锂离子电池低温性能改善及在光储能系统中应用

浙江大学硕士学位论文锂离子电池低温性能改善及在光储能系统中应用姓名程丽娟申请学位级别硕士专业材料工程指导教师涂江平；宋晨路20120307摘要进行了研究，可分为两部分的电化学性能，分析得出电解液电导率很大程度上依赖电解液的成分和有机溶剂的比个小时后，能够产生浙江大学硕士学位论文瓾琾贑瓾狤瓻浙江大学硕士学位论文甌甌第一章绪论第一章绪论浙江大学硕士学位论文光伏系统储能技术的方式及意义储能方式主要有蓄电池储能、抽水储能、飞轮储能、压缩空气储能、超导储能等飞轮储能转换效率较低，大功率飞轮实现困难；压缩空气储能对安全要求严格，实现难度高；超导储能目前技术不成熟，短期内看不到大规模应用前景目前国内主要倡导的是蓄电池储能和抽水储能。虽然抽水蓄能电站技术成熟，存储容量大，运行寿命长，适宜于大容量储能，但是抽水储能也存在不容忽视的现能量转换效率和经济性等方面取得重大突破，蓄电池储能技术在分布式储能以及光伏储能系统简介第一章绪论浙江大学硕士学位论文太阳光能就直接变成了可以实用的电能【太阳能电池板在短的时间内不能提供大的启动电流，而蓄电池能够在较短时间内光伏储能系统的分类和结构鼗手太霸鸵电藏鬟负朗蛆卤图两种光伏储能系统的示意图胪停”联网型太阳能电池板太阳能电池单体是光电转换的最小单元由于太阳能电池单体工作电压和电流很小，所以不能单独作为电源使用通过导线连接的太阳能电池密封的物理单元是太阳能电池组件，可单独作为电源它具有一定防腐、防风、防雹和防雨等能力，广泛应用于各个领域中太阳能电池组件再经过串并联并装在支架上，就构成了太阳能电池板，可满足负载所输出功率【】。浙江大学硕士学位论文第一章绪论表四种常用蓄电池的特性，充放电容量可达到常温放电容量的浙江大学硕士学位论文。条件下工作，正极活性物质是液态硫，负极活性物质是液态金属钠，中间是多孔性陶瓷隔板。钠硫热电池能量密度高，是铅酸电池叮浞诺缧饰肥倜牧弦椎茫踩睢氧化还原电池正极和负极是采用不同价位钒作为活性物质体系，中间是离子交换膜，石墨板栅是集流体正极和负极电解液流动，流过电极表面时，产生电锂离子电池使用的正极材料有、蚅等，负极材料有层状结构的碳。它能量密度高，是镉镍电池的倍，负荷特性好，充电接受能力很好。电池单电压高达秋幽绯倍，并且没有记忆效应，不需要周第一章绪论锂离子蓄电池简介和入大量财力和物力中科院物理研究所、北京有色金属研究院和中国电子科技集，琘。七争，。琘。浙江大学硕士学位论文园雕倍一一。摇颤图锂离子电池工作原理图堵食涞，充电效率为以上；倍率性能好。倍率达到陨希踔链颪无记忆效应。不需要定期治疗性充放电，维护简单；开路电压高。电池平台为秋幽颓饽绯倍。因此在高电压场合上，所需要串联单体个数少，空间利用率高，电池相互影响小，均一性高；环境友好，原料丰富。电池不含巨毒物质，环境污染小；安全性能大幅提高。锂离子电池采用锂嵌入化合物作负极，避免放电中形成锂枝晶，电池安全性能提高；第一章绪论锂离子电池基本结构嚆蠢荔囊攀一述蹋图四种锂离子电池结构示意图仓危方形，凼剑薄膜浙江大学硕士学位论文天然石墨人工石墨软碳锡基氧化物过渡金属氧化物图锂离子电池负极材料分类在电极材料中，扩散系数大，电池快速充放电；浙江大学硕士学位论文电解质溶液目前有机电解质溶液商业应用较多。优良的锂离子电池有机电解液踩投荆藁肪澄廴尽电解质盐有机溶剂第一章绪论闪点、毒性、挥发性和电池在滥用状态下同其它电池材料的反应等都与电池安全性有关。有机溶剂大致可分为质子溶剂、非质子溶剂和惰性溶剂【州。目前，一般使用极性非质子溶剂作为锂离子电池电解液极性溶剂有利于锂盐溶解，且有机溶剂必须是非质子溶剂以保证电化学稳定，不发生副反应在其中移动速度慢通常将这两种有机溶剂混和使用，在一定程度上取长补短稳定的虼艘话悴坏朗褂谩颐浅玫拿牙嘤卸籽趸淄、般此醚类有机溶剂电化学稳定性不好，主要用于一次锂电池【】。且非常致密，能够阻止溶剂分子通过，让锂离子自由进出介电常数高蜕恋愀由于高介电常数，所麸基电解液电导率高。对锂具有较强的反应活性，和茸槌苫旌先芗粒甈榈绯，熔点低浙江大学硕士学位论文链状碳酸酯往往是低粘度、低介电常。除含有甲氧基的几种有机溶剂在电解烷投蚀级酌龋换纷疵延甲基四氢呋喃、二氧单一溶剂在性能上往往不能满足实际要求，如果将多种溶剂按一定比例混合得到多组分混合溶剂，其则易于满足实际要求，且性能优于单一溶剂。多元系统中电解液的物理化学性能缃榈绯扯鹊可以优化组合，因此，在实验室研究及工业生产中大多采用多组分混合溶剂，目前溶剂多采用碳酸酯系列高纯有机溶剂，如、等作为锂离子电池电解液溶剂。电解液添加剂第一章绪论同时，有机硼化物也有利于锂离子电池低温性能【舛】电解液对锂离子电池影响因素分析溶液浓度对电导率影响可以通过溶液电导率一浓度曲线来分析，此曲线呈抛物线形，电导率有最大值溶液电导率高低取决于其中自由离子数目和离子迁移率。溶液浓度增加离子迁移率一般下降。开始时，由于电解液中自由移动离子增多占主导因素，溶液浓度增加，导致电导率增大；当浓度增加到一定程度，离子迁移率降低便成为主要因素。浙江大学硕士学位论文溶剂粘度和介电常数对电导率影响主要表现在介电常数大，锂盐容易溶，其中为溶液粘度；表明迁移率与粘度成反比关系。粘度越大，迁移率越小，电导率越小，反之电解质盐溶解对电离对电解液电导率也有重要影响。锂盐谌芗中第一章绪论，离子化溶剂化、图锂盐溶解的循环图了荁耰界距离；正极材料嵌锂电位，即宽电位范围内不发生还原反应和氧化反应常见的锂浙江大学硕士学位论文使电解液与负极隔离开，防止与负极进一步还原，则动力学上是稳定的。一般认组成成分在电解液中溶解度低。纬晒叹龆薙膜组成和形貌【层和颊琇占，聚烯烃类化合物占表基电解液氧化分解电位随盐种类和电极材料的变化因此在有机电解液中，水分含量一般控制在第一章绪论锂离子电池电栅电解液相容性峁褂腼胱哟蓟恚籗膜电极界面稳定性。这些研究为电解液和添加浙江大学硕士学位论文忍教至薼疞篋电解液中不同锂盐阴离子对锂和石墨电极槌珊托阅苡跋欤诓煌趵胱拥缃庖褐校唤鯯膜形成电位和化学组成不同，而且溶剂还原产物相对量也不同。因此不同阴离子改变电极表面电极电化学性能优化电极，改善电极界面化学性质，是实现电极电解液相容第一章绪论在充电过程中由于正极材料始终保持较高电极电位，电解液组分有可能在其极界面的电化学氧化反应，研究发现电极界面性质不仅影响电解液氧化电位，而且其氧化产物也因其不同而不同。】认为，电极界面电解液氧化反应主要发生在正极碳导电剂表面。导电剂的微粒表面状况、比表面、材料的导电能力用量、挥发性物质的含量及其在电极本体中的分布状况等许多物理化学特征都是影响电解液组分氧化作用的因素。电极加入碳添加剂利于改善电极导电疞瓻疍疞篋电池中化学溶解与电化学溶解，确定不同条件下电解液中龋諰活性物质在电解液中化学溶解量远小于电化学正极表面膜表征浙江大学硕士学位论文衷诘缃庖褐蠰晶体结构发生自发性变化，与存放时间和号对电解液疞面膜厚度不受电子隧道距离限制通过馐远疾荒芄鄄斓絃挥随着锂离子电池在便携电器领域应用的迅速发展，锂离子技术正朝着某特殊领域如军用和航空领域的应用发展然而，温度低于时，锂离子电池并不能维持常温条件下的性能。上个世纪年代研究发现在锂离子电池放出的功率密度和能量密度分别为室温条件下的几年后的研究发现电池只能放出额定容量的【尽管不同生产商提供的电池性能差异以上时，第一章绪论一他认为主要是由于低熔点宽化了电解液体浙江大学硕士学位论文疞上疍时，电池低温电化学性能则明显恶化。因此，让锂离子电池在低温下具有良好的电化学性能仍然有待进一步的研究改善。、乙酸乙酯、丙酸乙酯和丁酸乙酯被引入电解液疍液体系，通过交流阻抗研究发现，作者认为，这是由于梭酸酯类溶剂第一章绪论的应用条件，从而也为光伏发电储能系统的应用带来巨大的效益高于胱拥绯兀人类科技的进步以及人们物质生活需求额提高，表现出人们对能源的需求越来越高，而传统能源资源却越来越少，越来越不能满足人们目前的需求，因此我们需要越来越重视对太阳能、水能、风能等新型可再生能源及核能的开发和利用从人们当前需求之急，以及对环境影响的综合考虑，高效的新型储能系统的开发和应用已成为当务之急。化学储能是将能量直接以电的形式储存，各种化学储能技术，主要用于终端电网和与太阳能发电、风能发电配套，是一种高效的储能技术。在化学储能技术中，锂离子电池早已普遍实用化，多用于大型的太阳能光伏储能系统中由于锂离子电池具有高功率和能量密度，对于太阳能光伏储能系统来说是极具有诱惑力的。而锂离子电池在很多场合受限于环境温度的影响，环境时表现更为明显，浙江大学硕士学位论文本论文研究的主要内容包括锂离子电池电解液低温性能的基础研究；锂离子电池在光伏储能系统的应用研究本论文研究的主要实验方案包括研究锂离子低温性能，本实验通过研究锂离子电解液的低温性能，一第二章实验仪器与测试方法第二章实验仪器与测试方法实验仪器与设备表材料制备和测试所需的仪器和设备压片机上海华辰仪器有限公司武汉市金诺电子有限公司无锡伯乐达试验设备有限公司昆山市超声仪器有限公司常熟市加藤电子设备厂浙江大学硕士学位论文实验物品和试剂表电解液和锂离子电池制备和测试所用的物品电化学性能测试系统充电测试系统恒流放电测试电解液电导率测定坏缪咕龋；电流范围堵食涞缰，最后分别以危沸阅懿馐允墙罨蟮目凼降绯卦谝欢奈露然肪诚戮仓型电化学工作站上进行浙江大学硕士学位论文引言通过上述研究，我们发现磷酸铁锂锂离子蓄电池的特性直接影响系统的工作伏储能系统就要求蓄电池具有较好的低温电化学性能一般来说，需要蓄电池能温度范围内能够有较高放电容量，但是磷酸铁锂锂离子蓄电池的温度下的性能通过电解液的电导率、电池倍率、循环电解液制备电解液的制备整个过程都是在充满氩气的手套箱中进行的首先用移液管量浙江大学硕士学位论文表制备电解液的成分体积比正极制备和电池装配的圆形铝片上，在抽正空状空干燥箱中烘低温电解液电导率分析时，情况恰好相反，甚至温度达到时，电解时，电解液才能以液态形式存论文在固定体积比的电解液电解液及其锂电池的电化学性能的影响浙江大学硕士学位论文售图不同温度不同电解液的电导率疎甈瓻以下，电解甈瓻的电导率下降很快，这主要是可能因为的粘度大锂离子电池低温电化学性能分析为了研究含有不同成分电解液的磷酸铁锂锂离子电池放电性能变化情况，本四个温度对疌和负极装配的扣式电池进行电池倍率性能测试和循环性能测试。倍率性能测试方案为环境温和诺纭绯匮沸阅懿馐苑桨肝夯肪澄露认戮仓诺缛萘坑氤孪碌定量的对电池的容量保持率没有负面影响。暑叱譬圈不同温度不同电解液中磷酸铁锂锂离子电池的容量率时，电池的放电容量明显有很大区别，加入电解液窃浙江大学硕士学位论文第三章锂离子电解液伊疎的低温性能研究，图是不同成分电解液的磷酸铁锂锂离子电池在不同温度下的充放电曲线浙江大学硕士学位论文瓻电池的磷酸铁锂电极放少为放电倍率下，每个电池的放电容量几乎相同，但是放电电压平台的放电容量和放电平台都降低，并且电解液的多；，由图表明放电性能最好的加入是电解液浙江大学硕士学位论文时，锂离子电池磷酸铁锂电极放电容量超过了放电电压平台为诺绲缪蛊教前面结论一致，因此本论文认为在电解液浙江大学硕士学位论文图不同电解液不同温度磷酸铁锂锂离子电池的循环曲线解液的锂离子电池磷酸铁锂电极在不同温度下的交流阻抗进行了测试。本论文选择了完全放电状态下的电池进行分析测试。图是电解液完全放电状态下的阻抗图和其等翰如时放电状态阻浙江大学硕士学位论文第三章锂离子电解液瓻疨疎的低温性能研究，。一，稀浙江大学硕士学位论文为了研究低温下电池阻抗与放电容量之间的联系，本论文使用阻抗数据分析在低温下对锂离子电池的影响。图是不同电解液缂腟膜阻抗和电荷传输电阻的相对阻抗汛曲线图中表明随着温度的降低值增加的速度明显比和快，电阻大小在电池电阻中起主要地位，因此电极的电化学动力反应可能与如有紧密的联系，因为艮是反应了在电极界面上锂离子图不同电解液不同温度缂喽缘缱鼬他曲线，窍嘤露鹊缱瑁琑是电阻通过图贸鲈起主要作用其次，随着温度降低，增加速度比快，因此推断低温下锂离本章小结分析了不同成分的电解液的电导率和电化学性能，得出电解液电导率依赖电点的共溶剂，有效增加了锂离子电池实验温度范围电解液浙江大学硕士学位论文第四章光伏储能系统基础研究第四章锂离子电池在光伏储能系统中应用研究引言目前，光伏储能系统已广泛应用于各个领域。由于用电设备的负载和用途不同，以及系统所处的地理位置和气象条件不同，光伏储能系统设计要考虑很多因素因为很多数据经常变化，所以设计方法和一些参数的选取各有不同。但所有设计的共同要求就是满足用电设备的正常运转，为负载提供可靠的足够能量，投资经济光伏储能系统设计以浙江省杭州市区为地点，组装光伏储能系统，使一个额定功率为光伏储能系统参数浙江大学硕士学位论文个容量为，电压为牡灏串樽埃缤。表光伏储能系统参数甿参数取值朝南略偏西光伏储能系统由太阳能电池板、智能充电控制器、逆变器、磷酸铁锂锂离子第四章光伏储能系统基础研究太阳能电池将光能转换为电能，并通过智能充电控制器向磷酸铁锂锂离子蓄电池充电，充电过程中，由智能充电控制器来控制磷酸铁锂锂离子蓄电池的充电电量，使得磷酸铁锂锂离子蓄电池的充电电流始终保持在磷酸铁锂锂离子蓄电池可接受的范围内，从而使磷酸铁锂锂离子蓄电池快速充电，并对磷酸铁锂锂离子蓄电池的影响较小，充电的同时，电池监控测量系统监控磷酸铁锂锂离子蓄电池的充电性能绯涞缡钡缌饕约暗缪沟谋浠，得到相应的数据结果；当太阳能电池给磷酸铁锂锂离子蓄电池充好电之后，磷酸铁锂锂离子蓄电池通过逆变器将直流电转化为交流电，并供电给交流负载使用，同时，电池监控测量系统监控磷酸铁锂锂离子蓄电池的放电性能，观测磷酸铁锂锂离子蓄电池的充放电性能。当光照强度不够的时候，整个电路是处于断开状态，不工作。因此光照强度要使得太阳能电池达到工作电压的时候，整个电路才能正常工作。本论文中所述智能充电控制器结构示意如图所示包括采集器以及微控制器，采集器是通过电压信号采集电流信号，微控制器包括微积分计算模块和模浙江大学硕士学位论文图智能充电控制器结构示意图第四章光伏储能系统基础研究磷酸铁锂锂离子蓄电池储存转化的能量图。从图中我们可以看出，在杭州一年中，浙江大学硕士学位论文妻占图光伏储能系统中磷酸铁锂锂离子蓄电池每月储存能量卫光伏储能系统锂离子蓄电池电化学分析笥遥路葑畲蟮缌魑十二月份最大电流为笥遥中磷酸铁锂锂离子蓄电池所储存的能量为，辛姿崽胱有畹绯厮娴哪芰课酸铁锂锂离子蓄电池所储存的能量为应在早上阋院蟛拍懿缌鳎阋院蟛辉俨缌鳎第四章光伏储能系统基础研究，浙江大学硕士学位论文尘尘图光伏储能系统中磷酸铁锂锂离子蓄电池一天充电曲线甋图是光伏储能系统中磷酸铁锂锂离子蓄电池分别在蚻的放电曲线图，磷酸铁锂锂离子蓄电池在诺绫堵实姆诺缙教缪刮笥遥第四章光伏储能系统基础研究星本章小结浙江大学硕士学位论文统，在一天充电时间为鲂保笤寄芄徊第五章结论浙江大学硕士学位论文参考文献参考文献甁【縁瓸甁【磕呙龋琈甃，甋太阳能电池研究的新进展可再生能源，【可蚧裕姹谭迹帕保夜裟芄夥档姆够鲇胝铰远圆撸绯兀【柯乐拘拢稍偕茉丛诎略斯讨械挠茫艄饽茉矗【】陈维，沈辉，邓幼傻太阳能光伏应用中的储能系统研究蓄电池，【】甖甔瓼瓸【】中国太阳能利用协会新编太阳能产品设计太阳能利用新技术新