（圖片來源：NREL）

 

為了充分降低費(fèi)用和對電網(wǎng)的依賴性，未來的節(jié)能建筑將逐漸轉(zhuǎn)向整體電表后端（behind-the-meter）儲能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。這類系統(tǒng)能夠整合電動(dòng)汽車充電、光伏發(fā)電和建筑需求，利用可控負(fù)載現(xiàn)場發(fā)電和儲能。

 

據(jù)外媒報(bào)道，作為美國能源部電表后端系統(tǒng)聯(lián)盟（BTMS Consortium）的一部分，國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的研究人員正在引領(lǐng)開發(fā)新型鋰離子電池設(shè)計(jì)，以滿足固定儲能的特定要求。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Yeyoung Ha表示：“大家都很熟悉鋰離子電池，但各類應(yīng)用對電池的要求不同。此次研究著眼于如何利用電動(dòng)汽車電池方面的研究進(jìn)展，發(fā)展固定儲能新應(yīng)用。 ”

 

相較于典型的電動(dòng)汽車，BTMS系統(tǒng)擁有不同的充放電模式。為了滿足這些獨(dú)特的要求，需要用到各類鋰離子電池材料。在鋰離子電池設(shè)計(jì)中，采用Li4Ti5O12（LTO）負(fù)極和LiMn2O4 （LMO）正極的設(shè)計(jì)，是很有前途的無稀缺材料（critical-material-free）候選電池，能夠提供BTMS系統(tǒng)所需的安全性和長使用壽命。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中的電芯，能量密度相對較低。在這項(xiàng)新研究中，NREL深入探討在固定儲能應(yīng)用中使用LTO/LMO電池電芯的前景和局限性。

 

該項(xiàng)目評估在不同電極負(fù)載下LTO/LMO電芯對溫度的依賴性。研究人員發(fā)現(xiàn)，在電池設(shè)計(jì)中使用較厚的電極，可以提高電芯性能和能量密度，同時(shí)從整體上降低電芯成本。但是，使用較厚的電極，離子需要通過的路徑更長，從而限制了電極的使用。調(diào)整溫度，可以緩解負(fù)面影響，但也可能出現(xiàn)別的問題。竅門在于設(shè)計(jì)一種能為固定應(yīng)用提供最佳平衡的電池。研究人員表示：“這項(xiàng)研究旨在找到一個(gè)‘最佳點(diǎn)’，以利用電極負(fù)載和溫度升高的優(yōu)勢，充分提升LTO/LMO電池電芯的性能。研究人員針對BTMS改良材料設(shè)計(jì)，將這種廣為人知的電力化學(xué)轉(zhuǎn)化為能源電芯。”

 

該團(tuán)隊(duì)通過電化學(xué)建模，模擬在不同溫度和電極厚度下發(fā)生的反應(yīng)，進(jìn)一步驗(yàn)證其研究結(jié)果。該模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果保持一致，強(qiáng)調(diào)輸送限制產(chǎn)生的影響，旨在找到提高電芯性能的策略。在放電過程中允許電池間歇休息，而不是像在電動(dòng)汽車中那樣完全放電，可以明顯提升電極利用率。研究人員發(fā)現(xiàn)，這種脈沖放電方式，非常適合BTMS固定應(yīng)用。這類應(yīng)用只在有間歇性需求時(shí)使用電池，然后就過渡到休息階段。

 

這些優(yōu)化后的LTO/LMO電池電芯具有諸多優(yōu)勢。但是，該團(tuán)隊(duì)還在探討能夠更好地滿足BTMS系統(tǒng)需求的正極選項(xiàng)。NREL將在材料開發(fā)方面的專業(yè)知識與該項(xiàng)目中使用的尖端電化學(xué)建模相結(jié)合，以簡化研究過程，深入了解新材料和固定儲能等領(lǐng)域的實(shí)驗(yàn)電池設(shè)計(jì)。