电化学储能体系的特点及其未来发展的思考

1、电化学储能体系的特点及其未来发展的思考摘要：电化学储能的发展史，是一部材料科技的进步史，工艺的改进使其量变，新材料的改进使其质变。突破应用范围，提高能量密度，始终是电化学储能技术的不便追求，各类电化学储能电池在生产和研究中具有不同的创新和应用方向。当前主要的电化学储能电池有铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、超级电容器、锂离子电池。关键词：电化学储能 铅酸电池 氧化还原液流电池 钠硫电池 超级电容器 锂离子电池正文：电能是现代社会人类生活、生产中必不可缺的二次能源。随着社会经济的发展,，人们对电的需求越来越高。电力需求昼夜相差很大，但发电厂的建设规模必须与高峰用电相匹配，投资大利用率较低。另

2、一方面，随着化石能源的不断枯竭，人们对风能、水能、太阳能等可再生能源的开发和利用越来越广泛。为了满足人们生产及生活的用电需求，减少发电厂的建设规模，减少投资，提高效率，以及保证可再生能源系统的稳定供电，开发经济可行的储能(电)技术，使发电与用电相对独立极为重要。目前储能技术应用最为广泛的是电化学储能，电化学储能的发展史，是一部材料科技的进步史，工艺的改进使其量变，新材料的改进使其质变。突破应用范围，提高能量密度，始终是电化学储能技术的不便追求，各类电化学储能电池在生产和研究中具有不同的创新和应用方向。当前主要的电化学储能电池有铅酸电池、氧化还原液流电池、钠硫电池、超级电容器、锂离子电池。下面分

3、别介绍这几种储能电池的特点。铅酸电池：自从1859年法国人普兰特发明了铅酸电池，至今已有140多年的历史。在这一百多年来以来，人们对它进行不断的研究和改进，是铅酸电池得到了极大的发展，目前主流的是阀控式铅酸电池。铅酸电池由于材料来源广泛，价格低廉，性能优良，目前应用比较广泛。铅酸电池的优点：(1)价格低廉。主要原因是原材料容易得到而且价格便宜；技术成熟；产品一致性好；世界范围内均可实现大规模生产，这是铅酸电池得到官方应用的主要原因之一。(2)比功率高。铅酸电池电势高，大电流放电性能优良，可以满足车辆启动和加速的功率要求，因此可以减少大功率电子控制器件的使用，从而提高了车辆能量的利用效率。(3)

4、浮充寿命长。(4)使用安全。铅酸电池易于识别电池喝点状态，可在较宽的温度内使用，而且电性能稳定可靠。(5)再生率高。铅酸电池的缺点：(1)比能量低。原因是：电池的集流体、集流柱、电池槽和隔板等非活性部件增大了它的体积和重量，但活性物质的利用率却不高。(2)循环寿命较短。影响铅酸电池寿命的因素主要有：热失控、环境温度、俯冲电压、正极板栅的腐蚀、负极硫酸盐化、水损耗及超细玻璃纤维棉隔板弹性疲劳等。(3)自放电，过充电时有大量的气体产生。铅酸电池优良的性价比使得它在二次电池领域占有统治地位。虽然阀控式铅酸电池的技术已趋于成熟，但仍存在循环寿命短等问题，这些问题还有待与解决。而电池新技术的不断采用、应

5、用领域的不断开拓和深入、新型电车成本的降低和能量性能的提高，又使得铅酸电池面临着很大的挑战。铅酸电池只有在技术上不断改进和创新才不会被别的化学电源所代替。氧化还原液流电池：氧化还原液流电池（RFB）亦称再生燃料电池，是一种新型电化学储能装置，由电池堆、正负电解液储槽及其它辅助控制装置组成。平时它以充电方式将发电机的电能转化成液态燃料和液态氧化剂的化学能储存起来。需要时它以放电方式将液态燃料和液态氧化剂的化学能转化成电能。与常规电池相比，氧化还原液流电池具有下列特征。（1） 简单的工作原理和长使用寿命电池反应为液相反应,只有溶液中离子化合价的变化。与使用固体活性物质的电池相比不存在减少电池使用寿

6、命的的因数，如活性物质的损失、相变，电池使用寿命可达l520 年。（2） 灵活的安装布局，适于用作规模储能装置。电池的输出功率（电池堆）和容量（电解液储槽）可分隔开，因此可根据安装的位置变更两部分的布局。可根据功率和容量需要更改设计。例如：如果容量需要加倍而输出功率不变，只须将储槽尺寸加倍即可。（3） 无静置损失和快启动问题电池充电后荷电电解液分别储存在正负储槽中，长期停机期间不会发生自放电，也不需要辅助动力。而且，长期放置后只须起动泵，这样只须几分钟就可启动。（4） 安全可靠，易于维护电解液（含活性物质）从相应的储槽泵入各电池中，这样，每个单体电池的充电态是相同的，减少了如均衡充电这类特殊的

7、操作。而且，维护也方便，操作成本低。与氢氧燃料电池相比，因为电解液相对安全，保证极好的环境安全性。（5）电池充放电性能好，可深度放电而不损坏电池；电池的自放电低，在电池系统关闭模式下，储槽中的电解液无自放电。（6）电池部件多为廉价的碳材料、工程塑料，使用寿命长，材料来源丰富，加工技术较成熟，易于回收。在固定储能领域，成本和效率是第一重要的，氧化还原液流电池能量转化效率高，成本优势明显。氧化还原液流电池结构紧凑，寿命长，可快速充电，功率和容量相对独立容易安装，具有良好的发展前景。但还存在若干技术难点比如离子交换膜材料、电极及电解液方面，这还需要科技人员推动其发展。钠硫电池：钠硫（NaS）电池是一

8、种负极用钠、正极用硫磺、电解质用陶瓷氧化铝类材料组成的充电电池。 纵观NaS电池的理论、试验研究及应用分析，其有众多优势。（1）高比能量。比能量是指电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量。大功率NaS电池先进的结构设计使其理论比能量为，实际已达到，是锂电池的倍、镍电池的倍、铝酸电池的倍。（2）大电流、高功率放电。（3）无自放电现象，高充放电效率。NaS电池采用固体电解质，不会产生如采用液体电解质的二次电池所产生的自放电及副反应，故充放电效率几乎为。（4）充电时间短。大功率NaS电池一次充电时间约。（5）使用长寿命。大功率NaS电池连续充放电近万次，使用寿命可达之久。（6）体积小、结构紧凑、质

9、量轻。（7）无污染、可回收。在大功率NaS电池的制造过程中不会对环境造成污染，完全符合国家新能源标准，单质Na和元素本身对人体无毒性；且其废旧电池中的Na 和 回收率将近，回收后的能源可循环再利用，进一步降低了成本。（8）安全可靠。大功率NaS电池由外壳体中层壳体内胆的两层真空室构成，内胆中高温反应产生的氢气由内胆内的导管上的安全阀自动排出；用不锈钢等金属材料制成的电池外壳，结构非常坚固，并与陶瓷组件一起形成安全屏障，因此其密封性好。此外，NaS电池还具有无污染释放、无振动、无噪声等特点。NaS电池的不足（1）安全问题。NaS电池的运行要求是Na和都处于液态，且达到左右的高温。一旦陶瓷电介质破

10、损，高温的液态Na和就会直接接触并发生剧烈的放热反应。此外，NaS电池还不能过度充电，否则会发生危险。（2）材料腐蚀及隔膜问题。高温下，金属零部件在及硫化物介质中长时间工作会被腐蚀。（3）运行保温与制造耗能问题。由于NaS电池在才能启动，工作时还需要加热保温，故需要附加供热设备来维持温度。此外，煅烧生产陶瓷管的过程耗能较大。NaS电池具有容量大、体积小、使用寿命长、效率高、原材料广、制备成本低、不受场地限制、维护方便等诸多远胜于锂离子电池等其他二次电池的优点，完全可以取代锂电池等在民用、军用等领域发挥更大的作用，其具有广阔的应用前景。然而，发展NaS电池还应解决以下问题。（1）降低NaS电池的

11、启动、运行温度，找出能使NaS电池在常温或较低温度下启动并发生反应的新材料或添加元素，使得NaS电池的启动、运行安全性更高。（2）解决材料和隔膜腐蚀问题。探索新的隔膜材料或添加新材料，提高电池部件和介质的耐腐蚀性，延长NaS电池的使用寿命，提升其使用安全。（3）研究高效的废旧电池回收利用方法。探求能够真正百分之百回收利用废弃损坏的电池内Na和硫化物的方法，不仅可以进一步降低成本，而且可以减少对环境的污染。（4）开发高效的大规模NaS电池的充、放电智能监控系统。高效、智能的充、放电监控系统主要可解决电池个体充放电程度不一致问题，防止因过充、过放现象影响整体电池组的使用效率，从而延长电池的使用寿命

12、。超级电容器：超级电容器不同于常规的电容器, 它存储的能量可达静电电容器的100倍以上, 同时又具有比电池高出10 100倍的功率密度 。 与静电电容器相比， 其优点是能量密度非常高, 容量可达到数千法拉，但是它耐压较低, 受制于电解液的分解电压, 一般水系电解液的单体工作电压为0 V -1. 4 V, 且电解液腐蚀性强; 非水系可以高达4. 5 V, 实际使用的一般为3. 5 V, 漏电较大, 且容量随频率显著降低。 与电池相比, 超级电容器具有许多电池无法比拟的优点。（1）超高电容量( 0. 1-50 000 F). 比同体积钽、铝电解电容器电容量大2 000-50 000倍。（2）漏电流

13、极小, 具有电压记忆功能, 电压保持时间长。（3）功率密度高, 可作为功率辅助器, 供给大电流。（4）充放电效率高, 具有超长自身寿命和循环寿命, 即使几年不用仍可留原有的性能指标, 充放电次数大于10万次。（5）对过充放电有一定的承受能力, 短时过压不会产生严重影响, 能反复地稳定充电。（6）温度范围宽- 40 - + 70 , 一般电池是- 20 - + 60 。 且免维护, 环境友善。对于超级电容器, 今后要研究的方向和重点是:利用超级电容器的高比功率特性和快速放电特性, 进一步优化超级电容器在电力系统中的应用技术。此外, 在我国大力发展新能源这一政策指导下, 在光伏发电领域、风力发电领

14、域, 超级电容器以其快充快放等特点为改进和发展关键设备提供了有利条件。锂离子电池：离子电池通常具有1 000多次的循环寿命, 是镍镉、镍所谓锂离子电池是指分别用两个能可逆地嵌入和脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。电池在充电时, Li+ 从正极中脱出, 通过电解液和隔膜, 嵌入到负极中。反之, 电池放电时, Li+ 由负极中脱嵌, 通过电解液和隔膜, 重新嵌入到正极中。由于Li+ 在正负极中有相对固定的空间和位置, 因此电池充放电反应的可逆性很好, 从而保证了电池的长循环寿命和工作的安全性。锂离子电池具有以下特点: （1） 工作电压高。锂离子电池的电压一般在3-6 V, 是镍镉、镍氢电

15、池工作电压的3 倍。（2） 能量密度高。锂离子电池的能量密度应达到180Wh/kg, 是同等质量下镍镉电池的3倍, 镍氢电池的1-5倍。（3） 循环寿命长。锂氢电池的2倍。（4） 自放电率小。锂离子电池在首次充电的过程中会在碳负极上形成一层固体电解质钝化膜( SEI) , 它只允许离子通过而不允许电子通过, 因此可以较好地防止自放电, 使得贮存寿命增长, 容量衰减减小。（5）允许温度范围宽, 具有优良的高低温放电性能, 可在- 20 - + 60 之间工作。（6）无环境污染。锂离子电池中不含有铅、镉等有毒、有害物质, 是真正的绿色环保电池。（7）无记忆效应。记忆效应指电池用电未完时再充电时充电

16、量会下降, 而锂离子电池不存在镍镉、镍氢电池的记忆效应, 可随时充放电, 而不影响其容量和循环寿命。由于锂离子电池具有以上优良的性能, 因此它在便携式电子设备、电动汽车、空间技术、国防工业等多方面均展示了广阔的应用前景和潜在的巨大经济效益, 被称为21 世纪的理想电源。关于电化学储能未来的发展，我认为主要集中在大规模储能技术及应用上，因为大规模储能技术的发展和应用将可能对电力系统带来革命性的影响。当前我国能源的可持续发展对大规模储能技术需求较为迫切。一方面我国风、光资源富集区远离负荷中心，当地电网无法全部消纳，需大规模、远距离输送至负荷地，其输送功率大范围波动将会严重影响区域电网的安全稳定运行。另一方面，用电结构已经并将继续发生根本性的变化，电网峰谷差日益增大，我国峰谷比远高于国外水平。而我国以煤电为主的电力结构，长时间很难改变，其调峰能力无法与水电、气电相比。而新能源的发展更加剧了这一趋势，特别是多数风电富集地区煤电比例高，部分地区很大比例为调峰能力较差的供热机组，地方电网已不堪重负，已出现了低谷时段限制风电出力的情况，我国电网面临的调峰压力日趋严峻。我国新能源发展和电力结构的特征带来的对电网安全稳定运行的严峻挑战，凸显我国电力产业发展更迫切需要大规模储能技术的应用。在众多储能技术中，技术进步最快的是电化学储能技术，在安全性、能量转换效率和经济性等方面均取得重大突破，产业化应