电化学储能技术分析

来源：SCI期刊网 分类：电子论文 时间：2022-04-13 09:35 热度：

　　摘 要：随着我国储能相关政策出台和落地，储能尤其是电化学储能发展迅速。目前，电力系统各个环节已大量运用储能技术，储能技术已受到各方重点关注。重点介绍了铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池等 4 种主要的大规模电化学储能技术和应用现状，比较了各种技术的优缺点。最后，对大规模电化学储能系统发展趋势进行了探讨和展望。

　　关键词：电化学储能;铅酸电池;锂离子电池;液流电池;钠硫电池

　　0 引言

　　储能是第三次科技革命的支柱之一，先进的大规模储能技术，对于我国未来能源结构的调整和智慧能源网的建设具有十分重要的意义。储能技术主要可分为机械储能 ( 压缩空气储能、抽水蓄能和飞轮储能 )、电磁储能 ( 超导电磁和超级电容储能 ) 和电化学储能等 3 类 [1] 。从当前技术水平看，储能功率达到 MW 级，储能时间达到小时级的大容量储能技术主要是抽水蓄能、压缩空气储能和电化学储能。电化学储能是通过电化学反应完成电能和化学能的相互转换，实现充放电能。电化学储能具有设备机动性好、响应快、能量密度高和循环效率高等优势，是目前各国储能产业研发创新的重点领域和主要增长点 [2-9] 。本文重点介绍了铅酸(铅炭)电池、锂离子电池、液流电池和钠硫电池 4 种电化学储能技术，比较了各种技术优缺点，说明了各自应用场景。

　　1 铅酸电池

　　铅酸电池是一种以铅及其氧化物为电极、硫酸溶液为电解液的二次电池。铅酸电池发展至今已有 150 年以上的历史，是最早规模化使用的电池。

　　铅酸电池的价格低廉 (150-600 美元 /(kW•h))，安全可靠性高，电能转换效率较高 (70%-85%)，现已成为运输、通信、电力等各个部门最成熟和最广泛使用的储能电池。但是，铅酸电池只有 800- 1000 个周期的循环使用寿命，能量密度也只有 30- 45(w•h)/kg，提高了储能的实际使用价格。此外，铅酸电池适合使用的温度范围小，充电慢，不可深度放电，过充电易产生气体，并且铅对环境影响大。

　　这些劣势阻碍了铅酸电池的大规模使用。

　　大量的研究投入到改进铅酸电池性能。铅碳电池技术最为成熟。铅碳电池以常规超级电容器碳电极材料部分或全部代替铅作为阳极，是铅酸电池和超级电容器的结合体。与传统的铅酸电池相比，铅碳电池的生产成本小幅增加，但充放电功率、循环使用次数、充电速度等关键指标都显著提高，可用于电动车、不间断电源等。铅炭电池目前已步入商业化初期。

　　2 锂离子电池

　　锂离子电池源于 Goodenough 提出的 LixCoO2 等嵌锂材料，这种材料使用至今。早期，锂离子电池的发展极大促进了移动电子设备的发展。然而，早期锂离子电池安全性差、成本高，使其很难在电网储能中大规模使用。

　　近来，锂离子电池的主要研究方向是发展安全、高效、成本低廉的正极材料代替 LixCoO2 体系。20 世纪末期，Padhi 等人研制了磷酸铁锂作为正极材料，减少了锂离子电池的原料成本，从而使锂离子电池可以大量生产。

　　目前，锂离子电池的负极材料大多使用石墨。石墨电极容量大、耐压高。然而，石墨电极快速充电时由枝晶引发的短路问题带来了巨大的安全隐患。因此，正在研制金属及其氧化物等高比能的石墨替代物 [10] 。

　　改进的锂离子电池应用广、能量密度高、充放电快，近年来其规模和技术发展迅速。在已建兆瓦级电化学储能项目中，锂离子电池项目约占总装机容量的 65%。张北风光储示范电站、深圳宝清储能电站等项目，都使用锂离子电池储能。

　　电动汽车的发展离不开动力电池，从而促进了锂离子电池产业的快速发展。目前已逐渐显现出锂离子电池的规模效应，同时储能成本大幅减少。此外，电动汽车动力锂离子电池梯次利用可以进一步提高经济性。对于电动汽车而言，电池容量下降至 80% 时须更换。然而，80% 锂离子电池仍然可以在电网中继续工作，美国、德国等国家已有电池梯次利用的案例。随着我国退役动力电池的迅速增长以及梯次利用水平的逐渐完善，锂离子电池利用效率会进一步提高，其相对成本会降低。

　　3 液流电池

　　液流电池储能原理是电解质 ( 可溶性电对 ) 在惰性电极上发生电化学反应。与其他电池不同的是，电解质分别置于 2 个不同的容器中，通过泵的驱动实现循环流动。由于这种结构特点，液流电池的功率和容量可根据需求分别独立调控。流动的电解质使电池响应极快。液流电池具有循环寿命长、功率容量可调、安全性高等好的性能，使其在短期内得到了快速发展，适合大规模储能应用。但是，电解液、电极板以及离子交换膜等关键材料的制约及实际储能价格偏高等问题仍然制约着其大规模生产。

　　目前应用较为成熟的液流电池技术主要有全钒液流电池、锌溴液流电池。全钒液流应用最为广泛。全钒液流电池循环次数可达 1 万次以上，电池功率和容量相互独立，并且容量可在线恢复。功率达到兆瓦级，容量达到兆瓦时级的全钒液流电池项目已投运。日本北岛安装于风电场中的 4 MW/6 MW•h 全钒液流电池是全球最大规模的。

　　全钒液流电池通过钒的价态的改变来传递电子，实现电能和化学能的转换。全钒液流电池重点研究的是电池的离子交换膜以及电极极板。离子交换膜的离子通过率、选择性以及寿命都是关键指标。常用的全氟磺酸膜 (nafion) 的寿命、价格以及自放电导致的电池容量流失制约了全钒液流电池的发展，需要研发新的取代膜。高性能电极极板材料需要有高比表面积、合理的孔洞、低电阻率以及较高的电化学活性。常用的电极材料是石墨烯和碳基材料。电极材料的化学处理、电化学处理以及金属掺杂也可提高其性能。

　　4 钠硫电池

　　钠硫电池由美国福特公司于 1967 年发明。钠硫电池具有高比功率和高比能量、循环寿命长、成本低、运行稳定、维护量少以及无自放电等特性。

　　钠硫电池以熔融态的钠和硫分别作为负极和正极，以 Beta -氧化铝陶瓷作为固态电解质，并作为正负极隔膜。钠硫电池需要在 300℃ -350℃的环境运行，具有一定的安全风险。

　　电极材料钠和硫的储量丰富，成本较低。电池能量密度约为 100-250(W•h)/kg，功率密度约 230W/kg，循环效率 80% 以上，使用寿命达 10 年以上。钠硫电池储能系统成本约为 2000-3000 元 /(kW•h)，接近于大规模生产的价格要求。

　　钠硫电池具有以下安全隐患：一是钠硫电池高温运行时若 Beta -氧化铝陶瓷破裂形成短路，将造成很大的安全事故;二是钠硫电池高温运行会带来严重的腐蚀问题。目前研究集中在通过改进钠硫电池结构来降低电池工作温度，从而解决上述问题。研发的全固态钠硫电池，工作温度可低至 90℃，甚至有室温下工作的电池。不过这些电池的性能还有待提高。

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　　目前，在全球范围内钠硫电池应用广泛，仅次于锂离子电池，已建成 200 余座储能电站。日本 NGK 公司是全球唯一具有大规模商业化生产钠硫电池能力的企业。国内钠硫电池研制起步较晚，短期难以产业化推广。

　　5 技术优缺点

　　铅酸电池对环境的影响及其有限的循环次数限制了其应用范围。铅炭电池有望替代目前的铅酸电池，拓展应用范围。与锂电池相比，铅炭电池成本较低，短期性价比优势明显。但是，铅炭电池大功率放电能力弱于锂离子电池。铅炭电池优缺点对比见表 3。

　　锂离子电池在储能技术的经济性方面有较强的竞争力。并且，锂电池几乎不需要维护。因此，锂离子电池目前在国内外储能系统中应用最广泛。锂离子电池优缺点对比见表 4。

　　相比锂离子电池，全钒液流电池容量大。然而，全钒液能量密度低，需占用较多的土地和建筑资源;能量转换效率较低，在 70% 左右;结构较为复杂，全钒液流电池需要泵进行流体控制，增加了运营的成本，运维相比其它电池更复杂 [12-14] 。目前，全钒液流电池供应渠道受限，产业化成本较高。全钒液流电池优缺点对比见表 5。

　　钠硫电池拥有高比容量、寿命长、转化效率高等特点，应用较广泛。然而，Beta -氧化铝陶瓷管的制备技术仅被极少数公司所掌握，并且其存在高温运行的安全隐患。因此，钠硫电池的应用受到限制 [15-22] 。

　　6 结论

　　电化学储能技术具有能量转换效率高、能量密度高以及应用成本低等优点，在全球范围内已有大量的工程项目投运，为解决电网消纳可再生能源问题，改善电力系统稳定性，提高电能质量提供了新的技术支持。因此，世界各国都在积极开展电化学储能的研究。电化学储能技术发展潜力巨大，具有重要的经济、社会价值，未来会极大推动智能电网的建设。

　　电化学储能技术种类很多，但目前还没有哪一种储能技术能满足所有应用需求。需要根据实际要求，研究不同类型电池间、电池与其他储能介质间的组合方式，使各种储能技术优势互补，从而提高实用性和经济性。因此，在电力系统中混合使用多种储能技术是未来的发展趋势。——论文作者：李辰

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