目 录

序

前言

第 1 章 锂离子电池系统的发展现状 ......................................................................... 1

1.1 锂离子电池概念 ............................................................................................ 1

1.2 锂离子电池发展简史 .................................................................................... 2

1.3 锂离子电池体系 ............................................................................................ 3

1.3.1 正极体系 ................................................................................................. 3

1.3.2 负极体系 ............................................................................................... 10

1.3.3 电解质体系 ........................................................................................... 13

1.4 锂离子电池的分类和技术特点 .................................................................. 15

1.5 锂离子电池系统简介 .................................................................................. 17

1.5.1 锂离子电池系统的组成 .......................................................................... 17

1.5.2 锂离子电池系统的发展历程 ................................................................... 18

参考文献 ............................................................................................................... 19

第 2 章 储能用锂离子电池系统的应用现状 ........................................................... 21

2.1 锂离子电池储能市场 .................................................................................. 21

2.2 储能用锂离子电池技术 .............................................................................. 24

2.2.1 单体锂离子电池技术 .............................................................................. 24

2.2.2 锂离子电池模组..................................................................................... 25

2.2.3 锂离子电池储能系统 .............................................................................. 29

2.3 储能系统安全事故情况 .............................................................................. 38

参考文献 ............................................................................................................... 40

第 3 章 储能用锂离子电池系统的指标体系与边界条件 ....................................... 42

3.1 固定设施可再生能源供电系统指标体系 .................................................. 42

3.1.1 电气性能 ............................................................................................... 43

3.1.2 安全性能 ............................................................................................... 45

3.1.3 循环性能 ............................................................................................... 46

3.1.4 环境适应性 ........................................................................................... 51

3.1.5 使用可靠性 ........................................................................................... 52

3.1.6 考虑可再生能源消纳的指标体系 ............................................................. 53·vi· 储能用锂离子电池系统关键技术

3.2 移动式供电系统应用场景分析及其指标体系 .......................................... 54

3.3 偏远地区场景可再生能源供电指标体系 .................................................. 58

3.3.1 典型偏远地区自然环境分析 ................................................................... 58

3.3.2 可再生能源供电系统应用场景分析 ......................................................... 60

3.4 高功率装备应用场景及其指标体系 .......................................................... 61

3.4.1 高功率锂离子电池及其电源系统现状 ...................................................... 61

3.4.2 储能分系统的需求分析 .......................................................................... 62

3.5 大规模储能的极端边界条件 ...................................................................... 64

3.5.1 我国典型地区极端天气条件调研 ............................................................. 64

3.5.2 世界典型地区极端天气条件调研 ............................................................. 65

3.6 极端条件对电池影响的模拟仿真研究及其边界条件确定 ...................... 67

3.6.1 基本模型理论 ........................................................................................ 68

3.6.2 建模流程 ............................................................................................... 72

3.6.3 常规/极端环境下界面副反应特性及仿真模型 ........................................... 74

参考文献 ............................................................................................................... 77

第 4 章 锂离子电池性能衰减机制与抑制策略 ....................................................... 78

4.1 正极性能衰变 .............................................................................................. 79

4.1.1 磷酸铁锂正极性能衰变 .......................................................................... 79

4.1.2 其他正极性能衰变 ................................................................................. 91

4.2 负极性能衰变 .............................................................................................. 95

4.2.1 石墨负极性能衰变 ................................................................................. 96

4.2.2 钛酸锂负极性能衰变 .............................................................................. 99

4.3 非活性物质性能衰变 ................................................................................ 100

4.3.1 隔膜性能衰变 ...................................................................................... 100

4.3.2 集流体性能衰变................................................................................... 101

4.4 表征电池材料衰减的先进研究手段 ........................................................ 102

4.5 全电池性能衰减 ........................................................................................ 104

4.5.1 电解液对衰变特性影响 ........................................................................ 105

4.5.2 电极设计对衰变特性的影响 ................................................................. 106

4.5.3 电池结构设计对性能衰减的影响 ........................................................... 107

4.6 电池工作条件对衰变的影响 .................................................................... 109

4.6.1 温度的影响 ......................................................................................... 109

4.6.2 SOC 的影响 ......................................................................................... 111

4.6.3 电流的影响 ......................................................................................... 112

4.7 电池系统的老化机理 ................................................................................ 113 目 录 ·vii·

4.8 本章小结 .................................................................................................... 115

第 5 章 锂离子电池的热特性与安全性 ................................................................. 116

5.1 锂离子电池的安全特性 ............................................................................ 116

5.1.1 电池的燃烧三角与热失控演变 .............................................................. 118

5.1.2 机械滥用及其热失控演变 ..................................................................... 119

5.1.3 电滥用及其热失控演变 ........................................................................ 126

5.1.4 热滥用与热失控演变 ............................................................................ 127

5.2 电池热安全技术策略 ................................................................................ 129

5.2.1 降低单体级热失控危险的对策 .............................................................. 131

5.2.2 减少系统级的热失控蔓延 ..................................................................... 136

第 6 章 锂离子电池及其系统的失效与失控 ......................................................... 140

6.1 锂离子电池失效机理 ................................................................................ 140

6.1.1 锂离子电池失效的表现 ........................................................................ 140

6.1.2 锂离子电池失效常见的分析方法 ........................................................... 144

6.2 锂离子电池热失控机理 ............................................................................ 146

6.2.1 锂离子电池的热失控过程 ..................................................................... 146

6.2.2 锂离子电池的热失控蔓延 ..................................................................... 147

6.2.3 锂离子电池热失控的关键参数 .............................................................. 148

6.3 锂离子电池系统的失效与失控 ................................................................ 150

6.3.1 锂离子电池系统的组成 ........................................................................ 150

6.3.2 锂离子电池系统的安全分析 ................................................................. 150

6.4 本章小结 .................................................................................................... 152

第 7 章 储能用锂离子电池管控技术 ..................................................................... 153

7.1 电池组高可靠性电池管理系统及主动均衡技术 .................................... 153

7.1.1 关键技术 ............................................................................................. 153

7.1.2 研究方向 ............................................................................................. 154

7.2 电池组高性能健康状态评估技术 ............................................................ 155

7.2.1 关键技术 ............................................................................................. 156

7.2.2 研究方向 ............................................................................................. 157

7.3 电池组高效热控及精准防护技术 ............................................................ 159

7.3.1 关键技术 ............................................................................................. 160

7.3.2 研究方向 ............................................................................................. 162

7.4 智能化安全状态预警与控制技术 ............................................................ 162

7.4.1 关键技术 ............................................................................................. 163

7.4.2 研究方向 ............................................................................................. 165·viii· 储能用锂离子电池系统关键技术

7.5 高压电池组高效率柔性成组技术 ............................................................ 166

7.5.1 关键技术 ............................................................................................. 167

7.5.2 研究方向 ............................................................................................. 170

7.6 电池组低温加热技术 ................................................................................ 171

7.6.1 关键技术 ............................................................................................. 171

7.6.2 研究方向 ............................................................................................. 172

参考文献 ............................................................................................................. 173

第 8 章 锂离子电池寿命预测及系统可靠性评估 ................................................. 175

8.1 电池单体健康状态估计与延寿技术 ........................................................ 175

8.1.1 电池性能退化机理 ............................................................................... 175

8.1.2 电池容量衰退模型 ............................................................................... 178

8.1.3 电池健康状态评估 ............................................................................... 180

8.1.4 电池寿命预测 ...................................................................................... 181

8.1.5 电池延寿技术 ...................................................................................... 185

8.2 电池组系统可靠性评估 ............................................................................ 185

8.2.1 电池组系统容量衰减机理 ..................................................................... 185

8.2.2 电池系统可靠性建模与分析 ................................................................. 186

8.2.3 电池系统可靠性提升技术 ..................................................................... 189

8.3 总结与展望 ................................................................................................ 193

第 9 章 锂离子电池储能系统灾害预警与防控技术 ............................................. 195

9.1 储能系统灾害预警概念 ............................................................................ 195

9.2 储能系统热失控演化过程 ........................................................................ 196

9.2.1 电池内部反应时序规律 ........................................................................ 197

9.2.2 特征温度规律 ...................................................................................... 197

9.2.3 热失控产气规律................................................................................... 198

9.2.4 内短路机理 ......................................................................................... 199

9.3 储能系统热失控灾害监测预警技术 ........................................................ 199

9.3.1 储能系统热失控监控预警信号 .............................................................. 200

9.3.2 储能系统热失控灾害预警技术 .............................................................. 201

9.3.3 储能系统热失控灾害防控技术 .............................................................. 204

9.4 本章小结 .................................................................................................... 206

第 10 章 电池储能系统创新消防技术 ................................................................... 207

10.1 电池储能系统消防灭火需求 .................................................................. 207

10.2 电池储能系统消防灭火技术 .................................................................. 210

10.2.1 传统灭火剂在锂离子电池火灾中的应用 ............................................... 210 目 录 ·ix·

10.2.2 新型灭火剂在锂离子电池火灾中的应用 ............................................... 212

10.2.3 气液复合灭火方式在锂离子电池火灾中的应用 .................................... 215

10.3 电池储能系统消防设计 .......................................................................... 216

10.3.1 总体设计 ........................................................................................... 218

10.3.2 火灾自动报警系统设计 ....................................................................... 219

10.3.3 灭火系统设计 .................................................................................... 219

10.3.4 控制逻辑设计 .................................................................................... 219

10.4 本章小结 .................................................................................................. 221

第 11 章 锂离子电池储能系统测试评价技术 ....................................................... 223

11.1 储能用锂离子电池测试评价技术 .......................................................... 223

11.1.1 储能用锂离子电池单体测试评价技术 .................................................. 223

11.1.2 储能用锂离子电池模块测试评价技术 .................................................. 233

11.1.3 储能用锂离子电池簇测试评价技术 ...................................................... 236

11.2 储能系统测试评价技术 .......................................................................... 238

11.2.1 电网适应性测试评价技术 ................................................................... 238

11.2.2 功率控制测试评价技术 ....................................................................... 241

11.2.3 过载能力测试评价技术 ....................................................................... 248

11.2.4 低电压穿越测试评价技术 ................................................................... 248

11.2.5 高电压穿越测试评价技术 ................................................................... 252

11.2.6 电能质量测试评价技术 ....................................................................... 253

11.2.7 保护功能测试评价技术 ....................................................................... 255

11.2.8 充放电响应、调节、转换时间测试评价技术 ........................................ 257

11.2.9 额定能量、额定功率能量转换效率测试评价技术 ................................. 259

11.3 本章小结 .................................................................................................. 261