电化学储能体系的特点及其未来发展的思考

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)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命的的因

数，如活性物质的损失、相变，电池使用寿命可达l5～20 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７６０Ｗ·ｈ／ｋｇ，实际已达到３００Ｗ·ｈ／ｋｇ，是锂电池的４倍、镍电池的５倍、铝酸电池的１０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１００％。

（4）充电时间短。大功率NaS电池一次充电时间约２０～３０ｍｉｎ。

（5）使用长寿命。大功率NaS电池连续充放电近２万次，使用寿命可达１０ａ之久。

（6）体积小、结构紧凑、质量轻。

（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Ｓ元素本身对人体无毒性；且其废旧电池中的Na 和Ｓ回收率将近１００％，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Ｓ都处于液态，且达到３００℃左右的高温。一旦陶瓷电介质破损，高温的液态Na和Ｓ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Ｓ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３００℃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