儲(chǔ)能技術(shù)-電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能電化學(xué)儲(chǔ)能概述鉛酸電池鋰離子電池液流電池鈉硫電池液流電池常用電化學(xué)儲(chǔ)能的對(duì)比電化學(xué)儲(chǔ)能特性分析總結(jié)與展望

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電化學(xué)儲(chǔ)能的概述電化學(xué)儲(chǔ)能的基本概念電化學(xué)儲(chǔ)能通過儲(chǔ)能電池完成能量?jī)?chǔ)存、釋放與管理過程。儲(chǔ)能電池在充電時(shí)將外部直流電源連在蓄電池上進(jìn)行充電，使電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能儲(chǔ)存起來，放電時(shí)再將儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能釋放出來去驅(qū)動(dòng)外部設(shè)備。電化學(xué)儲(chǔ)能的作用電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，應(yīng)用于發(fā)電、輸電、配電、送電等四個(gè)環(huán)節(jié)，主要作用有調(diào)峰調(diào)頻、削峰填谷、平滑新能源波動(dòng)等。2/462014-2021年中國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)容量及增速電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域及作用電池儲(chǔ)能技術(shù)存儲(chǔ)能量可以從數(shù)秒延伸至數(shù)小時(shí)，輸出功率在額定范圍內(nèi)可調(diào)，可以滿足電網(wǎng)對(duì)功率型儲(chǔ)能與能量型儲(chǔ)能的應(yīng)用需求。部分電池儲(chǔ)能技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，也有正在從示范走向商業(yè)化。

分類特征鉛蓄電池鎳氫電池NAS電池鋰離子電池體積?重量（能量密度）循環(huán)壽命溫度特性快速充放電4.1

電化學(xué)儲(chǔ)能的概述3/46部分儲(chǔ)能電池特征概述圖

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電化學(xué)儲(chǔ)能的概述電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)能量管理技術(shù)將能量管理技術(shù)按儲(chǔ)能設(shè)備類型可分為電化學(xué)儲(chǔ)能變流器系統(tǒng)（powerconversionsystem，PCS）、電池管理系統(tǒng)（batterymanagementsystem，BMS）和能量管理系統(tǒng)（energymanagementsystem，EMS）。1.PCSPCS由DC/AC雙向變流器、控制單元等構(gòu)成。PCS控制器通過通訊接收后臺(tái)控制指令，根據(jù)功率指令的符號(hào)及大小控制變流器對(duì)電池進(jìn)行充電或放電，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)有功功率及無功功率的調(diào)節(jié)。PCS控制器通過控制器局域網(wǎng)絡(luò)(ControllerAreaNetwork,CAN)接口與BMS通訊，獲取電池組狀態(tài)信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的保護(hù)性充放電，確保電池運(yùn)行安全。4/46儲(chǔ)能變流器實(shí)物圖

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電化學(xué)儲(chǔ)能的概述電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)能量管理技術(shù)2.BMS電池管理系統(tǒng)是一種對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)中的電池進(jìn)行管理的系統(tǒng)，通過分析電池內(nèi)部特性，將采集到的電池充放電數(shù)據(jù)上傳至能量管理系統(tǒng)和BMS內(nèi)部控制系統(tǒng)，進(jìn)而確定各電池做何動(dòng)作。電池管理系統(tǒng)能夠?qū)㈦姵貑误w和許多電池單體通過串并聯(lián)組成的電池組進(jìn)行分層管理，實(shí)現(xiàn)有效的告警、保護(hù)和均衡管理，使得各電池和電池組達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。5/46電池管理系統(tǒng)實(shí)物圖

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電化學(xué)儲(chǔ)能的概述電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)能量管理技術(shù)3.EMS能量管理系統(tǒng)是對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行管理的系統(tǒng)，對(duì)各儲(chǔ)能電站進(jìn)行協(xié)調(diào)調(diào)度,下發(fā)控制命令至子站儲(chǔ)能EMS執(zhí)行。儲(chǔ)能EMS子站響應(yīng)儲(chǔ)能統(tǒng)一調(diào)控主站調(diào)度命令并根據(jù)儲(chǔ)能設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)合理地分配到各電池簇中，實(shí)現(xiàn)電池模組和電池簇能量與信息管理的融合。能量管理系統(tǒng)主要用于數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、能量調(diào)度和數(shù)據(jù)分析。6/46儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理平臺(tái)

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電化學(xué)儲(chǔ)能的概述電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)電池?zé)峁芾砑夹g(shù)目前研究較多的電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)有風(fēng)冷、液冷這兩種方式。自然風(fēng)冷通過空氣本身與電池表面的溫度差產(chǎn)生熱對(duì)流，使得電池產(chǎn)生熱量被轉(zhuǎn)移到空氣中，實(shí)現(xiàn)電池模組及電池箱的散熱；強(qiáng)制風(fēng)冷需要額外安裝風(fēng)機(jī)、風(fēng)扇等外部電力輔助設(shè)備，使得外部空氣通過風(fēng)道進(jìn)入電池模組內(nèi)，循環(huán)流動(dòng)對(duì)電池進(jìn)行冷卻。液冷散熱方式利用液體流動(dòng)轉(zhuǎn)移電池工作產(chǎn)生的熱量，對(duì)電池組或電池箱進(jìn)行散熱。7/46風(fēng)冷通風(fēng)方式路線圖風(fēng)冷系統(tǒng)實(shí)物圖4.2鉛酸電池8/46鉛酸電池的特點(diǎn)蓄電池安全密封，在正常操作中，電解液不會(huì)從電池的端子或外殼中泄露出；特殊的吸液隔板將酸保持在內(nèi)，電池內(nèi)部沒有自由酸液，因此電池可放置在任意位置；電池內(nèi)壓超出正常水平后，密封鉛酸蓄電池放出多余氣體并重新密封，保證電池內(nèi)沒有多余氣體；由于獨(dú)一無二的氣體復(fù)合系統(tǒng)使產(chǎn)生的氣體轉(zhuǎn)化成水，故在使用過程中無需加水，維護(hù)較為簡(jiǎn)單；采用了有抗腐蝕結(jié)構(gòu)的鉛鈣合金欄板，電池可浮充使用10-15年，使用壽命長(zhǎng)；采用先進(jìn)的生產(chǎn)工藝和嚴(yán)格的質(zhì)量控制系統(tǒng)，電池的質(zhì)量穩(wěn)定，性能可靠。鉛酸電池組實(shí)體圖鉛酸電池單體實(shí)物圖電解液4.2鉛酸電池9/46

指標(biāo)名稱指標(biāo)(%)(g/L)硫酸含量

40~15480~180

1.3~1.1灼燒殘?jiān)俊?.020.24鐵含量≤0.000040.00048砷含量≤0.000030.00036氯含量≤0.00070.0084硝酸鹽含量≤0.00050.0060銅含量≤0.0020.024還原高錳酸鉀物質(zhì)(以O(shè)計(jì))≤0.00080.010≤0.00320.038外

觀

無色、透明

4.2鉛酸電池鉛酸電池工作方式鉛酸電池主要工作方式分別為充電放電制和定期浮充制。充電放電制是指鉛酸電池組充電過程與放電過程分別進(jìn)行的一種工作方式，即先用整流裝置給鉛酸電池組充滿電后，再由鉛酸電池的負(fù)載供電（放電），然后再充電、再放電的一種循環(huán)工作方式。充電放電制主要用于移動(dòng)型鉛酸電池組。定期浮充制就是整流設(shè)備與鉛酸電池組并聯(lián)并定期輪流向負(fù)載供電的一種工作方式。直流電源部分時(shí)間由鉛酸電池向負(fù)載供電；其他時(shí)間由整流設(shè)備直接向負(fù)載供電的同時(shí)，還要向鉛酸電池充電(浮充)，以補(bǔ)充鉛酸電池放電時(shí)所消耗的能量以及因局部放電所引起的容量損失。10/46

4.2鉛酸電池鉛酸電池的充電放電特性鉛酸蓄電池充電曲線如圖所示，其內(nèi)部反應(yīng)如下：(1)在電池充入電量至70%～80%之前，利用整流器的限流特性維持充電電流不變，此過程電池端電壓幾乎呈直線上升；(2)當(dāng)電流的端電壓上升至穩(wěn)壓點(diǎn)附近時(shí)，由于充電歷程已到中后期，所以電化學(xué)極化作用已經(jīng)變小，而電池內(nèi)阻也明顯減少，電池內(nèi)電流迅速衰減。(3)當(dāng)充電至后期，電池電流已明顯變小，所以濃差極化作用隨之減小。而電化學(xué)極化作用影響又增加，所以電池電流繼續(xù)衰減，只是衰減速度變慢。(4)充電末期，充入電池的電流大部分用于維持電池內(nèi)氧循環(huán)，僅極小的電流用于維持活性物質(zhì)的恢復(fù)，因而電池電流穩(wěn)定不變。11/46鉛酸電池充電曲線圖

4.2鉛酸電池鉛酸電池的充電放電特性不同放電率的鉛酸蓄電池放電曲線如圖所示，其內(nèi)部反應(yīng)如下：(1)在放電初期，端電壓U下降很快，這是因?yàn)樵诜烹姵跗?，電?dòng)勢(shì)E明顯減小，同時(shí)內(nèi)電阻r的明顯減小也使內(nèi)電阻電壓降Ir有較大減小，端電壓U也將快速減小。(2)在放電中期，由于活性物質(zhì)微孔內(nèi)的電解液逐漸擴(kuò)散，其濃度趨于平衡，使電動(dòng)勢(shì)E和內(nèi)電阻r的減小變得緩慢，也使端電壓U緩慢減小。(3)放電后期，端電壓的下降將變快，當(dāng)放電電壓下降到終了電壓(1.8V)時(shí)，蓄電池應(yīng)立即停止放電，這時(shí)，端電壓將很快恢復(fù)到2.0V左右，如果不立即停止放電，蓄電池的端電壓將急劇下降，同時(shí)對(duì)蓄電池的使用壽命也將產(chǎn)生不利影響。12/46鉛酸電池放電曲線圖技術(shù)演變——電極形態(tài)卷繞式鉛酸蓄電池是螺旋型結(jié)構(gòu)，采用壓延鉛合金的方式制造出了很薄的鉛箔作為極板基片，將正極板、隔板、負(fù)極板交替疊放卷繞在一起。雙極性電極—是一面有正極活性物質(zhì)而另一面有負(fù)極活性物質(zhì)的堅(jiān)實(shí)薄片極板（中間的集流體不能導(dǎo)通溶液）。相同容量的雙極性電池比傳統(tǒng)鉛酸電池節(jié)約鉛30%、重量降低20%4.2鉛酸電池13/46卷繞式鉛酸電池雙極性鉛酸蓄電池

4.2鉛酸電池鉛炭電池鉛炭電池將具有雙電層電容特性的炭材料（C）與海綿鉛（Pb）負(fù)極進(jìn)行合并制作成既有電容特性又有電池特性的鉛炭雙功能復(fù)合電極（簡(jiǎn)稱鉛炭電極），鉛炭復(fù)合電極再與PbO2正極匹配組裝成鉛炭電池。正極是二氧化鉛，負(fù)極是鉛-炭復(fù)合電極，其開路電壓和基本電池反應(yīng)同傳統(tǒng)鉛酸電池。鉛炭電池兼具鉛酸電池與超級(jí)電容的特點(diǎn)，大幅改善了傳統(tǒng)鉛酸電池各方面的性能，其技術(shù)特點(diǎn)如表所示：優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)(1)成本低廉、制造工藝簡(jiǎn)便(2)能量成本低(3)工作溫度范圍寬泛，低溫性能好于鋰電池?zé)o需單體BMS(1)比功率、比能量偏低充電速率低，滿充需要14-16小時(shí)(2)需防止不可逆硫酸鹽化(3)循環(huán)壽命短，重復(fù)深度充放減少電池壽命(4)回收困難，對(duì)環(huán)境有害14/46鉛炭電池結(jié)構(gòu)示意圖4.2鉛酸電池15/46鉛炭電池的核心是在負(fù)極引入活性炭，使電池兼具鉛酸電池和超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)，能夠顯著提高鉛酸電池的壽命，同時(shí)可有效抑制普通鉛蓄電池負(fù)極不可逆硫酸鹽化的問題，使其大電流充放電性能和循環(huán)壽命得到顯著提升。由于鉛炭電池在安全性、經(jīng)濟(jì)性和循環(huán)壽命等方面展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，使其在混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、可再生能源接入、削峰填谷、智能微電網(wǎng)和需求側(cè)管理等領(lǐng)域得到國(guó)內(nèi)外人士的廣泛關(guān)注。鉛炭電池組成方式示意圖

4.2鉛酸電池鉛酸電池的應(yīng)用場(chǎng)景盡管鉛酸電池比能量和比功率較低，相對(duì)于各類儲(chǔ)能電池，鉛酸電池以其技術(shù)最成熟、性價(jià)比高，仍然在儲(chǔ)能系統(tǒng)和工業(yè)備用電源中占據(jù)主導(dǎo)位置。目前不同類型鉛酸電池的應(yīng)用情況如表所示：鉛酸電池類型應(yīng)用密封鉛酸電池(SLA)小型UPS、應(yīng)急照明閥控密封鉛蓄電池(VRLA)電力儲(chǔ)能，通訊、銀行、醫(yī)院、機(jī)場(chǎng)的電力備用鉛炭電池混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)自行車、風(fēng)光發(fā)電儲(chǔ)能。鉛酸蓄電池由于材料廉價(jià)、工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、自放電低和免維護(hù)要求等特性，在未來幾十年里，依然會(huì)在市場(chǎng)中占主導(dǎo)地位，雖然起動(dòng)用、動(dòng)力用電池的市場(chǎng)空間可能會(huì)有拐點(diǎn)，在近期國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展中仍將占主流地位，中期也將占有一席之地，長(zhǎng)期來看，在不需要高重量比能量的用途領(lǐng)域還將繼續(xù)存在。16/46

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鋰離子電池鋰離子電池的原理鋰離子電池是以鋰離子為活性離子，充放電時(shí)集電器中的鋰離子經(jīng)過電解液在正負(fù)極之間脫嵌，將電能儲(chǔ)存在嵌入（或插入）鋰的化合物電極中的一種儲(chǔ)能技術(shù)，它主要依靠鋰離子在兩個(gè)電極之間往返游走來工作，是目前能量密度最高的實(shí)用二次電池。電池正極反應(yīng)如下：電池負(fù)極反應(yīng)如下：電池總反應(yīng)如下：17/46鋰離子電池工作原理示意圖鋰離子電池正極材料研究現(xiàn)狀：鋰離子電池的活性正極材料大多數(shù)是含鋰的過渡金屬化合物，而且以氧化物為主。按電極材料可劃分為鈷酸鋰、鎳酸鋰、錳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元鋰離子等。目前已用于鋰離子電池規(guī)模生產(chǎn)的正極材料為。材料名稱理論比容量(mAh/g)實(shí)際比容量(mAh/g)電位平臺(tái)（V）特點(diǎn)275130-1494性能穩(wěn)定，高比容量，放電平臺(tái)平穩(wěn)274170-1804高比容量，價(jià)格較低，熱穩(wěn)定性較差148100-1204低成本，高溫循環(huán)，存放性能較差4.3

鋰離子電池18/46

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鋰離子電池19/46鋰電池依據(jù)正極材料的不同可分為：鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、磷酸鐵鋰電池、三元鋰電池（鎳鈷錳酸鋰、鎳鈷鋁酸鋰）等。三元材料一般是指化學(xué)組成為L(zhǎng)iNiaXbCocO2的材料，其中X為Mn（錳）時(shí)指NCM（鎳鈷錳酸鋰），而X為Al（鋁）時(shí)指NCA（鎳鈷鋁酸鋰）。三元材料兼顧了鎳酸鋰的高容量、高電壓、錳酸鋰的高壓高安全性，鈷酸鋰的良好循環(huán)性，同時(shí)克服了錳酸鋰鎳酸鋰合成困難且不穩(wěn)定、鈷酸鋰成本高的缺點(diǎn)。充放電倍率高1~3C，工作溫度范圍寬-20~60℃，循環(huán)壽命長(zhǎng)。鋰離子電池生產(chǎn)工藝流程：4.3

鋰離子電池20/46整體上可將鋰電制造流程劃分為前段工序（極片制造）、中段工序（電芯合成）、后段工序（化成封裝）。前段工序的生產(chǎn)目標(biāo)是完成（正、負(fù)）極片的制造。中段工序的生產(chǎn)目標(biāo)是完成電芯的制造，不同類型鋰電池的中段工序技術(shù)路線、產(chǎn)線設(shè)備存在差異。后段工序的生產(chǎn)目標(biāo)是完成化成封裝。后段工序的意義在于將其激活，經(jīng)過檢測(cè)、分選、組裝，形成使用安全、性能穩(wěn)定的鋰電池成品。鋰離子電池工藝流程圖鋰離子電池類型：4.3

鋰離子電池21/461、圓柱形鋰離子電池4.3

鋰離子電池典型圓柱形電池的結(jié)構(gòu)包括：外殼、蓋帽、正極、負(fù)極、隔膜、電解液、PTC元件、墊圈、安全閥等。圓柱形鋰離子電池外殼為電池的負(fù)極，蓋帽為電池的正極，電池外殼采用鍍鎳鋼板。22/46圓柱形鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖圓柱形鋰離子電池2、方形鋰離子電池4.3

鋰離子電池典型方形鋰電池主要組成部件包括：頂蓋，殼體，正極板、負(fù)極板、隔膜組成的疊片或者卷繞，絕緣件，安全組件等。方形鋰離子電池電解質(zhì)為液態(tài)時(shí)，使用鋼殼；若使用聚合物電解質(zhì)，則可以使用鋁塑包裝材料。23/46方形鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖方形鋰離子電池3、紐扣鋰離子電池4.3

鋰離子電池紐扣電池也分為化學(xué)電池和物理電池兩大類，其化學(xué)電池應(yīng)用最為普遍。紐扣電池由陽(yáng)極(正極)、陰極(負(fù)極)及其電解液等組成。紐扣電池的外表為不銹鋼材料，并作為正極，其負(fù)極為不銹鋼的圓形蓋，正極與負(fù)極間有密封環(huán)絕緣，密封環(huán)除起絕緣作用外，還能阻止電解液泄漏。紐扣電池因體形較小，故在各種微型電子產(chǎn)品中得到了廣泛的應(yīng)用。24/46紐扣鋰離子電池紐扣鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖4、薄膜鋰離子電池4.3

鋰離子電池薄膜鋰離子電池?fù)碛休^當(dāng)前鋰離子二次電池更小的尺寸、更高的能量密度、更長(zhǎng)的循環(huán)壽命及更高的可靠性。薄膜鋰離子電池是鋰離子電池發(fā)展的最新領(lǐng)域，目前在低電流元件的應(yīng)用上備受青睞。25/46薄膜鋰離子電池薄膜鋰離子電池結(jié)構(gòu)示意圖

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鋰離子電池鋰離子電池的特點(diǎn)鋰離子電池也具備循環(huán)壽命長(zhǎng)、能效高、能量密度大和綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，隨著鋰離子電池制造成本的降低以及政策的推出落地，鋰離子電池將大規(guī)模裝機(jī)到電化學(xué)儲(chǔ)能領(lǐng)域，有望在儲(chǔ)能領(lǐng)域迎來大幅度增長(zhǎng)。但鋰離子電池也存在一些缺點(diǎn)，例如價(jià)格較貴和安全性較差等。優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)(1)高能量密度，高功率密度(2)能量轉(zhuǎn)換效率高，95%以上(3)長(zhǎng)循環(huán)壽命(4)可快充快放，充電倍率一般在0.5~3C(1)采用有機(jī)電解液，存在較大安全隱患(2)循環(huán)壽命和成本等指標(biāo)尚不能滿足電力系統(tǒng)儲(chǔ)能應(yīng)用的需求(3)不耐受過充和過放(4)使用循環(huán)中不可避免自然緩慢衰退(5)低溫下（?0℃）不易實(shí)現(xiàn)快充快放鋰離子電池優(yōu)劣勢(shì)如表所示：26/46

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鋰離子電池鋰離子電池的充放電特性充電過程：隨著鋰離子充電電流的增加，恒流時(shí)間逐步減少，恒流可充入容量和能量也逐步減少。在實(shí)際電池組應(yīng)用中，以鋰離子電池允許的最大充電電流充電，達(dá)到限壓后，再進(jìn)行恒壓充電，這樣在減少充電時(shí)間的基礎(chǔ)上，也保證了充電的安全性；應(yīng)綜合考慮充電時(shí)間和效率，選擇適中的充電電流，以減少內(nèi)阻能耗。放電過程：電池在初始階段端電壓快速下降，放電倍率越大，電壓下降的越快；隨后，電池電壓進(jìn)入一個(gè)緩慢變化的階段，這段時(shí)間稱為電池的平臺(tái)區(qū)，放電倍率越小，平臺(tái)區(qū)持續(xù)的時(shí)間越長(zhǎng)，平臺(tái)電壓越高，電壓下降越緩慢；在電池電量接近放完時(shí)，電池負(fù)載電壓開始急劇下降直至達(dá)到放電截止電壓。27/46鋰離子電池基本充電放電電壓曲線4.3

鋰離子電池鋰離子電池的應(yīng)用場(chǎng)景在鋰離子電池中，不同類型的電池可根據(jù)實(shí)際需求應(yīng)用在適宜的場(chǎng)合當(dāng)中，如表所示：鋰離子電池類型特點(diǎn)應(yīng)用磷酸鐵鋰（LFP）原料價(jià)格低且磷、鋰、鐵存在于地球的資源含量豐富，工作電壓適中、電容量大、高放電功率、可快速充電且循環(huán)壽命長(zhǎng)，在高溫與高熱環(huán)境下的穩(wěn)定性高。目前應(yīng)用的領(lǐng)域包括新能源汽車、儲(chǔ)能、5G基站、二輪車、重卡、電動(dòng)船舶等。鈷酸鋰（LCO）鈷酸鋰在高比能量方面表現(xiàn)出色，但LCO成本較高，難以應(yīng)用在耐受穿刺、沖撞和高溫、低溫等條件等特殊環(huán)境。主要用于制造手機(jī)和筆記本電腦及其它便攜式電子設(shè)備。錳酸鋰（LMO）錳酸鋰成本低、無污染，制備容易，最大的缺點(diǎn)是高溫容量衰減較為嚴(yán)重。適用于大功率低成本動(dòng)力電池，可用于電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能電站以及電動(dòng)工具等方面。鎳錳鈷酸鋰NMC（三元）高電壓正極材料鎳錳鈷酸鋰具有較高的比能量和比功率，一度被產(chǎn)業(yè)界認(rèn)為是最成功的鋰離子體系之一，但安全性還無法有更大突破。主要應(yīng)用于鋰離子電池正極材料。如動(dòng)力電池、圓柱電池等。鎳鈷鋁酸鋰NCA（三元）具有較高的比能量、比功率和長(zhǎng)的使用壽命與NMC有相似之處。缺點(diǎn)是安全性和成本。主要用于醫(yī)療設(shè)備，工業(yè)，電動(dòng)動(dòng)力汽車等。鈦酸鋰鈦酸鋰可快速充電，鈦酸鋰電池放電倍率搞，循環(huán)次數(shù)比普通鋰電池高，同時(shí)更安全，低溫放電特性優(yōu)異。主要用于不間斷電源、太陽(yáng)能路燈、電動(dòng)動(dòng)力汽車等。28/464.3

鋰離子電池鋰離子電池的能量轉(zhuǎn)換效率鋰離子電池充放電效率應(yīng)為評(píng)價(jià)周期內(nèi)，儲(chǔ)能單元總放電量與總充電量的比值，按下式計(jì)算：式中：

為儲(chǔ)能單元充放電能量效率，%；

為評(píng)價(jià)周期內(nèi)儲(chǔ)能單元總的放電量，單位為千瓦時(shí)（kW·h）；

為評(píng)價(jià)周期內(nèi)儲(chǔ)能單元總的充電量，單位為千瓦時(shí)（kW·h）。

29/46例4-1電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中鋰離子電池的儲(chǔ)能總放電量為2.6kw·h，總充電量為3.2kw·h，試問該電池的能量轉(zhuǎn)換效率為多少？解：鋰離子電池充放電轉(zhuǎn)換效率公式為：所以，

4.4液流電池液流電池的原理液流電池單體包括：正、負(fù)電極；薄膜、及其與電極圍成的電極室；電解液儲(chǔ)罐、泵和管道系統(tǒng)。液流電池的正極和負(fù)極電解液分別裝在兩個(gè)儲(chǔ)罐中，利用送液泵使電解液通過電池循環(huán)。在電堆內(nèi)部，正、負(fù)極電解液用離子交換膜（或離子隔膜）分隔開，電池外接負(fù)載和電源。液流電池技術(shù)通過反應(yīng)活性物質(zhì)的價(jià)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能相互轉(zhuǎn)換與能量存儲(chǔ)。在液流電池中，活性物質(zhì)儲(chǔ)存于電解液中，具有流動(dòng)性，電池功率與容量設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立，適合大規(guī)模蓄電儲(chǔ)能需求。30/46液流電池工作原理圖液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)物圖4.4液流電池31/46鐵鉻液流電池

正極電對(duì)：V(Ⅴ)/V(Ⅳ)負(fù)極電對(duì)：V(Ⅲ)/V(Ⅱ)

鐵鉻液流電池工作原理圖4.4液流電池32/46鋅溴液流電池鋅溴氧化還原液流電池是一種將能量?jī)?chǔ)存在溶液中的電化學(xué)系統(tǒng)。正負(fù)半電池由隔膜分開，兩側(cè)電解液為ZnBr2溶液。在動(dòng)力泵的作用下，電解液在儲(chǔ)液罐和電池構(gòu)成的閉合回路中進(jìn)行循環(huán)流動(dòng)。充電過程中，負(fù)極鋅以金屬形態(tài)沉積在電極表面，正極生成溴單質(zhì)；放電時(shí)在正負(fù)極上分別生成鋅離子和溴離子。

正極電對(duì)：V(Ⅴ)/V(Ⅳ)負(fù)極電對(duì)：V(Ⅲ)/V(Ⅱ)鋅溴液流電池工作原理圖4.4液流電池33/46液流儲(chǔ)能電池作容量調(diào)節(jié)范圍寬、充放電效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、響應(yīng)迅速和環(huán)境友好的儲(chǔ)能技術(shù)，有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的市場(chǎng)潛力。不同液流電池主要特點(diǎn)及應(yīng)用范圍如表所示：液流電池類型特點(diǎn)應(yīng)用全釩液流電池能量密度較低，成本過高。削峰填谷、需求響應(yīng)、延緩電力系統(tǒng)升級(jí)改造、偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、分布式發(fā)電、智能電網(wǎng)與微電網(wǎng)等場(chǎng)景。鋅溴液流電池能量密度高、材料成本較低且對(duì)環(huán)境友好。相對(duì)集中于工/商業(yè)用戶、偏遠(yuǎn)地區(qū)、軍方等用戶側(cè)場(chǎng)景。鐵鉻液流電池電池成本較低且無污染，制備較為容易?？稍偕茉窗l(fā)電平滑輸出、跟蹤計(jì)劃發(fā)電、需求響應(yīng)、延緩電力系統(tǒng)升級(jí)改造、偏遠(yuǎn)地區(qū)供電、分布式發(fā)電、智能電網(wǎng)與微電網(wǎng)等場(chǎng)景。液流電池實(shí)物圖

4.4液流電池液流電池的特點(diǎn)液流電池和通常以固體作電極的普通蓄電池不同，液流電池的活性物質(zhì)以液體形態(tài)儲(chǔ)存在于兩個(gè)分離的儲(chǔ)液罐中，由泵驅(qū)動(dòng)電解質(zhì)溶液在獨(dú)立存在的電池堆中反應(yīng)，電池堆與儲(chǔ)液罐分離，在常溫常壓運(yùn)行，因此安全性高，沒有潛在爆炸風(fēng)險(xiǎn)。液流電池特點(diǎn)如表所示：優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)(1)長(zhǎng)服役壽命：充放電循環(huán)次數(shù)＞10000次，日歷壽命可達(dá)20年。充放電無衰減，電解液通過再平衡可永久使用。(2)通用性：電池的輸出功率和容量由于彼此獨(dú)立設(shè)計(jì)，液流電池可以定制化設(shè)計(jì)，易于擴(kuò)容。(3)安全性高：液流電池電解液由不可燃材料組成，正常工作下電池起火可能性極低。(4)響應(yīng)速度快、自放電率低且對(duì)環(huán)境友好(1)系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜：液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)需要泵、傳感器、流量和電源管理，以及儲(chǔ)罐。(2)能量密度低：液流電池能量密度相比其他電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)較低。34/46

4.4液流電池液流電池的分類根據(jù)參與反應(yīng)的活性物質(zhì)的不同，液流電池可以分為全釩液流電池、鋅溴液流電池、多硫化鈉/溴液流電池、鋅/鎳液流電池、鐵/鉻液流電池、釩/多鹵化物液流電池、鋅/鈰液流電池和半液流電池。電池種類技術(shù)成熟度能量密度功率密度功率等級(jí)持續(xù)發(fā)電時(shí)間全釩液流電池示范15-40Wh/kg50-100W/kg0.03-10MW秒-小時(shí)鋅溴液流電池示范65Wh/kg200W/kg0.05-2MW秒-小時(shí)鐵鉻液流電池示范15-40Wh/kg50-100W/kg0.03-10MW秒-小時(shí)電池種類能量轉(zhuǎn)換效率自放電率循環(huán)次數(shù)服役年限響應(yīng)速度全釩液流電池75-85%低>15000次20年毫秒級(jí)鋅溴液流電池75-80%10%/月5000次10年毫秒級(jí)鐵鉻液流電池75-85%低>15000次20年毫秒級(jí)35/46

4.4

液流電池液流電池的能量轉(zhuǎn)換效率液流電池充放電效率應(yīng)為評(píng)價(jià)周期內(nèi)，儲(chǔ)能單元凈放電量與充電量加上充電過程輔助能耗之和的比值，按下式計(jì)算：式中：

為儲(chǔ)能單元充放電能量效率，%；

為評(píng)價(jià)周期內(nèi)儲(chǔ)能單元總的放電量，單位為千瓦時(shí)（kW·h）；

為評(píng)價(jià)周期內(nèi)液流電池儲(chǔ)能單元放電過程輔助設(shè)備的能耗，單位為千瓦時(shí)（kW·h）；

為評(píng)價(jià)周期內(nèi)儲(chǔ)能單元總的充電量，單位為千瓦時(shí)（kW·h）；

為評(píng)價(jià)周期內(nèi)液流電池儲(chǔ)能單元放電過程輔助設(shè)備的能耗，單位為千瓦時(shí)（kW·h）；

36/46例4-2電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)中液流電池的儲(chǔ)能總放電量為2.6kw·h，總充電量為3.2kw·h，儲(chǔ)能單元放電和充電過程輔助設(shè)備的能耗分別為0.2kw·h和0.15kw·h，試問該電池的能量轉(zhuǎn)換效率為多少？解：鋰離子電池充放電轉(zhuǎn)換效率公式為：所以，

4.5鈉硫電池鈉硫電池的原理鈉硫電池是高溫鈉系電池的一種，是以金屬納為負(fù)極、硫?yàn)檎龢O、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的熔融鹽二次電池。電池采用加熱系統(tǒng)把不導(dǎo)電的固態(tài)鹽類電解質(zhì)加熱熔融，使電解質(zhì)呈離子型導(dǎo)體而進(jìn)入工作狀態(tài)。鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生可逆反應(yīng)，形成能量的釋放和儲(chǔ)存。電池正極反應(yīng)如下：電池負(fù)極反應(yīng)如下：電池總反應(yīng)如下：37/46鈉硫電池結(jié)構(gòu)及工作原理圖鈉硫電池工作原理圖

4.5鈉硫電池鈉硫電池的特點(diǎn)能夠進(jìn)行大電流、高功率放電，充放電效率很高，僅能在300-350℃的溫度下工作，系統(tǒng)規(guī)模可根據(jù)應(yīng)用需求通過鈉硫電池模塊集成靈活擴(kuò)展，達(dá)到MW級(jí)別；此外還具有無放電污染、無振動(dòng)、低噪聲、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)。優(yōu)勢(shì)劣勢(shì)(1)比能量和比功率高：理論比能量為760Wh/kg，實(shí)際可達(dá)150~300Wh/kg；(2)低成本潛力：原材料和密封材料成本較低，無維護(hù)配置；(3)運(yùn)行狀態(tài)靈活：電池單體可在較寬條件下運(yùn)行（速率、放電深度、溫度）；(4)庫(kù)倫效率高：幾乎為100%；(5)不受環(huán)境影響：可在密閉，高溫情況下運(yùn)行。(1)運(yùn)行溫度在300℃以上；(2)金屬鈉的劇烈反應(yīng)特性：液態(tài)的鈉與硫在直接接觸或遇水會(huì)發(fā)生劇烈放熱反應(yīng)，給儲(chǔ)能系統(tǒng)帶來很大安全隱患；(3)結(jié)構(gòu)防滲透密封會(huì)增加額外的成本；(4)操作和維護(hù)要求比較嚴(yán)格。鈉硫電池的優(yōu)劣勢(shì)如表所示：38/46

4.5鈉硫電池鈉硫電池的應(yīng)用場(chǎng)景鈉離子電池體系中除了鈉硫電池，還有鈉基電池、鈉-氯化鎳（Zebra）電池和室溫鈉離子電池，其應(yīng)用情況如表所示。鈉基電池類型技術(shù)應(yīng)用高溫鈉硫電池自2002年起，日本NGK公司開始鈉硫電池的商業(yè)化開發(fā)，也是世界上唯一能制造出高性能鈉硫電池的廠商。最初公司采用50kW模塊（后因安全問題改成33kW模塊），可由多個(gè)模塊組成MW級(jí)大容量的電池組件，在日本、美國(guó)、加拿大、意大利已建有超過200多處鈉硫電池儲(chǔ)能電站，主要應(yīng)用于負(fù)荷調(diào)平、電網(wǎng)削峰填谷、大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)、改善電能質(zhì)量等領(lǐng)域。Zebra電池鈉-氯化鎳（Zebra）電池(以下稱Zebra電池)為一種零排放無污染的綠色電源，是在NaS電池研制基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。Zebra電池的主要研發(fā)企業(yè)為美國(guó)GE公司，2011年斥資建造了年產(chǎn)能1GWh的Zebra電池制造工廠，所生產(chǎn)的Durathon電池自2012年開始實(shí)現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。主要應(yīng)用于通訊基站、移動(dòng)設(shè)備的備用電源，大型靜態(tài)儲(chǔ)能電站。室溫鈉離子電池室溫鈉離子電池自2010年以來受到國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外有10余家企業(yè)（英國(guó)法拉第公司，美國(guó)NatronEnergy公司，法國(guó)TIAMAT公司，日本岸田、豐田、松下、三菱等公司，以及我國(guó)中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、遼寧星空等公司）正在進(jìn)行相關(guān)中試技術(shù)研發(fā)，并取得了重要進(jìn)展。目前用于低速電動(dòng)汽車以及部分低續(xù)航乘用車領(lǐng)域。39/46

4.6

常用電化學(xué)儲(chǔ)能的對(duì)比針對(duì)鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池、鈉硫電池儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用、自身特點(diǎn)等，總結(jié)歸納如下。鉛酸電池磷酸鐵鋰電池鈦酸鋰電池鎳鈷錳酸鋰鈉硫電池全釩液流電池容量規(guī)模百M(fèi)Wh百M(fèi)Wh百M(fèi)Wh百M(fèi)Wh功率規(guī)模幾十MW百M(fèi)W幾十MW幾十MW能量密度/Wh?kg-140-8080-17060-100120-300150-30012-40功率密度/W?kg-1150-5001500-2500>300030002250-100響應(yīng)時(shí)間msmsmsms循環(huán)次數(shù)500-30002000-10000>100001000-50004500>15000壽命5-8年10年15年>20年充放電效率70-90%>90%>90%>90%75%-90%75%-85%投資成本/元?kWh-1800-1300800-120045001200-2400~40002500-3900優(yōu)勢(shì)成本低，可回收含量高效率高、能量密度高、響應(yīng)快效率高、能量密度高、響應(yīng)快循環(huán)壽命高、安全性能好劣勢(shì)能量密度低、壽命短安全性較差、成本與鉛酸電池相比較高需要高溫條件，安全性較差能量密度低、效率低40/46年限儲(chǔ)能類型投資成本(元/kWh)2013年鋰離子電池4500~6000鉛酸電池1400~1500全釩液流電池3500~45002015年鋰離子電池2500~3000鉛酸電池800~1300全釩液流電池3500~39002017年鋰離子電池2000~2500鉛酸電池800~1000全釩液流電池2500~30002020年鋰離子電池1000~1500鉛酸電池500~600全釩液流電