各类储能技术特点.ppt

各类储能技术特点 发展趋势 5 铅蓄电池技术特点 铅蓄电池是指电极由铅及其氧化物制成 电解液是硫酸溶液的一种蓄电池 在充电状态下 铅蓄电池的正极主要成分为二氧化铅 放电状态下 负极主要成分均为硫酸铅 铅蓄电池是最早规模化实用的二次电池 从1895年法国科学家CastonPlante发明至今 已经有150多年的历史 铅蓄电池已经成为交通运输 通信 电力 国防 航海 航空等各领域不可或缺的成熟产品 但充电速度慢 能量密度低 循环寿命短 过充电容易析出气体 硫酸溢出会污染环境等各方面的问题 也使其并不适于应用在电动汽车 新能源发电等领域 近年来全球很多企业治理与开发出性能更加优异 能满足各种使用要求的改性铅蓄电池 主要包括超级电池 双极性电池 铅布水平电池 卷绕式电池 平面管式电池 箔式卷装电池等 本书主要针对超级电池和双极性电池做进一步探讨 超级电池是铅蓄电池和超级电容器的组合体 具有充放电速度 各类储能技术特点 发展趋势 5 铅蓄电池 各类储能技术特点 发展趋势 5 铅蓄电池快 功率密度高 电池寿命长等优点 主要应用于混合动力汽车 并网新能源发电和智能电网 该技术由澳大利亚CSIRO国家实验室和日本古和电池联合发明 此外 美国Axion公司也在开发类似产品 中国的浙江天能 浙江超威 浙江南都 武汉银泰 这将会同 吉林汇能等公司 也已经开始投入研发 双极性电池是一种用双极性极板制作的铅蓄电池 与普通铅蓄电池相比具有更高比能量 高功率性能 长寿命和适合高电压设计的优点 该领域尚处于起步阶段 目前只有少数长江可以生产样品 但均未大规模生产 美国Arias和BPC公司 瑞士爱立康公司技术领先 中国的几家传统铅蓄电池公司如南都 风帆 双登等也都在进行双极性电池的研发工作 各类储能技术特点 发展趋势 5 铅蓄电池 铅蓄电池的构造 各类储能技术特点 发展趋势 5 铅蓄电池发展趋势 经过多年研究 铅酸电池已经成熟应用于各种领域中 新型铅酸电池储能技术也在崛起中 水平铅酸蓄电池和超级铅酸电池是铅酸电池未来的主要发展趋势 水平铅酸蓄电池是一种采用水平点击的铅酸电池新技术 采用专利挤压工艺制成共轴玻纤覆铅线及双极电极结构 具备优异的性能 尤其在动力性能及抗震性能方面表现突出 作为动力电池完全满足需要 在通信电源 太阳能 风能蓄电池以及军事应用领域有很好的应用前景 目前 水平铅酸电池发展技术已经比较成熟 拥有自主专利的铅布板珊制造工艺 采用机械化的装配工序 率先实现了水平电池的规模化生产 美国HorizonBatteries LLC 美国MillenniumEnergyGroup 美国XtremePower公司 中国豪德千网水平电池有限公司 中国台湾德发实业股份有限公司等都投入了大量的人力 物力和财力 水平铅酸蓄电池部分产品已经实现商业化 目前 发展趋势是进一步提高电池比能量 延长电池深循环寿 各类储能技术特点 发展趋势 5 铅蓄电池命和更好地解决快速充电 以及自身放电较大的问题 超级铅酸电池将超级电容器和铅酸电池的优点集于一身 艰巨了好能量密度 高功率密度的优点 是一种新型的储能元件 超级铅酸电池采用泡沫碳板栅和铅炭电极 通过利用泡沫炭的高比表面积 结合了钽电容器的高比功率和长寿命优势 作为车辆的动力电源是当前铅酸电池技术层面的突破 与传统铅酸蓄电池相比 功率可提高20 50 寿命至少可延长2 3倍 克服了传统铅酸电池的缺陷 今后 超级铅酸电池的技术发展趋势为 适用于超级电池负极的碳材料研究与可开发 工作电压与铅酸电池一致 较低的析氢速率 高容量 放电初期能有效地分担电流 如何选择集流体 使其能更好的地发挥超级电池的大电流放电特性 并保证电池工作环境的稳定性 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池技术特点 锂离子电池是以含锂的化合物做正极 在充放电过程中 通过锂离子在电池正负极之间的往返脱出和嵌入实现充放电的一种二次电池 锂离子电池实际上是一种锂离子的浓差电池 当对电池进行充电时 电池正极材料上的锂离子脱出 经过电解液运动到负极表面 并嵌入负极材料中 放电时 嵌在负极材料中的锂离子脱出重新插入正极材料中 自从1991年日本索尼公司首次实现商品化至今 根据正极材料和电解质的不同 锂离子电池已经发展出包括估算锂电池 锰酸锂电池 磷酸铁锂电池 钛酸锂电池 三元材料锂电池 聚合物锂电池等在内的多种电池体系 锂离子电池由于能量密度高 寿命长 自放电小 无记忆效应等优点 已在数码便携产品中获得了广泛应用 并且正逐步进入新能源汽车 储能电站等应用领域 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池 钴酸锂正极材料结构 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池 锂离子电池充放电原理示意图 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池在各种锂离子电池中 钴酸锂电池产业化最成熟 产品的能量密度最高 已经广泛应用于手机 笔记本电脑等小型移动设备上 目前日本松下和索尼 韩国三星SDI和LG化学 中国比亚迪 力神和比克等多家企业 几控制了全球的钴酸锂电池行业 其中日本企业占据了高端市场 中国企业占据了低端市场 处于对安全的考虑 钴酸锂电池不适合大功率和大容量的应用 锰酸锂电池有低成本 高性能的优势 产品安全性较钴酸锂电池高 是热门的电动汽车电池备选技术 在全球的动力电池领域占据重要地位 日本企业在锰酸锂电池领域开发应用最早 技术最为领先 包括索尼 Sanyo 已和松下合并 和日产AESC公司等都在大力发展锰酸锂电池 韩国企业在此领域投入巨大 紧跟日本企业 三星SDI和LG化学已经具备相当实力 由于对生产工艺要求较高 中国大多数企业没有选择在此领域投入 目前国内只有国安盟固利等少数企业坚持反战该技术 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池3 磷酸铁锂电池具有长寿命 低成本以及高安全性等优势 是目前最热门的电动汽车电池技术之一 也是电力储能系统的热门候选技术之一 近年来 磷酸铁锂电池在中国获得了高度发展 无论是民间还是政府都对该技术给予厚望 代表型企业包括比亚迪 比克 力神等 但是 从产品性能上看 北美企业的产品目前仍然全球领先 标志性企业是美国A123公司 该公司的产品在低温性能 倍率性能 循环寿命等方面 都明显领先于其他企业的产品 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池 磷酸铁锂电池结构 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池 尖晶石型锰酸锂的结构在充放电上体现了优势 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池发展趋势 目前从技术路线上说 业界对锂离子电池比较常见的分类为钴酸锂电池 锰酸锂电池 磷酸铁锂电池 钛酸锂电池 其中钴酸锂电池产业化最成熟 已广泛应用于手机 笔记本电脑等小型移动设备上 锰酸锂电池以低成本 高性能的优势成为潜在的电动汽车电池 在日本有一定的成熟度 磷酸铁锂电池以长寿命 低成本以及高安全性等优势成为目前最热门的储能和电动汽车电池 尤其在中国 国内钛酸锂电池还没有克服工艺问题 世界上只有日本东芝成功开发此电池并应用在电动汽车上 对于钴酸锂电池而言 未来主要发展趋势将是改善材料结构稳定性 提高电池的安全性 根据目前研究结果 今后将主要采取用Mn Al Ni等其他元素取代部分钴元素 以减少钴的用量 提高材料的稳定性 并且降低成本 或者掺杂Mg Zr等其他元素稳定材料的晶体结构 改善材料的结构稳定性 各类储能技术特点 发展趋势 锂离子电池的常见外形构造 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池对于锰酸锂电池而言 其主要的技术发展趋势是研究如何解决电池容量衰减快的问题 未来 各厂商将从锰离子的溶解角度 研究如何避免材料结构转变为对称性低 无序性增强的四方结构 抑制电解液产生HF 改善锰酸锂电池容量衰减过快 材料不稳定的问题 表面修饰以有效地抑制锰的溶解和电解液的分解 掺杂以有效抑制充放电过程中John Teller效应 进一步提高材料的电化学性能 会成为今后对尖晶石型锰酸锂进行改性研究的方向之一 对于磷酸铁锂电池而言 其未来发展趋向于解决磷酸铁锂材料制备 充放电等方面的技术问题 磷酸铁锂材料制备困难 在高温合成过程中颗粒生长不易控制 颗粒均匀性较差 同时二价铁离子易被氧化成三价铁离子 产生Li3Fe2 PO4 3或者LiFe P2O7 杂质 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池需研究液相法制备和低温烧结技术 提过材料的一致性 磷酸铁锂电池充放电时极化较大 电池倍率性能较差 一般不能超过5C放电 未来希望通过纳米化 在一定程度上解决此问题 但纳米化工艺较为复杂 纳米磷酸铁锂将面临高成本的问题 锂离子电池负极材料的发展较为成熟 在商业应用中 石墨类碳材料技术较为成熟 近年来硬碳 钛酸锂 合金等其他材料也相继成为研究热门 石墨类碳材料在安全和循环寿命方面性能突出 并且廉价 无毒 无害 是最为常见的负极材料 硬碳材料由于存在首效低 压实密度低 工艺不成熟等问题 因此还没有进入大规模商品化阶段 国内相关领域仍处于试验阶段 实现产业化销售的企业不多 较为有名的是日本吴羽化学 钛酸锂是一种嵌入式化合 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池物 目前并未获得广泛的商业应用 但国内外企业以及研究机构对其的关注度很高 金属或非金属化合物可以解决负极材料容量低的问题 但会导致材料的机械稳定性下降 从而逐渐粉化失效 最终导致电池的循环性能差 目前改善合金负极材料性能 改善电化学循环稳定性是大家关注的重点 如利用纳米材料实现此目的 隔离膜技术门槛高 造孔的工程技术以及基体材料是其主要的技术难点 目前日美厂商占据了垄断地位 如日本旭化成 东燃化学 美国Celgard三个垄断巨头各自占据了全球市场份额的20 近年来 国产膜的质量逐渐提高 但与日美产品相比 质量差距还很大 多用于中低端锂离子电池市场 各类储能技术特点 发展趋势 5 锂离子电池生产锂电池电解液的主要原材料包括溶剂 添加剂和电解质 溶剂主要有碳酸丙烯酯 碳酸二甲醇等 电解质包括六氟磷酸锂 三氟甲基硫磺酸等 目前 溶剂和添加剂的技术工艺已经较为普及 产能充足且已基本实现国产化 而电解质技术相对复杂且对产品性能的影响最大 目前性能最好 使用量最多的电介质为六氟磷酸锂 六氟磷酸锂的技术研发水平 生产供应能力 价格水平等在很大程度上影响下游电解液乃至锂电池的技术发展水平和产量 但目前全球范围内具备自主规模化生产六氟磷酸锂的企业极少 全球具备六氟磷酸锂量产能力的供应商主要是日本的企业 韩国 中国也有少数企业具备小规模生产能力 各类储能技术特点 发展趋势 6 液流电池技术特点 液流电池是通过可溶电对在惰性电极上发生电化学反应而完成充放电的一类电池 一个典型的液流电池单体结构包括 正负电极 隔膜和电极围成的电极室 电解液罐 泵和管路系统 多个电池单体用双极板串接等方式组成电堆 电堆配入控制系统组成蓄电系统 液流电池存在很多的细分类型和具体体系 目前全球真正研究较为深入的液流电池体系只有四种 分别为全钒液流电池 锌溴液流电池 铁铬液流电池和多溴化钠 溴液流电池 病都有商业化示范运行的经验 各类储能技术特点 发展趋势 6 液流电池 各类储能技术特点 发展趋势 6 液流电池20世纪90年代起 日本 澳大利亚 美国等已经有了一些示范运行的钒电池项目 近两年来随着全球对储能技术的关注 钒电池在美国 中国等又陆续获得一些项目机会 锌溴液流电池的反应活性物质为溴化锌 充电时锌沉积在负极上 而在正极生成的溴会马上把电解液中的溴络合剂络合成油状物质 目前全球锌溴电池还处于产业化发展的初期阶段 研发主要集中与美国和澳大利亚 国内近些年也有企业开始从事这方面的开发 美国的ZBB和PremiumPower公司作为著名的锌溴电池厂商 已开发出具有不同规格的韩品 10 500KW 近期更是受到美国政府 能源部及电力研究院的关注 相信将会在美国不断向前发展 此外日本Meidensha公司 澳大利亚的Redflow公司 中国的大连融科等也在积极发展研发工作 各类储能技术特点 发展趋势 6 液流电池铁铬液流电池是以CrCl2和FeCl3的酸性水溶液 一般为盐酸溶液 为电池正负极电解液及电池电化学反应活性物质 采用离子交换膜为隔膜的一类电池 铁铬液流电池系统虽然具有电解液原材料价格便宜的特点 但由于其负极析氢严重 正极析氯难以管理 系统循环寿命短 因此 20世纪80年代虽然日本先后研发出1KW 10KW 60KW甚至MW级电堆 但九十年代后期研发工作基本停止 近几年 在美国有几家公司又开始进行铁铬电池的研究和产业化工作 包括Deeya和Ktech公司 各类储能技术特点 发展趋势 6 液流电池发展趋势 目前 技术较为成熟 应用较为广泛的液流电池是全钒液流电池和锌溴液流电池 综合来看 全钒液流电池还处于商业化发展的初期阶段 技术趋向于稳定 成熟 但是仍然需要解决一些技术层面的问题 在未来发展中 全钒液流电池需要不断研发新的电池材料 提高电池材料性能 解决电池正极中五价钒离子的强氧化活性 研究提高全钒液流电池系统温度适应性的方法 解决正极电解液对高温敏感 而负极电解液对低温敏感的技术局限 防止在充放电过程中发生水迁移而导致正负极电解液浓度 体积发生变化 减少导致电池性能衰减的因素 研发工业化大批量制造技术 使全钒液流电池能够最终实现产业化是未来发展的主要趋势 对于锌溴液流电池 其未来的发展趋势也集中在解决技术问题和产业化方面 从技术层面上看 锌形成沉积物时 具有生成枝晶的趋势 一旦形成 很容易造成单体电池短路 今后需要在电解液组成 电堆的设计及运行策略等多方面加以控制 溴不仅能够和络 各类储能技术特点 发展趋势 6 液流电池和剂形成络合物同电解质分离