NREL开发新型锂离子电池设计 促进固定储能系统发展

为了到2050年实现净零碳排放的目标，人们比以往更加依赖电网。在电网出现波动时，固定储能系统能够随时随地提供来自可再生能源的电力，具有重要意义。

（图片来源：NREL）

为了充分降低费用和对电网的依赖性，未来的节能建筑将逐渐转向整体电表后端（behind-the-meter）储能系统设计。这类系统能够整合电动汽车充电、光伏发电和建筑需求，利用可控负载现场发电和储能。

据外媒报道，作为美国能源部电表后端系统联盟（BTMS Consortium）的一部分，国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员正在引领开发新型锂离子电池设计，以满足固定储能的特定要求。项目负责人Yeyoung Ha表示：“大家都很熟悉锂离子电池，但各类应用对电池的要求不同。此次研究着眼于如何利用电动汽车电池方面的研究进展，发展固定储能新应用。 ”

相较于典型的电动汽车，BTMS系统拥有不同的充放电模式。为了满足这些独特的要求，需要用到各类锂离子电池材料。在锂离子电池设计中，采用Li4Ti5O12（LTO）负极和LiMn2O4 （LMO）正极的设计，是很有前途的无稀缺材料（critical-material-free）候选电池，能够提供BTMS系统所需的安全性和长使用寿命。传统设计中的电芯，能量密度相对较低。在这项新研究中，NREL深入探讨在固定储能应用中使用LTO/LMO电池电芯的前景和局限性。

该项目评估在不同电极负载下LTO/LMO电芯对温度的依赖性。研究人员发现，在电池设计中使用较厚的电极，可以提高电芯性能和能量密度，同时从整体上降低电芯成本。但是，使用较厚的电极，离子需要通过的路径更长，从而限制了电极的使用。调整温度，可以缓解负面影响，但也可能出现别的问题。窍门在于设计一种能为固定应用提供最佳平衡的电池。研究人员表示：“这项研究旨在找到一个‘最佳点’，以利用电极负载和温度升高的优势，充分提升LTO/LMO电池电芯的性能。研究人员针对BTMS改良材料设计，将这种广为人知的电力化学转化为能源电芯。”

该团队通过电化学建模，模拟在不同温度和电极厚度下发生的反应，进一步验证其研究结果。该模型与实验结果保持一致，强调输送限制产生的影响，旨在找到提高电芯性能的策略。在放电过程中允许电池间歇休息，而不是像在电动汽车中那样完全放电，可以明显提升电极利用率。研究人员发现，这种脉冲放电方式，非常适合BTMS固定应用。这类应用只在有间歇性需求时使用电池，然后就过渡到休息阶段。

这些优化后的LTO/LMO电池电芯具有诸多优势。但是，该团队还在探讨能够更好地满足BTMS系统需求的正极选项。NREL将在材料开发方面的专业知识与该项目中使用的尖端电化学建模相结合，以简化研究过程，深入了解新材料和固定储能等领域的实验电池设计。

关键词： BTMS Consortium 锂离子电池设计 固定储能系统 LTO/LMO