33P=0.33 C放電容量×0.33 C放電平臺電壓/3。測試參考標準為GB/T 36276-2018《電力儲能用鋰離子電池》。為保證模塊測試過程中溫度的均勻性，在模塊正、負極功率輸出端子附近、模組中間位置鋁排左右位置和側面共放置5個溫度傳感器，實時采集電池模塊溫度。
2 結果與討論
2.1 單體電芯性能驗證
2.1.1 常溫容量標定
圖4為單體電池在0.33 C充放電電流下的典型充放電特征曲線，充放電曲線比較平滑，表明不存在復雜的多重相變反應。表1為單體電芯的充放電容量，由圖4和表1可知，單體電芯的前三次放電容量分別為83.32、83.31、83.30 Ah，符合容量設計要求，0.33 C能量效率達到97.18%，表明該電芯用于儲能系統(tǒng)中具有較高的能量效率。
圖4 單體電芯在0.33 C下的充放電曲線
表1 單體電芯在室溫0.33 C下前3次循環(huán)充放電容量、能量以及能量效率
2.1.2 高低溫放電性能
圖5為單體電芯高低溫放電曲線?？紤]－20 ℃以下低溫放電存在極化，放電截止電壓為1.5 V，－10 ℃以上時，放電截止電壓為2.0 V。由圖5可知，單體電芯低溫－30、－40 ℃下1 C放電容量分別為常溫25 ℃容量的92.25%、89.79%；高溫45 ℃放電容量為常溫25 ℃容量的101.29%，單體電芯表現(xiàn)出較好的高低溫性能，將有力提高儲能系統(tǒng)的環(huán)境適應能力。
圖5 單體電芯1 C高低溫放電性能
2.1.3 倍率放電性能
倍率性能是考察電芯功率特性的重要表征方式，電壓區(qū)間為2.0～3.9 V，常溫25 ℃下0.33 C、0.5 C、1.0 C、3.0 C、5.0 C不同倍率的放電曲線如圖6所示。相對0.33 C，3 C、5 C放電容量為常溫0.33 C放電容量的93.46%、90.49%，說明單體電芯具備較好的倍率性能，能夠滿足儲能系統(tǒng)高功率的充放電要求，可用于儲能系統(tǒng)的調頻響應。
圖6 單體單芯常溫下的倍率放電性能
2.1.4 循環(huán)與存儲性能
在常溫下，采用0.5 C充電至3.9 V，恒壓充電至0.05 C，0.5 C放電至2.0 V，對電池的循環(huán)性能進行了驗證，循環(huán)數據如圖7所示。由圖7可知，循環(huán)2 000次后，容量保持率為86.65%；從循環(huán)趨勢看，可實現(xiàn)2 500次容量保持率大于80%以上的循環(huán)壽命。
圖7 單體電芯0.5 C/0.5 C常溫循環(huán)
進一步對單體電芯的耐高溫存儲性能進行了驗證，圖8為高溫40 ℃存儲30天的單體電池殘余和恢復容量保持率，殘余容量保持率為95.22%，恢復容量保持率為98.34%，表明本研究的P2型新型鈉離子電池不僅具備較好的循環(huán)壽命，而且具有較好的耐高溫存儲性能。
圖8 單體電芯 40 ℃ 30天存儲殘余和恢復容量保持率
2.1.5 安全性能驗證
儲能系統(tǒng)的安全問題頻發(fā)，日益引起人們的關注，本文從單體電芯側進行了安全驗證，包括國標GB38031-2020（擠壓、過充、過放、短路）以及GJB4477-2002（針刺），如表2所示，安全測試結果全部通過，表明鈉離子電池具備較高的安全性能，有望解決儲能系統(tǒng)中的安全問題。圖9～14分別為過充、過放、熱箱、短路、擠壓、針刺測試前狀態(tài)與測試后狀態(tài)。
表2 單體電芯安全性能驗證
圖9 過充測試前狀態(tài)與測試后狀態(tài)
圖10 過放測試前狀態(tài)與測試后狀態(tài)
圖11 熱箱測試前狀態(tài)與測試后狀態(tài)
圖12 短路測試前狀態(tài)與測試后狀態(tài)
圖13 擠壓測試前狀態(tài)與測試后狀態(tài)
圖14 針刺測試前狀態(tài)與測試后狀態(tài)
2.2 電池模塊性能驗證
2.2.1 0.33 C能量效率
如圖15所示，在25 ℃條件下，以0.33 C、0.2 C、0.05 C階梯式充電方式，將電池包電量充滿，然后以0.33 C放電至截止電壓。從圖15中可以看出，電池模塊的充電能量E充為6 377.27 Wh，放電能量E放為6 140.23 Wh，能量效率?e約為96.3%，接近單體電池的能量效率97.18%。電池模塊展現(xiàn)出較高的充放電能量效率，能夠提高儲能系統(tǒng)的能量轉換效率，這意味著可提供更高的能效。
圖15 0.33 C充放電能量曲線
2.2.2 0.33P能量效率
分別在25、45、5 ℃條件下測試0.33P能量效率。
2.2.2.1 25 ℃下0.33P能量效率測試
在25 ℃下，以0.33P將電池包電量充滿，然后以0.33P放電至截止電壓，測試數據如圖16所示，電池模塊的充電能量為6 162.57 Wh，放電能量為5 900.6 Wh，能量效率約為95.7%。
圖16 25 ℃下0.33P充放電能量曲線
2.2.2.2 45 ℃下0.33P能量效率
圖17為電池模塊在45 ℃下0.33P充放電能量曲線，在45 ℃下，以0.33P將電池包電量充滿，然后以0.33P放電至截止電壓。充電能量為6 325.14 Wh，放電能量為6 185.53 Wh，能量效率約為97.8%。
圖17 45 ℃下0.33P充放電能量曲線
2.2.2.3 5 ℃下0.33P能量效率
圖18為電池模塊在5 ℃下的0.33P能量效率，在5 ℃條件下，以0.33P將電池包電量充滿，然后以0.33P放電至截止電壓。充電能量為6087.62 Wh，放電能量為5315.43 Wh。能量效率約為87.3%，與25 ℃條件下測試相比，放電能量效率約為90.08%。
圖18 5 ℃下0.33P充放電能量曲線
圖19為0.33P不同溫度下的充放電曲線，可以看出充放電過程中，模塊5個不同位置的溫升較小且較一致，溫差小于3 ℃，表明電芯一致性較好，模塊的通風散熱設計滿足設計要求，該模塊已經應用于某國網儲能示范項目。
圖19 0.33P不同溫度下的充放電曲線
圖20為采用該模塊的200 kWh鋰/鈉離子電池聯(lián)合儲能示范系統(tǒng)，該儲能示范系統(tǒng)已經并網使用，服務當地的儲能需求，后續(xù)根據儲能分布式的特點，可推廣應用，為當地經濟發(fā)展提供服務。
圖20 采用2P12S鈉離子電池模塊的儲能示范系統(tǒng)
3 結論
本文采用一款新型方形鈉離子電池及儲能型鈉離子電池模塊，分別對單體電芯的容量、高低溫放電性能、倍率性能、循環(huán)性能、存儲性能、安全性能以及電池模塊的能量效率進行了驗證。單體電芯充放電能量效率為97.18%，－40 ℃下1 C放電容量為常溫容量的89.79%，常溫5 C放電容量為0.33 C的90.49%，具有2 000次以上循環(huán)壽命，40 ℃下存儲30天的恢復容量保持率98.34%，可順利通過過充、擠壓、針刺、過放、短路等安全測試；該電池模塊在25 ℃、0.33 C充放電條件下，能量效率為96.3%；25 ℃下0.33P充放電能量效率為95.75%；5 ℃下0.33P充放電，與25 ℃條件下測試相比，能量效率為90.08%。單體電芯表現(xiàn)出較好的電性能以及安全性能，電池模塊具備較高的能量效率，模塊中電芯的溫差可控制在3 ℃以內，可滿足當前儲能電池模塊的要求，有望大規(guī)模應用于儲能項目。
