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几类面向电网的储能电池介绍

 

摘要：储能技术在现代电力系统中的作用日益凸显，储能电池则是大规模储能技术的重要发展方 向。文中就目前比较成熟的储能电池体系，包括铅酸电池、锂离子电池、液流电池和钠硫电池的发 展历史、研发现状，以及不同电池体系应用到电网储能的优势和存在的问题进行了讨论。文中重点 介绍了钠离子电池和液态金属电池等2类新兴的电化学储能技术的研究现状、技术优势及现存挑 战等。通过比较，认为在进一步提高现有电池性能、降低储能价格的同时，亟需发展下一代能满足 大规模储能应用的电化学储能新体系。

 

关键词：电化学储能；钠离子电池；液态金属电池；雜酸电池；锂离子电池；液流电池；钠硫电池

0引言

 

电力能源以其清洁、便利等特点，已成为人类现 代生产和生活中不可或缺的重要部分。目前全球发 电能力约为20 TW，这一数值预计在本世纪中叶将 翻一番。现阶段全球电力能源仍以火电为主体（占 到了 68%,而中国更高达75%以上），核电和水电为 辅[1]。火力发电产生的废气给环境保护带来了巨大 压力。加上煤炭、石油等石化资源的不均衡分布和 有限储量，使得电力能源成本持续攀升，电力使用的 安全保障逐渐下降。

 

近年来，无论是为了应对能源危机，还是缓解日 益严峻的环境压力，世界各国都把目光投向进一步 开发和利用可再生能源发电。2006年全球风电装 机容量74. 3 GW，到2007年达到94 GW[2]，世界能 源理事会（World Energy Council)预计到2020年将 达到474 GW。光伏发电产业在全球范围内更是以 40%的速度逐年递增，其中美国预计在2020年将达 到100 GW[1]。然而，风电和光伏发电有着不稳定 和不连续的特点，将其并人现有电网达到一定的比 例时，这种不稳定因素可能会对局部电网造成很大 的冲击，甚至酿成大规模的恶性事故。日前，国家电 力监管委员会发布了《重点区域风电消纳监管报 告》，指出中国东北、华北、西北（简称“三北”）地区风 电发展成效显著，但部分省（区）风电消纳情况不佳，

收稿日期：2012-10-02；修回日期：2012-11-23。

 

中央高校基本科研业务费专项资金资助项目（2012QN038, 2012TS061)。

弃风情况比较严重，弃风率约16%。“三北”地区弃 风电量达12. 3 TW • h,折合火电标准煤耗3. 84X 106 t，折合C02减排量7. 6X10S t。因此，就目前而 言，风电和光伏发电人网问题一直是限制其快速发 展的瓶颈问题。

 

一般认为，大规模储能可以有效消纳可再生能 源发电，从而在很大程度上提高风电等人网效率。 同时，为实现电力的削峰填谷、改善电力供需矛盾、 提高发电设备利用率、发展智能电网，电力系统自身 也对大规模储能技术提出了迫切的需求[3]。因此， 研究和开发高效、廉价的大规模储能技术，成为电力 能源可持续发展的关键环节，也是国家未来能源战 略的重要组成部分。

 

1储能技术及其特性

 

大规模储能技术大致可分为机械储能（飞轮储 能、抽水蓄能和压缩空气储能）、电能直接存储(超级 电容和超导电磁储能）、化学储能（氢和其他化学物 质储能）和电化学储能（二次电池和液流电池）等 4类。各种不同储能方式的储能特性均不相同，表1 比较了几种储能技术的相关参数[4 5]。其中，电化学 储能具有能量密度高、响应时间快、维护成本低、灵 活方便等优点，成为目前大规模储能技术的发展 方向。

 

电化学储能即通过电化学反应完成电能和化学 能之间的相互转换，从而实现电能的存储和释放。 自从1836年丹尼尔电池问世以来，电池科学得到了 迅速的发展。室温电池如铅酸电池、镍镉电池、镍氢 电池、锂离子电池和液流电池，高温电池如钠硫电池

 

和ZEBRA电池等相继发展起来。目前铅酸电池和 锂离子电池等多类电池已实现了大规模产业化，特 别是高比能锂离子电池在电动汽车领域被认为具有 较好的发展前景。然而，从面向电网大规模储能的 角度来看，储能价格和电池寿命是电化学储能技术 的关键参数。一般认为，储能投资成本低于 250美元/(kW . h)、储能寿命达15年（循环4 000 周期以上）、储能效率高于80%的电化学储能体系

能满足大规模储能市场的要求[1]。然而，现有电化 学储能技术还不能在价格和性能上全面满足上述要 求。因此,在进一步提高现有电化学储能装置性能、 降低储能价格的基础上，发展下一代性能优异的电 化学储能新体系显得尤为重要。本文将重点介绍钠 离子电池和液态金属电池等2类在储能领域具有较 好应用前景的新型电池。

1铅酸电池

 

铅酸电池是指以铅及其氧化物为电极、硫酸溶 液为电解液的一种二次电池，发展至今已有150多 年历史，是最早规模化使用的二次电池。铅酸电池 的储能成本低（150600美元/(kW • h))，可靠性 好，效率较高（70%90%)，目前已经成为交通运 输、国防、通信、电力等各个部门最为成熟和应用最 为广泛的电源技术之一。但是铅酸电池的循环寿命 短（5001 000周期），能量密度低（30‰50(W • h)/kg)，使用温度范围窄，充电速度慢，过 充电容易放出气体，加之铅为重金属，对环境影响 大，使其后期的应用和发展受到了很大的限制〔6]。

 

近年来，全球很多企业致力于开发性能更加优 良、能满足各种使用要求的改性铅酸电池，其中值得 强调的是铅碳超电池（lead-carbon ultrabattery)。 铅碳超电池由澳大利亚联邦科学与工业研究组织 (CS1RO)发明[78],以常用的超级电容器碳电极材料 部分或全部取代铅阳极，是铅酸电池和超级电容器 的结合体,具有充放电速度较快、能量密度较高、使 用寿命较长等特点，可用于混合动力电动车、不间断 电源（UPS)供电系统等。对此，国内相关的研究机 构也相继开展了研究。由于铅酸电池相对成熟的电 池技术及较低的投资成本，使其成为早期大规模电 化学储能的主导技术。目前最大的铅酸电池储能电 站于1988年在美国加州建造，其装机功率/容量达 10 MW/40 MW • h，主要用于负荷调整。另外，在

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美国夏威夷、波多黎各和德国等地，都装有3‰崀　 MW的铅酸电池储能电站。但是铅酸电池的有 限循环寿命在很大程度上提高了其单周储能价格， 使其在实际储能价格上处于劣势，从而严重阻碍了 铅酸电池的大规模储能应用。

 

2.2锂离子电池

 

锂离子电池技术的发展始于Goodenough提出 的I丄Co()2等嵌锂材料，这种材料已沿用至今[91°]， 其电化学能量存储取决于锂离子在正负极电极材料 中的嵌人和脱嵌，如图1所示[11]。基于上述发现， 1991年Sony公司开始了锂离子电池的商业化进 程，其开路电压约为3.7 V(25 °C)，能域密度约为 150 Ah/kg，功率密度超过 200CW • h)/kg⑴]。

Table 1

表1不同储能技术参数比较 Parameters comparison of different energy storage technologies

储能成本

储能技术 成熟程度 容量/(MW • h) 功率/MW 效率/% 寿命/周期 功率成本/ (美元• kW D 能i：成本/  (美元•（kW • h)'1)

压缩空气储能 示范 250 50 70 89 >10 000 1 950 2 150 390430

改性铅酸电池 示范 3. 248 112 75 90 4 500 2 0004 600 6251 150

钠硫电池 商业化 7.2 1 75 4 500 3 2004 000 445.555

全钒液流电池 示范 440 110 65 70 >10 000 3 000 3 310 750830

锌溴液流电池 示范 550 110 60 65 >10 000 1 6702 015 3401 350

铁镉液流电池 实验 4 1 75 >10 000 1 200 1 600 300400

锂离子电池 示范 424 110 90 94 4 500 1 800 4 100 9001 700