全球能源緊缺，新興能源產業(yè)的發(fā)展勢在必行，但風能、 太陽能等清潔能源受環(huán)境影響較大，功率不穩(wěn)定，致使傳統(tǒng)電網無法承載，大量能量被浪費。主要原因之一就是∶儲能技術落后，現有儲能電站無法實現功率補償，無法滿足功率平滑的需求?？梢哉f，儲能電站的發(fā)展已成為新能源開發(fā)的核心之一。

 

1. 儲能系統(tǒng)在光伏發(fā)電系統(tǒng)中的作用

 

通過對光伏發(fā)電的特性分析可知，光伏發(fā)電系統(tǒng)對電網的影響主要是由于光伏電源的不穩(wěn)定性造成的，從電網安全、穩(wěn)定、經濟運行的角度分析，不加儲能的光伏并網發(fā)電系統(tǒng)將對線路潮流、系統(tǒng)保護、電網經濟運行、電能質量和運行調度等方面產生不利影響。

 

 

光伏電站并網，尤其是大規(guī)模光伏電站并網對電網帶來的影響是不可忽視的。目前解決光伏電站對電網影響的途徑是提高電網靈活性或為并網光伏電站配置儲能裝置。

 

 

儲能系統(tǒng)在光伏電站中的作用主要體現在以下幾個方面。

 

（1）保證系統(tǒng)穩(wěn)定。光伏電站系統(tǒng)中，光伏輸出功率曲線與負荷曲線存在較大差異，而且均有不可預料的波動特性，通過儲能系統(tǒng)的能量存儲和緩沖使得系統(tǒng)即使在負荷迅速波動的情況下仍然能夠運行在一個穩(wěn)定的輸出水平。

 

（2）能量備用。儲能系統(tǒng)可以在光伏發(fā)電不能正常運行的情況下起備用和過渡作用，如在夜間或者陰雨天，電池方陣不能發(fā)電時，儲能系統(tǒng)就起備用和過渡作用，其儲能容量的多少取決于負荷的需求。

 

（3）提高電力品質和可靠性。儲能系統(tǒng)還可防止負載上的電壓尖峰、電壓下跌和其他外界干擾所引起的電網波動對系統(tǒng)造成大的影響，采用足夠多的儲能系統(tǒng)可以保證電力輸出的品質與可靠性。

 

2. 光伏發(fā)電并網加儲能系統(tǒng)架構

 

在本方案中，儲能電站（系統(tǒng)）主要配合光伏并網發(fā)電應用，因此，整個系統(tǒng)是包括光伏組件陣列、光伏控制器、電池組、電池管理系統(tǒng)（BMS）、逆變器以及相應的儲能電站聯(lián)合控制調度系統(tǒng)等在內的發(fā)電系統(tǒng)。系統(tǒng)架構如圖 1-1所示。

 

圖 1-1 儲能電站（配合光伏并網發(fā)電應用）架構圖

 

（1）光伏組件陣列利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉換為電能，然后對鋰電池組充電，通過逆變器將直流電轉換為交流電對負載進行供電。

 

（2）智能控制器根據日照強度及負載的變化，不斷對蓄電池組的工作狀態(tài)進行切換和調節(jié)；一方面把調整后的電能直接送往直流或交流負載。另一方面把多余的電能送往蓄電池組存儲。發(fā)電量不能滿足負載需要時，控制器把蓄電池的電能送往負載，保證了整個系統(tǒng)工作的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

 

（3）并網逆變系統(tǒng)由幾臺逆變器組成，把蓄電池中的直流電變成標準的 380V市電接入用戶側低壓電網或經升壓變壓器送入高壓電網。

 

（4）鋰電池組在系統(tǒng)中同時起到能量調節(jié)和平衡負載兩大作用。它將光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電能轉化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。

 

其中儲能單元拓撲結構及原理如圖 1-2所示，DC/DC變換器，后級為全橋雙向 DC/AC變換器，該拓撲結構能夠實現升壓與逆變、降壓與整流的解耦控制，控制簡單、容易實現。當儲能裝置放電時，前級變換器工作于 Boost 升壓模式，后級全橋變換器工作于逆變模式;當儲能裝置充電時，前級變換器工作于 Buck 降壓模式，后級全橋變換器工作于PWM整流模式。儲能單元的工作模態(tài)根據光伏發(fā)電系統(tǒng)有不同的運行模式，可分為并網充電、離網充電、離網獨立放電以及離網輔助放電四種工作模態(tài)。

 

圖 1-2蓄電池儲能單元兩級式拓撲結構

 

圖 1-2為蓄電池儲能單元的兩級式拓撲結構，前級為雙向 Buck/Boost。

 

模態(tài) 1;并網充電模態(tài)。并網運行模式下，蓄電池容量不足時，通過電網進行充電，為光伏發(fā)電系統(tǒng)離網運行模式下提供能量儲備。

 

模態(tài) 2∶離網充電模態(tài)。離網運行模式下，蓄電池容量不足且光伏發(fā)電單元有多余能量輸出時，對蓄電池進行充電控制。

 

模態(tài)3∶離網獨立放電模態(tài)。離網運行模式下，光伏發(fā)電單元能量不夠，不足以提供電壓和頻率支撐而停止工作時，蓄電池單獨為負荷提供所需的功率，并支撐光伏系統(tǒng)交流母線上的電壓和頻率。

 

模態(tài)4;離網輔助放電模態(tài)。離網運行模式下，光伏發(fā)電單元輸出功率不足以滿足負荷的用電需求，但能提供穩(wěn)定的交流母線電壓和頻率，此時蓄電池儲能單元輔助放電維持系統(tǒng)的能量平衡。

 

3.儲能方式

 

根據不同的儲能原理主要可分為電化學儲能（如鈉硫電池、液流電池、鉛酸電池、鎳鎘電池、超級電容器等）、機械儲能（如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等）和電磁儲能（如超導儲能）。表1-1為儲能方式對比表。

 

表1-1為儲能式對比表

 

電化學儲能是各類儲能技術中最有前途的儲能方式之一，具有可靠性高、模塊化程度高等特點，常被用于對供電質量要求較高的負荷區(qū)域的配電網絡中。其中蓄電池儲能主要是利用電池正負極的氧化還原反應進行充放電。蓄電池儲能可以解決系統(tǒng)高峰負荷時的電能需求，也可用蓄電池儲能來協(xié)助無功補償裝置，有利于抑制電壓波動和閃變。目前常見的蓄電池有鉛酸蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池等。

 

超級電容器是由特殊材料制作的多孔介質，與普通電容器相比，它具有更高的介電常數，更大的耐壓能力和更大的存儲容量，又保持了傳統(tǒng)電容器釋放能量快的特點，逐漸在儲能領域中被接受。根據儲能原理的不同，可以把超級電容器分為雙電層電容器和電化學電容器。超級電容器作為一種新興的儲能元件，它與其他儲能方式比較起來有很多的優(yōu)勢。超級電容器與蓄電池比較具有功率密度大、充放電循環(huán)壽命長、充放電效率高、充放電速率快、高低溫性能好、能量儲存壽命長等特點。但是超級電容器也存在不少的缺點，主要有能量密度低、端電壓波動范圍比較大、電容的串聯(lián)均壓問題。從蓄電池和超級電容器的特點來看，兩者在技術性能上有很強的互補性。將超級電容器與蓄電池混合使用，將大大提高儲能裝置的性能。研究發(fā)現，超級電容器與蓄電池并聯(lián)，可以提高混合儲能裝置的功率輸出能力、降低內部損耗、增加放電時間;可以減少蓄電池的充放電循環(huán)次數，延長使用壽命;還可以縮小儲能裝置的體積、改善供電系統(tǒng)的可靠性和經濟性。

 

飛輪儲能技術是一種機械儲能方式，具有效率高、建設周期短、壽命長、高儲能量等優(yōu)點;并且充電快捷，充放電次數無限，對環(huán)境無污染。但是，飛輪儲能的維護費用相對其他儲能方式要昂貴得多。

 

超導儲能系統(tǒng)（SMES）是電磁儲能的一種，利用由超導線制成的線圈，將電網供電勵磁產生的磁場能量儲存起來，在需要時再將儲存的能量送回電網。超導儲能系統(tǒng)通常包括置于真空絕熱冷卻容器中的超導線圈、深冷和真空泵系統(tǒng)以及作為控制用的電力電子裝置。電流在由超導線圈構成的閉合電感中不斷循環(huán)，不會消失。超導儲能與其他儲能技術相比具有顯著的優(yōu)點;由于可以長期無損耗儲存能量，能量返回效率很高;能量的釋放速度快，通常只需幾秒鐘;采用SMES可使電網電壓、頻率、有功和無功功率容易調節(jié)。

 

當前，光伏發(fā)電方面所使用的儲能方式主要是以蓄電池為主的化學儲能。下面對幾種主要的蓄電池進行介紹。

 

（1）閥控式鉛酸蓄電池。閥控式鉛酸蓄電池已有100 多年的使用歷史，非常成熟。以其材料普遍、價格低廉、性能穩(wěn)定、安全可靠而得到非常廣泛的應用，在已有的儲能電站中，鉛酸電池依舊被采用。但鉛酸電池也有致命的缺點，主要就是循環(huán)壽命很低，在100%放電深度（DOD）下，一般為300～600次。其次比能量也較小，需要占用更多的空間，充放電倍率也較低;再者。在電池制造、使用和回收過程中，鉛金屬對環(huán)境的污染不可忽視。

 

閥控式鉛酸蓄電池分為 AGM 和GEL.（膠體）電池兩種，AGM采用吸附式玻璃纖維棉（Absorbed Glass Mat）作隔膜，電解液吸附在極板和隔膜中，貧電液設計，電池內無流動的電解液，電池可以立放工作，也可以臥放工作;膠體（GEL）SiO2作凝固劑，電解液吸附在極板和膠體內，一般立放工作。

 

閥控式鉛酸蓄電池的電化學反應原理就是充電時將電能轉化為化學能在電池內儲存起來，放電時將化學能轉化為電能供給外系統(tǒng)。其充電和放電過程是通過電化學反應完成的，電化學反應式如下∶

 

 

從上面反應式可看出，充電過程中存在水分解反應，當正極充電到70%時，開始析出氧氣，負極充電到 90%時開始析出氫氣，由于氫、氧氣的析出，如果反應產生的氣體不能重新得用，電池就會失水干涸;對于早期的傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池，由于氫、氧氣的析出及從電池內部逸出，不能進行氣體的再復合，是需經常加酸加水維護的重要原因;而閥控式鉛酸蓄電池能在電池內部對氧氣再復合利用，同時抑制氫氣的析出，克服了傳統(tǒng)式鉛酸蓄電池的主要缺點。

 

閥控式鉛酸蓄電池采用負極活性物質過量設計，AG或 GEL.電解液吸附系統(tǒng)，正極在充電后期產生的氧氣通過 AGM或GEL空隙擴散到負極，與負極海綿狀鉛發(fā)生反應變成水，使負極處于去極化狀態(tài)或充電不足狀態(tài)，達不到析氫過電位，所以負極不會由于充電而析出氫氣，電池失水量很小，故使用期間不需加酸加水維護。閥控式鉛酸蓄電池氧循環(huán)圖示如下：

 

 

可以看出，在閥控式鉛酸蓄電池中，負極起著雙重作用，即在充電末期或過充電時，一方面極板中的海綿狀鉛與正極產生的O。反應而被氧化成一氧化鉛，另一方面是極板中的硫酸鉛又要接受外電路傳輸來的電子進行還原反應，由硫酸鉛反應成海綿狀鉛。

 

在電池內部，若要使氧的復合反應能夠進行，必須使氧氣從正極擴散到負極。氧的移動過程越容易，氧循環(huán)就越容易建立。

 

在閥控式蓄電池內部，氧以兩種方式傳輸;一是溶解在電解液中的方式，即通過在液相中的擴散，到達負極表面;二是以氣相的形式擴散到負極表面。傳統(tǒng)富液式電池中，氧的傳輸只能依賴于氧在正極區(qū) H2SO4溶液中溶解，然后依靠在液相中擴散到負極。如果氧呈氣相在電極間直接通過開放的通道移動，那么氧的遷移速率就比單靠液相中擴散大得多。充電末期正極析出氧氣，在正極附近有輕微的過壓，而負極化合了氧，產生一輕微的真空，于是正、負間的壓差將推動氣相氧經過電極間的氣體通道向負極移動。閥控式鉛蓄電池的設計提供了這種通道，從而使閥控式電池在浮充所要求的電壓范圍下工作，而不損失水。

 

對于氧循環(huán)反應效率，AGM電池具有良好的密封反應效率，在貧液狀態(tài)下氧復合效率可達99%以上;膠體電池氧再復合效率相對小些，在干裂狀態(tài)下，可達70%～90%;富液式電池幾乎不建立氧再化合反應，其密封反應效率幾乎為零。

 

閥控式鉛酸蓄電池的性能參數如下;

 

①開路電壓。電池在開路狀態(tài)下的端電壓稱為開路電壓。電池的開路電壓等于電池的正極的電極電勢與負極電極電勢之差。

 

② 工作電壓。工作電壓指電池接通負載后在放電過程中顯示的電壓，又稱放電電壓。在電池放電初始的工作電壓稱為初始電壓。

 

電池在接通負載后，由于歐姆電阻和極化過電位的存在，電池的工作電壓低于開路電壓。

 

③容量。電池在一定放電條件下所能給出的電量稱為電池的容量，以符號C表示。常用的單位為安培小時，簡稱安時（A·h）或毫安時（mA·h）。電池的容量可以分為理論容量、額定容量、實際容量。

 

理論容量是把活性物質的質量按法拉第定律計算而得的最高理論值。為了比較不同系列的電池，常用比容量的概念，即單位體積或單位質量電池所能給出的理論電量，單位為A·h/L或A·h/kg。

 

實際容量是指電池在一定條件下所能輸出的電量。它等于放電電流與放電時間的乘積，單位為 A·h，其值小于理論容量。

 

額定容量也叫保證容量，是按國家或有關部門頒布的標準，保證電池在一定的放電條件下應該放出的最低限度的容量。

 

④ 內阻。電池內阻包括歐姆內阻和極化內阻，極化內阻又包括電化學極化與濃差極化。內阻的存在，使電池放電時的端電壓低于電池電動勢和開路電壓，充電時端電壓高于電動勢和開路電壓。電池的內阻不是常數，在充放電過程中隨時間不斷變化，因為活性物質的組成、電解液濃度不斷地改變。

 

歐姆電阻遵守歐姆定律;極化電阻隨電流密度增加而增大，但不是線性關系，常隨電流密度和溫度不斷地改變。

 

⑤能量。電池的能量是指在一定放電條件下，蓄電池所能給出的電能，通常用瓦時（W·h）表示。

 

電池的能量分為理論能量和實際能量。理論能量W理可用理論容量和電動勢（E）的乘積表示，即：

 

W理=Cm E

 

電池的實際能量為一定放電條件下的實際容量C實與平均工作電壓U平 的乘積，即：

 

W實=C3U平

 

常用比能量來比較不同的電池系統(tǒng)。比能量是指電池單位質量或單位體積所能輸出的電能，單位分別是W·h/kg 或W·h/L。

 

比能量有理論比能量和實際比能量之分。前者指 1kg電池反應物質完全放電時理論上所能輸出的能量。實際比能量為 1kg 電池反應物質所能輸出的實際能量。

 

由于各種因素的影響，電池的實際比能量遠小于理論比能量。實際比能量和理論比能量的關系可表示如下∶

 

W實 =W理·Kv·KR·Km

 

式中，Kv為電壓效率;KR 為反應效率;Km為質量效率。

 

電壓效率是指電池的工作電壓與電動勢的比值。電池放電時，由于電化學極化、濃差極化和歐姆壓降，工作電壓小于電動勢。反應效率表示活性物質的利用率。

 

電池的比能量是綜合性指標，它反映了電池的質量水平，也表明生產廠家的技術和管理水平。

 

⑥ 功率與比功率。電池的功率是指電池在一定放電制度下，于單位時間內所給出能量的大小，單位為 W（瓦）或 kW（千瓦）。單位質量電池所能給出的功率稱為比功率，單位為W/kg或 kW/kg。比功率也是電池重要的性能指標之一。一個電池比功率大，表示它可以承受大電流放電。

 

蓄電池的比能量和比功率性能是電池選型時的重要參數。因為電池要與用電的儀器、儀表、電動機等互相配套，為了滿足要求，首先要根據用電設備要求功率大小來選擇電池類型。當然，最終確定選用電池的類型還要考慮質量、體積，比能量、使用的溫度范圍和價格等因素。

 

⑦電池的使用壽命。在規(guī)定條件下，某電池的有效壽命期限稱為該電池的使用壽命。蓄電池發(fā)生內部短路或損壞而不能使用，以及容量達不到規(guī)范要求時蓄電池使用失效，這時電池的使用壽命終止。蓄電池的使用壽命包括使用期限和使用周期。使用期限是指蓄電池可供使用的時間，包括蓄電池的存放時間。使用周期是指蓄電池可供重復使用的次數。

 

（2）全釩液流電池。全釩液流電池是一種新型的儲能電池，其功率取決于電池單體的面積、電堆的層數和電堆的串并聯(lián)數，而儲能容量取決于電解液容積，兩者可獨立設計，比較靈活，適于大容量儲能，幾乎無自放電，循環(huán)壽命長。全釩液流電池目前成本非常昂貴，尤其是高功率應用。只有推進產業(yè)化，才能大幅度降低成本，另外還要提高全釩液流電池的轉換效率和穩(wěn)定性。

 

全釩液流電池將不同價態(tài)的釩離子溶液作為正負極的活性物質，分別儲存在各自的電解液儲罐中，通過外接泵將電解液泵入到電池堆體內，使其在不同的儲液罐和半電池的閉合回路中循環(huán)流動;采用離子膜作為電池組的隔膜，電解液平行流過電極表面并發(fā)生電化學反應，將電解液中的化學能轉化為電能，通過雙極板收集和傳導電流。在釩電池中，正極發(fā)生的是＋4 和＋5價釩離子的氧化還原反應，負極發(fā)生的是＋2和+3價釩離子的氧化還原反應。正負極電化學反應構成了全釩液流電池的基本原理，反應方程式如下;

 

 

全釩液流電池的標準電動勢為 1.26V，實際使用中，由于電解液濃度、電極性能、隔膜電導率等因素的影響，開路電壓可達到1.5～1.6V，其原理如圖 1-3所示，充電時藍色的VO2離子在正極電極表面被氧化為黃色的VO離子，同時放出電子，通過極板傳到外電路，綠色的V3+離子則從外電路得到電子，并且在負極電極表面被還原為紫色的V2+離子。正極溶液在充電前為電中性，充電后正極物質失去電子，整個體系帶正電荷;同樣，負極充電后整個體系帶負電荷。非電中性體系是不能穩(wěn)定存在的，因此負極溶液中的氫離子就通過陽離子交換膜遷移至正極，中和正負極溶液中的過剩電荷維持體系電中性，同時構成電池內部的離子電流。放電時，正負極溶液在電極表面發(fā)生逆反應，氫離子則由負極遷回正極。

 

全釩液流電池是目前發(fā)展勢頭強勁的優(yōu)秀綠色環(huán)保蓄電池之一;具有大功率、長壽命、可深度大電流密度充放電等明顯優(yōu)勢，已成為液流電池體系中主要的商用化發(fā)展方向之一。目前在發(fā)展中的主要趨勢是驗證在各種規(guī)模儲能系統(tǒng)中的應用可行性、經濟性，并進一步解決核心材料與電池生產的穩(wěn)定技術，包括保證電堆的穩(wěn)定性能與一致性，同時大幅度降低成本。世界各國已經建成了大量全釩液流電池實驗工程并取得良好的成果，從全釩液流電池的應用領域和經濟性來看，液流電池也有著廣闊美好的發(fā)展前景，其應用范圍如下。

 

① 風力發(fā)電。為了減少對電網的沖擊，大幅度提高風電場電力的使用率，同時賺取巨額的電網峰谷差價，風電場將需要配備功率相當于其功率 10%～50%的動態(tài)儲能蓄電池。對于風機離網發(fā)電，則需要更大比例的動態(tài)儲能蓄電池，釩電池有望取代現有的鉛酸電池，推動風電產業(yè)更好更快的發(fā)展。

 

②光伏發(fā)電。光伏發(fā)電需要太陽光，一旦到了晚上和陰雨天就發(fā)不了電，因而需要蓄電池為其儲存電力，釩電池將作為光伏發(fā)電儲能電池的首選。

 

③電網調峰。電網調峰的主要手段一直是抽水儲能電站，由于抽水儲能電站受地理條件限制，維護成本高，而釩電池儲能電站選址自由，維護成本低，可以預期，釩電池儲能電站將逐步取代抽水儲能電站，在電網調峰中發(fā)揮重要的作用。

 

④交通市政。隨著世界城市化進程的不斷加快和汽車保有量的持續(xù)增加，發(fā)展節(jié)能、環(huán)保的電動汽車替代傳統(tǒng)燃油汽車，已成為人們的共識。隨著釩電池技術的快速發(fā)展，可以預期，釩電池將在電動汽車（特別是城市公交客車）、交通信號、風光互補路燈等領域發(fā)揮重要作用。

 

⑤通訊基站。通訊基站和通訊機房需要蓄電池作為后備電源，且時間通常不能少于10h。對通訊運營商來講，安全、穩(wěn)定、可靠性和使用壽命是最重要的，在這一領域，釩電池有著鉛酸電池無法比擬的先天優(yōu)勢。

 

⑥ 分布電站。隨著分布電站的崛起，大型中心電站將逐步走向衰落，釩電池將首先在醫(yī)院、指揮控制中心、政府重要部門等分布電站中發(fā)揮重要作用。

 

由于還未實現產業(yè)化生產，液流儲能電池目前成本較高，是目前鉛酸電池的5～6倍。若要進入市場，需要大幅降低電池成本。但是如果與鉛酸電池相比，考慮到全釩液流電池的壽命遠長于鉛酸電池，使用成本就可能比鉛酸電池還低，其經濟性分析見表 1-2。

 

 

（3）鈉硫電池。鈉硫電池作為新型化學電源家族中的一個新成員出現后，已在世界上許多國家受到極大的重視和發(fā)展。鈉硫電池比能量高，效率高，幾乎無自放電，可高功率放電，也可深度放電，是適合功率型應用和能量型應用的電池。但是鈉硫儲能電池不能過充與過放，需要嚴格控制電池的充放電狀態(tài)。鈉硫電池中的陶瓷隔膜比較脆，在電池受外力沖擊或者機械應力時容易損壞，從而影響電池的壽命，容易發(fā)生安全事故。還存在環(huán)境影響與廢電池處置問題。

 

鈉硫電池在一些方面不同于一般的電池，它采用的是固體電解質和液態(tài)金屬負極材料。圖 1-4中右側所示的是鈉硫電池充放電過程中的電極反應過程。放電時熔融鈉陽極失電子變成鈉離子，鈉離子經固體電解質到達硫陰極形成多硫化鈉。電子經外電路到達陰極參與反應。充電時鈉離子重新經過電解質回到陽極，過程與放電時相反。放電深度不同，多硫化鈉的主要成分也不同。一般所說的鈉硫電池的理論容量 760W·h、kg一1，是由完全生成NagS3來計算的。

 

 

圖 1-4中左側所示的是以鈉為芯的柱狀鈉硫電池的內部結構剖面示意圖。1為固體電解質，現在一般采用β-氧化鋁，它是一種有著氧化鋁骨架層和鈉離子導電層交錯排列的晶格結構的陶瓷材料。固體電解質是電池最重要的部分，承擔著傳導鈉離子和隔膜的雙重作用。中間2部分是鈉陽極，在電池工作溫度（300～350℃）下，呈熔融態(tài)。3部分為鈉極集流體，引出后作為負極終端。外部的4部分為硫和多硫化鈉陰極材料。由于硫的導電性不好，因此一般加入碳氈增加電極材料的導電性。5部分為硫極集流體，也同時作為電池外殼。因為多硫化鈉有較強的腐蝕性，所以一般采用抗腐蝕的不銹鋼作為電池外殼。

 

（4）磷酸鐵鋰電池。對于鋰電池，目前可應用于電力用途的只有磷酸鐵鋰電池，所以，在此所涉及的鋰電池僅針對于磷酸鐵鋰電池。鋰離子電池單體輸出電壓高，工作溫度范圍寬，比能量高，效率高，自放電率低，被廣泛應用在電動汽車中。深度放電將直接降低電池的使用壽命，限制了鋰電池在充電源隨機性較大場合的應用。采用過充保護電路或均衡電路，可提高安全性和壽命。目前磷酸鐵鋰電池由于成本低、安全可靠和高倍率放電性能受到關注。

 

LiFePOq電池的內部結構如圖 1-5 所示。

 

 

左邊是橄欖石結構的LiFePO。作為電池的正極，由鋁箔與電池正極連接，中間是聚合物的隔膜，它把正極與負極隔開，但鋰離子Li可以通過，而電子e一不能通過，右邊是由磷（石墨）組成的電池負極，由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質，電池由金屬外殼密閉封裝。

 

LiFePO;電池在充電時，正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中，負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

 

通過上述介紹，LiFePO4電池可歸納下述特點∶

 

①高效率輸出。標準放電為2～5C、連續(xù)高電流放電可達10C，瞬間脈沖放電（10s）可達 20C;高溫時性能良好∶外部溫度 65℃時內部溫度則高達 95℃，電池放電結束時溫度可達 160℃，電池的結構安全、完好。即使電池內部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性最好;極好的循環(huán)壽命，經 500次循環(huán)，其放電容量仍大于 95%;過放電到零伏也無損壞;可快速充電;低成本;對環(huán)境無污染。

 

②安全性能的改善。磷酸鐵鋰晶體中的P—O鍵穩(wěn)固，難以分解，即便在高溫或過充時也不會像鉆酸鋰一樣結構崩塌發(fā)熱或是形成強氧化性物質，因此擁有良好的安全性。有報告指出，實際操作中針刺或短路實驗中發(fā)現有小部分樣品出現燃燒現象，但未出現一例爆炸事件，而過充實驗中使用大大超出自身放電電壓數倍的高電壓充電，發(fā)現依然有爆炸現象。

 

雖然如此，其過充安全性較之普通液態(tài)電解液鉆酸鋰電池，已大有改善。

 

③壽命的改善。長壽命鉛酸電池的循環(huán)壽命在300次左右，最高也就 500 次，而磷酸鐵鋰動力電池，循環(huán)壽命達到 2000 次以上，標準充電（5小時）使用，可達到 2000次。同質量的鉛酸電池是"新半年、舊半年、維護維護又半年"，最多也就1~～1.5年時間，而磷酸鐵鋰電池在同樣條件下使用，理論壽命將達到7~8年。綜合考慮，性能價格比理論上為鉛酸電池的4倍以上。可大電流 2C快速充放電，在專用充電器下，1.5C充電40min 內即可使電池充滿，啟動電流可達 2C，而鉛酸電池無此性能。

 

④ 高溫性能好。磷酸鐵鋰電熱峰值可達 350～500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只在 200℃左右。工作溫度范圍寬廣（一20～＋75℃），有耐高溫特性，磷酸鐵鋰電熱峰值可達350～500℃，而錳酸鋰和鈷酸鋰只在 200℃左右。

 

⑤大容量。具有比普通電池（鉛酸等）更大的容量，5～1000AH（單體）。

 

⑥ 無記憶效應。可充電池在經常處于充滿不放完的條件下工作，容量會迅速低于額定容量值，這種現象叫做記憶效應。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性∶而磷酸鐵鋰電池無此現象，電池無論處于什么狀態(tài)，可隨充隨用，無須先放完再充電。

 

⑦質量輕。同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池的體積是鉛酸電池體積的2/3，質量是鉛酸電池的1/3。

 

⑧環(huán)保。該電池一般被認為是不含任何重金屬與稀有金屬（鎳氫電池需要稀有金屬），無毒（SGS認證通過），無污染，符合歐洲 ROHS規(guī)定，為絕對的綠色環(huán)保電池。

 

磷酸鐵鋰電池也有其缺點，例如低溫性能差，正極材料振實密度小，等容量的磷酸鐵得電池的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池，因此在微型電池方面不具有優(yōu)勢。而用于動力電池時，磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣，需要面對電池一致性問題。