基于能源互聯(lián)網背景的儲能二次電池技術發(fā)展分析

1、基于能源互聯(lián)網背景的儲能二次電池技術發(fā)展分析鄭春滿，李宇杰，劉勇，謝凱，盤毅(國防科學技術大學航天科學與工程學院，湖南長沙410073)摘?！磕茉椿ヂ?lián)網是在現(xiàn)有配電網基礎上，融合新能源技術和互聯(lián)網技術，將分布式能源采渠裝罝和分布式 能源儲存裝貿取合發(fā)展起來的新技術，對于優(yōu)化能源結構和提髙能源利用具有重要的意義。文章以能源互取網對ft者能 電池的需求為背景，首先歸納了能源互聯(lián)網對于儲能電池的要求，在此基礎上重點分析了多祌可應用于能源互聯(lián)網 的櫧能電池的性能與特點，并對其未來發(fā)展趨勢進行了展望，關鍵同】能源互聯(lián)網：二次電池：分布式能源；機理中閣分類號】tk()2文獻標識碼a文章編號1671-454

2、7(2()14)03-0014-()6dollo.l 3943/j.issnl671 -4547.2014.03.04一、引言美國著名經濟學家杰里米里夫金在！第三次 工業(yè)革命屮提出能源互聯(lián)網的概念。2008年，美 國在北卡州立大學建立研宄中心，希望將電力電 子技術和信息技術引入電力系統(tǒng)，在未來配電網 層而實現(xiàn)能源互聯(lián)網理念i并提山了能源路由器 的概念.同年，徳國提出了 e-energy理念和能源 互聯(lián)網計劃.近年來，能源互聯(lián)網逐漸成為智能電 網的發(fā)展方向'能源互聯(lián)咧是一種在現(xiàn)有配電網基礎上，通 過先進的電力電子技術、信息技術和智能管理技 術，將大量由分布式能量采集裝置、分布式能量儲 存

3、裝置和各類負載構成的新型電力網絡節(jié)點互聯(lián) 起來，實現(xiàn)能tt雙句流動的能tt對等交換與共享 網絡11氣如圖1所示的以可再生能源發(fā)電為基礎 構建的能源互聯(lián)網基本結構，通過智能能雖管理 系統(tǒng)實現(xiàn)實時、商速、雙向的電力數(shù)據(jù)讀取和可再 生能源的接入.能源互聯(lián)網是一個能量與信息深度融合的復 雜系統(tǒng)，w臨著一系列的科學問題和技術挑戰(zhàn)，其 屮，先進儲能技術是必須解決的關鍵技術之一。儲£析何澀明澀"繼陽醐購圖1能源互聯(lián)m基本結構及儲能技術關鍵作用能裝置有三個方面的作用：一是改善電能質量，維 持系統(tǒng)穩(wěn)定：二是在分布式發(fā)電裝置不能正常工 作時向用戶提供電力；三是提高分布式發(fā)電單元 擁有者的經濟效

4、益，收稿h期】2014-05-09作者簡介】鄭存滿，男，副教授，碩士生導師,博士,國防科學技術大學航天科學與工程學院。儲能是指將能源以不同的形式存儲起來，需 要時再將其釋放出去的一種過程£隨著技術的發(fā) 展，儲能技術主要包括以抽水儲能、壓縮空氣儲能 等為代表的物理儲能，以鉛酸電池、鋰電池、釩屯 池、鈉硫電池、燃料電池等為代表的電化學儲能， 以超導儲能、飛輪儲能及超級電界等為代表的新 型儲能以及相變儲能等四類。其屮，隨著技術發(fā)展 和新型電池研制成功，儲能二次電池在諸多領域 受到越來越多的關注|41。本文首先歸納了能源互聯(lián)網對于儲能電池的 要求，在此基礎上重點分析了多種可應用于能源 互聯(lián)網

5、的儲能電池，如鉛酸電池*鋰離子二次電 池、鈉硫電池、鋰硫電池和液流電池等，對比分析 了各類儲能電池的性能特點，并對其未來發(fā)展趨 勢進行了展望 較長的使用壽命(如3-5年)才具有實用價值，(2) 髙能量密度，雖然能源互聯(lián)網的儲能系統(tǒng)不需要 具冇機動性，但耍求電源的體積和重s越小越好。 (3)髙功率密度，儲能電池需耍具有較髙的功率密 度，以保證系統(tǒng)能夠應付突發(fā)狀況，(4)低成木|成 本足能源互聯(lián)網儲能電池必須考慮的重要因素| 關系到其應用的推廣。三、基丁能源互聯(lián)網的儲能電池體系二、能源互聯(lián)網對于儲能電池的需求在能源互聯(lián)網系統(tǒng)屮，新能源如風能和太陽 能是重耍組成部分，但無論是風能還是太陽能*都 存在

6、受然環(huán)境約朿的問題，如太陽能只能在白 天提供電源，而風能則存在不穩(wěn)定的缺點*很難直 接應用于電網中，因此均需要引入儲能環(huán)節(jié)=儲能 環(huán)節(jié)不僅可以有效實現(xiàn)需求管理消除晝夜間峰 谷差平滑負荷，而且可以有效地利用電力設備 降低供電成木，也可作為提高系統(tǒng)運行穩(wěn)定性、調 整頻率、補償負荷波動的一種手段。就鬥前發(fā)展和應用現(xiàn)狀，不同儲能形式具有 不同的特點和優(yōu)勢，能源互聯(lián)網系統(tǒng)的復雜性使 得單一儲能技術往往難以滿足所有要求。沒有一 種儲能形式同時:n備大容景存儲、快速充放、可靠 性高、成本低等大規(guī)模成用條件在實際應用中必 須結合經濟性和技術性兩方面權衡考慮。各種儲 能技術的發(fā)展程度，系統(tǒng)規(guī)模及應用環(huán)節(jié)比較如

7、閣2所示151 用電環(huán)節(jié)配電環(huán)節(jié) 輸電環(huán)節(jié) 發(fā)電環(huán)節(jié)抽水能5化學屯池 沿酸、煤w) $ 飛輪鋮能!sas電池樂縮寧氣鉆能i超紱電容&滾洗電池根據(jù)上述需求分析，可用丁能源互聯(lián)網的儲 能電池種類有很多，如鉛酸電池(lead-acid bat- tery) 銀氫電池(nickel metal hydride battery)、銀 鎘電池(nickel cadmium battery)、鋰離子電池 (lithium-ion battery)、鋰硫電池(lithium sulphur battery)、鈉硫電池(sodium sulphur battery)、液流 電池(redox flow b

8、attery :l等。下面就能源互聯(lián)網儲 能用二次電池體系的發(fā)展現(xiàn)狀、存在問題及發(fā)展 趨勢進行分析(一)鉛酸電池鉛酸電池又稱為鉛酸蓄電池，1859年由法國 人普蘭特發(fā)明，已成為世界上產量最大、用途最廣 泛的二次電池，被廣泛應用于汽車，通信、電力等 各個領域*按照產品的結構形式分類，可分為開n 式、富液免維護式、玻璃絲棉隔板吸附式閥控密封 型、閥控膠體型等兒類。鉛酸電池主要由正極板、 負極板、電解液，容器，極柱、隔膜和可導也的物質 等組成階鉛酸電池正極板活性物質的主要成分是二氧 化鉛放電時勹硫酸發(fā)生反應生成硫酸鉛 #吸收 電子：充電時，在外線路的作用下轉化為pbo2與 h2so4。電池負極一般將

9、鉛制成多孔海棉狀，放電 時，鉛給出外線路電子形成pb2+，與溶液的硫酸根辭虢戸聰r sw受電季k減敏 2-2+活性物質晶格17。鉛酸電池的部反應機理為：儲能系統(tǒng)規(guī)模kwlookw mw 10mw100mw閣2 儲能技術的發(fā)展程度、系統(tǒng)規(guī)模及應川環(huán)竹比較w 能源互聯(lián)網的發(fā)展對于儲能電池提出了四個方而的要求：(1)長壽命，作為儲能電池必須具有鉛酸電池具有技術成熟、價格便宜等優(yōu)勢，奶 酸電池儲能系統(tǒng)在發(fā)電廠、變電站充當備用電源 已使用多年，并在維持電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定和可靠 運行方面發(fā)揮了極其重要的作用。同時鉛酸電池 在調整電網的負荷應用方面已取得一定的進展，如早在1988年，美閩加州就建造了一個1o

10、mw/40 m w h的用丁電網負荷的調整鉛酸電池儲能電 站 |4|。鉛酸電池依靠其成熟的技術優(yōu)勢和低廉成 本|在儲能領域仍具有極強的競爭力但較其他二 次電池|存在如下缺點：（1）能量密度低。鉛酸屯池 的能量密度僅為40-50wh/kg。1:2）循環(huán)壽命較短， 性通鉛酸電池循環(huán)壽命僅有1000次左右，這相當 于提髙了電池單周儲能成本，從而導致成本升髙* 工作溫度較窄。超過一定的溫度極易引起電池 性能下降|甚至起火爆裂環(huán)境污染重，鉛材料為重金屬|極易對環(huán)境造成污染門前，鉛酸電池向著密閉化、輕量化、長壽命方向發(fā)展。如在鉛酸電池屮加入碳添加劑并進行 優(yōu)化沒計為基礎的鉛碳超級電池|提髙了電池充 電接受

11、性和高循環(huán)穩(wěn)定性延長了使用壽命，提髙 了倍率性能。美國東佩恩制造有限公司己擁有 3mw頻率校準和imw/h需求管理的超級電池制 備技術，并在論證超級電池經濟和技術的可行性（二鋰離子二次電池鋰離子電池的研宄始于20世紀8（）年代 198（）年，牛津大學goodenough j b等提出li- coo2、linio2和limn2o4作正極材料，開始了正 極活性物質的研究1990年|円本sony公司以 氣化鈷鋰為ih極紂料、以碳材料代替金屬鋰研制 出新型鋰離子二次電池：將碳材料引入電池體系， 不僅提高了電池的能量密度和放電速率，而且人 大降低了成本|實現(xiàn)了鋰離子電池的商業(yè)化鋰離子二次電池主要ft正極

12、，電解質、負極組 成，正負極通常為具有層狀結構、網狀結構或具有 隧道結構的材料。其屮|負極材料可以足碳材料， 也可以是金屬縄或易與鋰形成合金的材料：正極 通常為鋰鹽，如 limo2、lim；2o4、limpo4g：h?pm= co，ni，fe，mn 等）：電解質鹽主要有 lipf6、liasf6 和l1c1o4等；溶劑主要有碳酸乙烯酯（ec卜碳酸 丙烯酯（pc、碳酸二甲酯（dmc），碳酸二乙酯 （dec）、氯碳酸酯（cimc）等lithium-ion rechargeable battery discharge mechanismelectronselectromeelectronscurre

13、ntflectromelithium-ion rechargeable battery charge mechanismcharger.閣3 典型的鉀離子電池工作原理示意閣典型鋰電池工作原理如圖4所示&充電過程 中，鋰離子從正極活性物質的晶格中脫出通過有 機電解質和隔膜嵌入負極活性物質的晶格屮，冋 時電7從外電路傳輸至負極，實現(xiàn)電荷平衡，正極 處于商電位的貧鋰態(tài)，負極處于低也位的富鋰態(tài)； 放電過程則與之相反。上述充放電過程對應鋰離 子在正負極間往復脫/嵌，因而鋰離子電池又被稱 為“搖擺椅電池”。鋰離子電池具有以下優(yōu)點|81:能s:密度髙， 鋰離子電池的質fi比能量和體積比能fi分別討達

14、 200wh/kg和300wh/l以上;（2）放電電壓高放電電壓平臺一般在3.2-4.2伏（3）電池自放電率低， 在正常存放情況不年自放電率低于10%: （4）循環(huán) 壽命長。鋰離子電池100%dod下充放電在1000 次以上磷酸鐵鈍電池循環(huán)壽命超過4000次*以 鈦酸鋰為負極的電池則可達5000次以上：1:5）充 放電效率高|充放電能螢轉換效率可達95%以上： （6工作溫度范網寬，一般工作范網為-30-70qc。近年來鋰離子電池在電網儲能領域也得到 了應用，2011年，日本三菱幵發(fā)出集裝箱式大容景 1m w）鋰電池儲能系統(tǒng)31，國內|深圳比亞迪公司 開發(fā)出基于磷酸鐵鋰電池儲能技術的200kwx

15、4h柜忒儲能電站和lmwx4h儲能示范站，國家電 i叫在張家口國家風光儲輸示范項y建成的14mw 大規(guī)模儲能示范電站。雖然鋰離子電池足fi前最有希塱應用于能源 i聯(lián)m的二次電池體系，但仍需要解決以下幾個 問題：（1）安全性，由于采用液體有機電解質，鋰離 +電池從在過充電等濫用條件或因內部缺陷而引 起內部短路、著火甚至爆炸。（2）循環(huán)穩(wěn)定性.鋰電 池的止負極、特別是石墨負極在嵌脫出鋰離子時， 會產生定程度的體積膨脹或收縮，可能導致電 池內部的界謝膜破裂，引起容黽衰減，影響電池壽 命 3 ，致性問題：鋰離子電池單體容量小，規(guī)模 化儲能耑要芯干只電池的串并聯(lián)，因此單體電池 的致性卟常重要，（4）成本

16、.目前從原材料成本 到加工生產成本還比較髙，需進一步降低電池成 本，三）鋰硫電池鉀硫電池是以硫元素作為電池正極，金屬鋰 作力負極的一種鋰電池，其理論能a密度為 sgoowivkg'是所存已知化學可逆系統(tǒng)中能®密 度ai島的組合之一，而且，硫是一種對環(huán)境友好的 元泉.對環(huán)境基本沒有污染.是一種非常有前景的 鋰電池嘰鋰硫電池與其它“搖椅”反應的鋰電池一樣， 在充放屯過程屮，鋰離子作為導流子在正負極之 問穿梭放電時，鋰離子從負極往正極遷移，正 極活性物質的硫-硫鍵斷裂，與鋰離子牛.成li2s: 允電時li2s電解，釋出的鋰離子重新遷冋負極i沉 枳力金w娌或者嵌入負極材料屮。其電化學

17、反應 方程如下：r / 、/八o =» w i / rvir>ljl 、 一 2 狐'. .爲 .war.nuttiva i : r 一 sjuu-. /./. /i, a»a、-4>e門門 11多孔隔膜負極®1 i i r二汝ff.池中的彳k. «*r付譯"”鋰硫電池除具有較萵的能景密度外，還具有 以下的優(yōu)勢：（1）在很寬的溫度范網內保持良好性能.li-s電池不存在k它體系在溫度-30到+80< 條件下電性能劣化的問題，（2）固有的安全機理. 鋰硫電池屮不存在明顯的鋰晶枝問題.6）充放電控制 簡單.li-s二次電池具

18、有極佳的充電穩(wěn)定性。（4）較低的材料價格，鋰、硫在地球上含適豐富，材料價 格低廉.以美國sion power公司為代表的鋰硫二次 電池己經丁 2004年進入工業(yè)生產，2006年產品性 能達到 300wh-kg-',2008 年達到 mowh.kg-1，未 來可能達到700wh*kg人雖然鋰硫電池的研究在 近10年取得了許多成果，但離實際應用還有不小 的距離，在循環(huán)性、安金性、服役壽命等關鍵應用 性能上還有待進-步提升，研宄工作主要涉及正、 負極材料的穩(wěn)定化，以及荷機電解液及電解質膜 層的綜合調節(jié)等大最的基礎問題|81.（四）鈉硫電池1967年.美國福特公司發(fā)明了一種以金屬鈉 力負極、硫

19、為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電 池一鈉硫電池.由于納硫電池具有高能電池的 一系列特點，在世界上許多國家受到極大的重視。0前.鈉硫電濁已經成功用于削峰填谷、應急電 源、風力發(fā)電等討再生能源的穩(wěn)定輸出以及提高 電力質暈等方面，是各種先進二次電池中最具潛 力的一種。klcelro4e solid clecrrolrte posi tire bl<retrotfe (歸 n)(s)圖5鈉硫電池的工作原理圖納硫電池與常規(guī)二次電池不同，ft熔融液態(tài) 電極和鬧體電解質組成，負極活性物質是熔融金 屈鈉，正極活性物質是硫和多硫化鈉熔鹽，由于硫 導電能力弱，所以硫一般足坊充在導電性能優(yōu)異 的多孔炭或石墨

20、氈里，固體電解質兼隔膜則利用 一種專門傳導鈉離子的a12o3陶瓷材料，圖5為 鈉硫電池的工作原理圖，放電時，金屬鈉被氣化為 鈉離子，并通過電解質到達陰極，與硫結合成多硫化鈉化合物|同時電子通過外電路供應給負荷；充 電時過程相逆鈉硫電池具有以下的優(yōu)點：（1）原料資源分布 很廣，原材料成本低：（2）充放電效率高 k直流充 放電效率可達90%以上自放電率很低|存儲壽命 很長；（3）倍率性能好，可支持短時間人電流或脈 沖大電流放電；（4原材料環(huán)境友好不會使用和 產生有毒有害的物質*鈉硫電池因為能量和功率密度商|運行費用低|循環(huán)性能好等特點，己經大規(guī)模應用于儲能電池領域，b前在負荷調控、備用電源等方面已

21、實現(xiàn)商業(yè)化運作，如美國電力公司也已經成功將鈉硫電池成功應用于電網的儲能電站：2010年，100kw/800kwh鈉硫儲能系統(tǒng)己作為上海世傅園智能電m綜合示范工程的一部分在上海啟動運 行 uwi,鈉硫電池仍存在如下的缺點：（1）工作溫度較 髙（30（tc左右），需要提供加熱和保溫設施：（2）電 池過充時存在安全隱患，易導致電池起火或爆裂， 過放吋將導致電池正極局部過負荷工作影響電 池壽命：（3）正負極材料活性很高，在密封失效等 失控情況下，直接接觸或與空氣接觸時，電池將著 火、其至爆炸，存在安全隱患。因此*需耍開發(fā)新材 料和新的電池優(yōu)化/設計以降低工作溫度減少成 本|提升其安全性能：（五）液流電

22、池液流電池是利用正負極電解液分開|各自循 環(huán)的一種高性能二次電池|是由正/負極活性物 質-氧化還原電對組成的電化學體系氧化還原反 應發(fā)生在愔性電極上，活性物質（不同的氧化還原 電對用電解液罐儲存在單體電池的外部，液流電池可分為全釩液流電池、多硫化物/溴 液流電池、fe/cr液流電池、zn/br液流電池、v/ce 液流電池和新型鉛酸液流電池其屮|全釩液流電 池結構示意圖如圖6所示*電池正負極之間以離 子交挽膜分隔成彼此相互獨立的兩室。陽極和陰 極電解液屮只有一種活性元紊（vi，正負極電解液 是不同價態(tài)的釩硫酸鹽，陽極負極）電解液是v （iii）/v（ 11 ），陰極（正極）電解液是v（ v）/v

23、（iv），并以 硫酸作為支持電解質?；瘜W能/電能之間轉換時， 電極和電池反應如下從|41:vo2+ h2o + v3f vo?+v24+2h飲屯 2近年來，美國、円本、歐洲等國家相繼將與風發(fā)電機i 一 - 貞載圖6全釩液流電池結構示意圖能/光伏發(fā)電相配奩的全釩液流電池儲能系統(tǒng)用t 電站調峰| u15。液流電池具有能量效率較髙、蓄電 容量大、系統(tǒng)設計靈活、活性物質壽命長、可超深 度放電而不引起電池的不可逆損傷等特點，成為 大規(guī)模儲能的候選技術之一。但液流電池存在體 積大、電池造價昂資，密封性要求高等問題尤k 是y前采用的質子交換膜|價格髙達數(shù)百美元/米2i 目前全釩液流電池的研宂改性集屮在正負極

24、電極 材料、離子交換膜、活性電解液三個方面。如何通 過研宄改性從而降低液流電池的成本，提升比能 景仍是今后努力的重點。四、展望大規(guī)模利月可再生能源，實現(xiàn)能源多樣化己 成力世界各國能源安全和經濟可持續(xù)發(fā)展的重要 戰(zhàn)略。能源互聯(lián)網將改變傳統(tǒng)的應對負荷增長的 方式，在降低能耗，提高電力系統(tǒng)吋靠性和靈活性 等方而具有e大潛力。未來能源互聯(lián)網建設為儲 能電池產業(yè)提供了廣闊的市場空間。表丨概括了 可能用于鬧定儲能電池體系的技術優(yōu)勢比較。ii前，在各類儲能電池體系屮，（u鉛酸電池 只有技術成熟*可制成大容a存儲系統(tǒng)單位能a 成本和系統(tǒng)成本低|安全可靠和再利用性好等特 點，足目前最實用的儲能電源系統(tǒng)|但金屬鉛

25、足重 金屬污染源，在一定程度上限制了鉛酸電池在能 源互聯(lián)網屮的應用；（2）鋰離子電池比能景/比功率 高，自放電小、環(huán)境友好，隨著技術提高，其效率、 功率、能a和壽命得到丫顯著提離：鈉硫和液流電 池具有能最效莖較髙、蓄電容景大、系統(tǒng)設計靈 活、活性物質壽命長、討超深度放電而不引起電池 的不可逆損傷等特點，但其產品性能和經濟適用 性需要進一步提高u3）輒硫電池原材料豐富，不 存在價格不穩(wěn)定因素|但其循環(huán)性能有待進一步 提髙:表1可能用于固定儲能電池體系的技術優(yōu)勢比較電池種類單體標稱電壓/v比能量/(wh/kg)比功率/(w/kg)循環(huán)壽命/次充放電效率/%自放電/(%/月)鉛酸電池2.035-50

26、75-300500-100008025鎳鎘電池1.0-1.375150-30025000705 2()鎖離子電池3.7150200200-3151000100000-9501鈉硫電池2.0815024090-2302500090一鋰硫電池2.1300400100-300090一余釩液流電池1.4801-3050 14013(x)()()-8()一綜上所述，鋰離子電池、鈉硫電池、鋰硫電池 和液流電池都有可能成為未來能源互聯(lián)網儲能系 統(tǒng)主要應用的二次電池但是，無論哪種電池要實 現(xiàn)在能源互聯(lián)網儲能系統(tǒng)屮的應用，都耑要滿足 k各方面的條件要求，尤k是經濟性的要求，儲能 電池技術的發(fā)展需要加強關鍵材料(

27、如電極材料* 隔膜、電解液等)及電池結構基礎理論研宄探索 新體系及復合儲能新方式。同時加快髙性能、低成 本關鍵材料的工程化技術開發(fā)，攻克鋰離子、鈉硫 和液流電池中高比能景、比功率電池電堆產業(yè)化 技術是儲能電池開發(fā)的重要發(fā)展方向參考文獻|1査亞兵，張濤，譚樹人，等.關于能源互聯(lián)網的 認識與思考j.國防科技，2012(5):1-6.2 于慎航，孫莖，牛曉娜，等.基于分布式可再生能源 發(fā)電的能源互聯(lián)網系統(tǒng)|j.電力自動化設備，2010.30(5): 104-108.3 陶占良，陳軍.智能電網儲能用二次電池體系j.科 學通報，2012, 27: 2545-2560.4|張文亮，丘明，來小康.儲能技術在

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