蓄电池储能类型及性能分析

2023-06-23 理论教育版权反馈

【摘要】：目前，能够用于大容量储能的蓄电池类型只有铅酸蓄电池。此外，铅酸蓄电池的放电深度不能低于其额定容量的80%，超过80%的放电深度会缩短电池的寿命。研究人员正在试图改进这种蓄电池的性能。尽管镍镉蓄电池具有良好的电气性能，但其市场份额并不大。尽管环境温度65℃时，电池的内部温度高达95℃，且放电结束时，电池温度可达160℃，但电池依然能安全运行、结构完好。

电化学的二次电池是能量的可逆转换器。它们可以将电能转化成化学能，也可将化学能转化成电能。能量主要以化学成分的形式进行存储。这些化学成分可以保存在转换器内部也可保存在转换器外部的容器中。

蓄电池储能系统有很多优点，可以提供旋转设备使用、区域频率控制和电压控制等。此外，由于尺寸小，还可靠近负载安装，降低了系统损耗。蓄电池储能系统的缺点主要是成本较高，使用寿命较短，每隔3～5年便需要更换一次。目前，能够用于大容量储能的蓄电池类型只有铅酸蓄电池。其典型效率由两部分组成，蓄电池效率大约为78%，电力调节系统效率大约为94%，整体效率大约为72%。

1.铅酸蓄电池

铅酸蓄电池的商业化应用已经有100多年的历史。迄今为止，它一直是应用最为广泛的电能储存系统。与其他可用的储能系统相比，这种类型的储能系统较为经济。铅酸蓄电池的主要缺点是比能量低，只有25～35W·h/kg。另外，能量密度小、尺寸和质量大，循环寿命短，平均充放电次数小于1000。此外，铅酸蓄电池的放电深度不能低于其额定容量的80%，超过80%的放电深度会缩短电池的寿命。研究人员正在试图改进这种蓄电池的性能。例如，采用糊状电解液代替原来的液状电解液制成所谓的胶质铅酸蓄电池。这种电池由于电解液不易泄露，因而对放置没有严格的要求。但这种蓄电池的寿命较短，并且成本较高。另外，科研人员还在研究一种新型的具有更高比能量的铅酸蓄电池，其设计理念主要是膜电极式或双极式蓄电池。采用双极式设计可以降低内部等效电阻，比能量可以达到50kW·h/kg。

2.镍镉蓄电池

镍镉蓄电池的商业化虽然比铅酸蓄电池要晚，但也已有几十年历史，其充放电次数和寿命令人满意。同时，对环境温度的要求不是太高，标准的镍镉电池甚至可以在-20℃下使用。这种蓄电池的最大缺点是含有对环境有害的重金属镉。市场上的镍镉电池种类繁多，其电解液多为氢氧化钾，主要差别在于所采用的技术和对气体处理的不同。由于在充、放电过程中只有水参与了电解液的反应，因而电解液的浓度和密度不会显著改变。

镍镉电池单元的电压通常为1.2V，能以较高的速度放电而不会导致其可用容量降低到其额定容量以下。即使放电速度达到5C5^[1]，高性能的镍镉蓄电池依然可以提供60%～80%的额定容量。而且，与铅酸蓄电池相比，这种电池的能量效率比较低，只有60%～70%。镍镉电池受温度的影响较小，即便如此，还是应避免在40℃以上的高温环境下使用，因为在高温下，电池的充电效率非常低，自放电速度上升很快。

镍镉电池单元的直流内阻很小，典型值只有几毫欧。正常工况下，镍镉电池可以达到2000次100%的深度充放电，寿命可达8～25年。尽管镍镉蓄电池具有良好的电气性能，但其市场份额并不大。主要原因是使用成本较高，相同容量的镍镉电池的价格大概是铅酸蓄电池的3倍。

3.锂离子电池和锂离子聚合物电池

锂离子电池和锂离子聚合物电池是近几年发展最快的蓄电池技术。目前，该类电池占据了便携式应用市场，且已扩展至电动汽车市场。尽管其还没被应用到电力系统，但这类电池的效率和充放电特性，非常适合于它们的应用。不幸的是，目前锂电池的价格还过于昂贵。

现代锂电池的额定电压为3.6V，其电解质为溶解了锂盐的有机溶剂。与镍镉或镍氢电池相比，锂电池在大电流下运行较难。因而难以大电流放电。目前，锂电池也没有达到镍镉或镍氢电池一样的寿命，锂电池的典型比能量为150～200W·h/kg，而比功率为200～400W/kg。锂电池需要恒流或恒压充电，其重复充电性能很好。它们不像铅酸蓄电池那样，需要每次充满电才能达到足够长的寿命。但是，对电压的限制非常严格，充电结束时电压限值为4.1V，不能超过50mV。同时，锂电池的放电电压也受到材料的严格限制。

目前，应用于动力系统储能的锂离子聚合物电池主要是出现于2002年的磷酸铁锂电池（LiFePO₄），磷酸铁锂电池的性能特别适用于电力方面的应用，也称磷酸铁锂动力电池。磷酸铁锂电池的结构如图6-5所示。其工作原理为：左边是橄榄石结构的LiFePO₄，经铝箔引出作为电池的正极；中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极正好隔开，锂离子Li+可以通过中间的聚合物隔膜而电子的不能；右边是由碳（石墨），经铜箔引出作为电池负极；电池的

图6-5 磷酸铁锂电池的结构

上下端之间充满着电解质，整个电池由金属外壳密闭封装。

LiFePO₄电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜反过来向正极迁移。锂离子电池就是因为锂离子在充放电时来回迁移而得名的。

LiFePO₄电池具有很多突出的优点：

1）高效率输出。标准放电为2～5C，连续高电流放电可达10C，瞬间脉冲放电（10s）可达20C。

2）高温时性能良好。尽管环境温度65℃时，电池的内部温度高达95℃，且放电结束时，电池温度可达160℃，但电池依然能安全运行、结构完好。

3）即使电池内部或外部受到伤害，电池也不易发生燃烧和爆炸。

4）具有极好的循环寿命，经500次循环后，其放电容量仍大于95%。

5）过放电到零伏也无损坏，且可快速充电。

6）低成本，并对环境无污染。

4.钠硫电池

钠硫电池最早由美国福特（Ford）公司于1967年发明，具有比能量高、可大电流、高功率放电等特点。随后，日本东京电力公司（TEPCO）和NGK公司也开展合作开发钠硫电池，其主要用途为电站的负载调平、作为UPS应急电源以及瞬间补偿电源等。2002年，该电池开始实行商品化应用。截止到2007年，日本年产钠硫电池容量已超过100MW，同时开始向海外输出。

钠硫电池是以Na-β-氧化铝为电解质和隔膜，并分别以熔融金属钠、熔融硫和多硫化钠作为电池负极和正极的活性物质而构成的二次电池。该电池最大的特点是：比能量高，是铅酸蓄电池的3～4倍；可大电流、高功率放电；充放电效率几乎高达100%。但钠硫电池的不足之处是其工作温度为300～350℃，需要一定的加热保温。另外，过充时，容易发生危险。

钠硫电池的阳极反应方程为

2Na-2e=2Na⁺ （6-5）

阴极反应方程为

xS+2e=S^2-_x （6-6）

总的反应方程为

2Na+xS=Na₂S_x （6-7）

正是因为钠硫电池采用的材料特殊，因而能连续充电将近两万次。也就是说，相当于近60年的使用寿命，且终生不用维修，不排放任何有害物质，也无二次污染公害，这是别的电池所无法比拟的。钠硫电池是靠电子转移而再生能量，所以其充电时间相当短暂，一次充电可运行10～11h，它经热反应后所产生的理论比能量为760W·h/kg，实际比能量已大于150W·h/kg。这大概是铅酸蓄电池的3～4倍、镍氢电池的2～3倍、锂电池的3倍。

钠硫电池的研发在国际上方兴未艾。国内也在这方面展开了一系列研究。2006年8月，上海硅酸盐研究所与上海市电力公司开展了大容量钠硫单体电池的合作研发。5个月后，650A·h的单体电池试制成功。自此，我国成为继日本之后世界上第二个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家。2007年8月，双方共建了“上海钠硫电池研制基地”，不久便攻克了钠硫电池的制备关键技术，成功研制了170余套具有自主知识产权的生产与性能评价装备，贯通了年产2MW的钠硫储能电池中试线，实现了10kW储能系统的成功演示，并在上海世博园进行了示范运行。

5.全钒液流电池

全钒液流电池（Vanadium Redox Flow Battery，VRB）是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。早在20世纪60年代，就有铁—铬体系的氧化还原电池问世，但是钒系的氧化还原电池是在1985年由澳大利亚新南威尔士大学的Marria Kacos提出，经过二十多年的研发，钒电池技术已经趋近成熟。在日本，用于电站调峰和风力储能的钒电池发展迅速，大功率的钒电池储能系统已投入实用，并正全力推进其商业化进程。

钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。正极电解液由V⁵⁺和V⁴⁺离子溶液组成，负极电解液由V³⁺和V²⁺离子溶液组成，电池充电后，正极物质为V⁵⁺离子溶液，负极物质为V²⁺离子溶液，电池放电后，正、负极分别为V⁴⁺和V³⁺离子溶液，电池内部通过H⁺导电。V⁵⁺和V⁴⁺离子在酸性溶液中分别以VO⁺₂离子和VO²⁺离子形式存在，因而钒电池的正、负极反应可表述为

正极反应：

VO⁺₂+2H⁺+e=VO²⁺+H₂O （6-8）

负极反应：

V²⁺-e=V³⁺ （6-9）

钒电池的优点是功率容量大，能量效率高，循环寿命长，可深度放电，可瞬间充电，响应速度快，生产成本低，环保无污染，安全可靠性高，选址自由度大。

高效大规模储能电池是新能源产业革命的核心。钒电池（VRB）是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的高效可逆燃料电池，具有功率大、容量大、效率高、成本低、寿命长、绿色环保等一系列独特优点，在光伏发电、风力发电、电网调峰、分布电站、通信基站、UPS或EPS、电动公交、军用蓄电等广阔领域有着极其良好的应用前景，在美国、加拿大、欧洲、日本、澳大利亚已开始商业化应用。随着钒电池技术的迅猛发展，钒电池必将为人类带来一场前所未有、意义重大深远的新能源产业革命。

北京金能燃料电池有限公司GEFC-50V50A-VRB钒电池堆如图6-6所示。各类型电池参数见表6-1。

图6-6 GEFC-50V50A-VRB钒电池堆

表6-1 各类型电池参数

蓄电池储能类型及性能分析

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