Batería de almacenamiento de energía: definición, tipos y análisis técnico

Las tecnologías de almacenamiento de energía incluyen cuatro tipos principales:

● Almacenamiento físico de energía: 

Almacenamiento por bombeo, almacenamiento de energía por aire comprimido, almacenamiento de energía por volante de inercia, almacenamiento de energía por agua de mar, almacenamiento de energía por superconductores;

● Almacenamiento de energía química: 

Almacenamiento de hidrógeno y carbono;

● Almacenamiento electroquímico de energía: 

Almacenamiento de energía en baterías, almacenamiento de energía en supercondensadores;

● Almacenamiento en frío y en caliente

Entre todos los tipos de tecnologías de almacenamiento de energía, el almacenamiento de energía mediante baterías es la dirección tecnológica de almacenamiento de energía que más rápido está creciendo y más preocupa. En este artículo se presentan principalmente los tipos de baterías de almacenamiento de energía y el análisis técnico correspondiente.

Qué es un acumulador de energía

Las baterías se utilizan para almacenar electricidad. En términos de aplicación, son baterías de almacenamiento de energía. Por lo tanto, todas las baterías de litio son baterías de almacenamiento de energía. Sin embargo, para distinguir las aplicaciones, podemos dividir las baterías en:

● Baterías de consumo
● Batería
● Batería de almacenamiento de energía

Las aplicaciones de consumo se encuentran en teléfonos móviles, ordenadores portátiles, cámaras digitales y otros productos de consumo, mientras que las baterías de potencia, incluidas las de power wheels batería son en realidad un tipo de baterías de almacenamiento de energía, utilizadas principalmente en vehículos eléctricos.

Tipos de acumuladores de energía

Existen muchos parámetros característicos del rendimiento de las baterías de almacenamiento de energía, entre los cuales los más importantes son las características de potencia y las características de capacidad de la batería. Por lo tanto, las baterías de almacenamiento de energía se pueden dividir a grandes rasgos en tres tipos según los diferentes requisitos de la relación de capacidad de potencia de la batería en diferentes escenarios de aplicación de almacenamiento de energía:

● Tipo de capacidad (≤ 0,5C)
● Tipo de energía (≈ 1C)
● Tipo de alimentación (≥ 2C)

Cuanto mayor sea la relación, mayor será la densidad de potencia de la batería, pero menor será la densidad de capacidad y mayor el precio por unidad de capacidad. En la actualidad, entre todos los tipos de baterías de almacenamiento de energía, la batería de flujo líquido y la batería de pasta de litio son baterías de capacidad típicas, y la batería de titanato de litio en batería de iones de litio es una batería de potencia típica.

Otros tipos de baterías pueden ajustarse hasta cierto punto cambiando sus materiales y procesos para adaptarse a diferentes escenarios de aplicación de almacenamiento de energía.

Comparación entre batería de potencia y batería de almacenamiento de energía

Debido a la limitación de volumen y peso del vehículo y a los requisitos de arranque y aceleración, las baterías de potencia tienen unos requisitos de rendimiento superiores a los de las baterías de almacenamiento de energía ordinarias, como:

● Alta densidad energética
● Rápida velocidad de carga de la batería
● Gran corriente de descarga

Sin embargo, los requisitos para las baterías de almacenamiento de energía ordinarias no son tan elevados. Según la norma, las baterías de potencia con una capacidad inferior a 80% ya no pueden utilizarse en vehículos de nueva energía, pero con una pequeña modificación, también pueden emplearse en sistemas de almacenamiento de energía.

Desde el punto de vista de los escenarios de aplicación, las baterías de litio de potencia se utilizan principalmente en vehículos eléctricos, bicicletas eléctricas y otras herramientas eléctricas, mientras que las baterías de litio de almacenamiento de energía se utilizan principalmente en servicios auxiliares de potencia de reducción de picos y modulación de frecuencia, conexión a la red de energías renovables, microrredes y otros campos.

Análisis técnico del acumulador de energía

En el futuro, la batería de gran capacidad para el recorte de picos de potencia y el almacenamiento de energía y la batería de gran potencia para la modulación de la frecuencia de potencia y el almacenamiento de energía seguirán necesitando innovaciones y avances tecnológicos. El contenido técnico de la batería de almacenamiento de energía incluye principalmente seis aspectos:

● Tecnología de materiales
● Tecnología estructural
● Tecnología de fabricación
● Tecnología de aplicación
● Tecnología de reparación
● Tecnología de reciclado

Tecnología de materiales

Los materiales del núcleo de la batería como Batería 18650 incluyen materiales catódicos, materiales anódicos y materiales electrolíticos. Los materiales auxiliares también incluyen materiales de separador, colector y carcasa de batería.

En las tres últimas décadas, la investigación y el desarrollo de materiales para baterías de iones de litio se han centrado principalmente en la mejora de la densidad energética, la vida útil y la seguridad de los materiales, así como en el desarrollo de tecnologías de preparación de materiales de bajo coste.

Aunque el progreso de los materiales puede suponer una mejora significativa del rendimiento de las pilas, el proceso de innovación de materiales que puede tener efectos prácticos es en realidad muy lento. Por tanto, aunque los materiales de las pilas son fundamentales, no constituyen la totalidad de la investigación en tecnología de pilas.

Tecnología estructural

No todas las baterías pueden denominarse baterías de almacenamiento de energía. Aquellos con potencia del sistema por encima de 1KW puede ser llamado baterías de almacenamiento de energía; La potencia del sistema ≥ 1MW, y la batería utilizada para la estación de energía de almacenamiento de energía se llama batería de almacenamiento de energía eléctrica.

La tecnología de estructura de la batería de almacenamiento de energía incluye la tecnología de estructura interna de la célula de la batería y la tecnología de estructura del sistema externo. A diferencia de las baterías para pequeños productos electrónicos de consumo, las baterías de almacenamiento de energía tienen una estructura más compleja, con los requisitos de los sistemas en serie y en paralelo y las características de alta potencia y gran capacidad.

Las baterías de litio para almacenamiento de energía y potencia existentes se han desarrollado a partir de baterías de iones de litio pequeñas y micro, como las de los teléfonos móviles. Desde el punto de vista de la estructura interna, todos los tipos de baterías de litio utilizan una estructura de electrodos de película adhesiva, lo que conlleva problemas estructurales fundamentales para el diseño de un rendimiento coherente de las baterías de litio para el almacenamiento de energía.

Además, cuando se desguaza y recicla la batería, sólo se pueden triturar los electrodos de unión. La lámina de aluminio rota internamente, los materiales de lámina de cobre y los elementos de Co, Li tienen que reciclarse mediante metalurgia, lo que da lugar a elevados costes de recuperación y al riesgo de tratamiento contaminante del líquido residual ácido y alcalino.

Tecnología de fabricación

La tecnología de fabricación de baterías de almacenamiento de energía está estrechamente relacionada con el diseño de la estructura de las baterías. La característica serie-paralelo del sistema de baterías de almacenamiento de energía exige que las baterías tengan una buena consistencia, por lo que el control inteligente del proceso de producción es especialmente importante.

Cómo utilizar equipos y tecnología de bajo coste para fabricar baterías de almacenamiento de energía de alto rendimiento es una contradicción, y también una cuestión clave en el desarrollo de la tecnología de fabricación de baterías de almacenamiento de energía. El actual proceso de producción de la batería de iones de litio es una transición desde el pasado proceso de fabricación de cinta para cumplir con los requisitos de precisión de electrodo de recubrimiento de película de batería.

Además, la falta de estandarización de los modelos de productos de baterías ha provocado un bajo índice de utilización de materiales, un bajo índice de cualificación de productos, un bajo índice de funcionamiento de los equipos y un alto coste de fabricación en el proceso de producción de baterías.

Tecnología de aplicación

La tecnología de aplicación de la batería de almacenamiento de energía se refiere principalmente a:

● BMS

BMS (Battery Management System) es el enlace entre el cuerpo de la batería y el extremo de la aplicación. El objeto principal es la batería secundaria. El objetivo es mejorar la tasa de utilización de la batería y evitar que se sobrecargue y se descargue en exceso.

● PCS

El PCS (dispositivo de control de energía del sistema de almacenamiento de energía en batería) es un sistema que se acopla al pack de baterías de almacenamiento de energía, se conecta entre el pack de baterías y la red, y almacena la energía de la red en el pack de baterías o devuelve la energía del pack de baterías a la red.

● EMS

EMS (Energy Management System) es el término general del moderno sistema de automatización del despacho de la red eléctrica, que incluye ordenador, sistema operativo y sistema de apoyo EMS, adquisición y monitorización de datos, control y planificación automáticos de la generación y análisis de aplicaciones de red.

En la actualidad, muchos proyectos de demostración de almacenamiento de energía son ejecutados directamente por empresas de baterías de almacenamiento de energía y las empresas de la red, y la falta de normas de identificación de responsabilidades y de normas de tecnología de aplicación, lo que trae dificultades para el posterior funcionamiento y mantenimiento del sistema y la posible identificación de accidentes.

Tecnología de reparación

La tecnología de reparación de baterías de almacenamiento de energía incluye la tecnología de mantenimiento eléctrico y la tecnología de regeneración en línea del sistema de baterías. La tecnología de regeneración en línea es una nueva dirección tecnológica para las nuevas baterías de litio de almacenamiento de energía. La tecnología de mantenimiento eléctrico del sistema de baterías incluye:

● Reparación de la corrosión ambiental
● Detección del envejecimiento del aislamiento eléctrico
● Detección de conexiones eléctricas
● Mantenimiento de los sensores de temperatura y presión
● Tecnología de inspección de baterías

Teóricamente, además del desorden reticular en las partículas activas de la batería y la corrosión y desprendimiento del fluido colector, otros problemas de interfaz de la batería de litio de almacenamiento de energía pueden mantenerse mediante la regeneración en línea.

Después de que la batería se haya utilizado durante un periodo de tiempo, el rendimiento de la batería se puede reparar mediante la reparación in situ de la película SEI en la superficie de los materiales de los electrodos positivo y negativo, el suplemento y la sustitución del electrolito, etc., con el fin de ampliar el calendario real de vida útil de la batería de litio para el almacenamiento de energía.

Tecnología de reciclado

Cualquier pila tiene una vida útil. En la actualidad, el número total de pilas pequeñas de consumo utilizadas en China es de varios cientos de millones, y la mayoría de ellas son de pequeño tamaño, con un bajo valor de utilización de las pilas usadas. Además, su uso es disperso, y la mayoría se tratan como residuos domésticos, con potencial contaminante.

La batería de almacenamiento de energía desechada no puede arrojarse al medio ambiente como la pequeña batería de consumo, y debe reciclarse. Las tecnologías de reciclaje de las baterías de almacenamiento de energía incluyen:

● Tecnología de sustitución de pilas usadas
● Tecnología de transporte seguro
● Tecnología de reciclado
● Tecnología de reutilización de recursos

En la actualidad, la tecnología de recuperación y regeneración de baterías de plomo-ácido está relativamente madura, pero existe un riesgo de contaminación en el proceso de recuperación no estándar.

El proceso y la tecnología de reciclaje de la batería de litio aún no están maduros, por lo que es necesario combinarlos con la tecnología de materiales y la tecnología de estructuras para desarrollar una nueva tecnología de baterías de almacenamiento de energía que sea conveniente para el reciclaje y la regeneración, y realizar innovaciones y mejoras en el diseño del producto.

Resumen

Entre las seis tecnologías de las baterías de almacenamiento de energía, los materiales de las baterías son la base, y es muy importante centrarse en la investigación de nuevos materiales para baterías, mientras que los proyectos de ingeniería técnica deben centrarse en los avances en otras tecnologías no materiales.

Basándose en la experiencia de las centrales eléctricas de almacenamiento de energía comerciales y de demostración existentes, y en torno al objetivo general de bajo coste, larga vida útil, alta seguridad y fácil reciclaje, deben desarrollarse baterías de almacenamiento de energía de valle de pico de diversa capacidad.

La batería de almacenamiento de energía FM de tipo de potencia y la batería de almacenamiento de energía compuesta de tipo de energía cooperan con otros tipos de tecnologías de almacenamiento de energía para apoyar el rápido desarrollo de la industria de almacenamiento de energía.

"Energía renovable+almacenamiento de energía" es una opción inevitable para el desarrollo de nuevas energías, y la complejidad de los escenarios de aplicación del almacenamiento de energía determina la diversificada dirección de desarrollo de la tecnología de baterías de almacenamiento de energía.

En el futuro, la batería de gran capacidad para el ahorro de picos de potencia y el almacenamiento de energía y la batería de gran potencia para la modulación de la frecuencia de potencia y el almacenamiento de energía seguirán necesitando innovaciones y avances tecnológicos.