铅炭电池及其在储能中的应用

p 2011年10月通过 PNM电网验收 p 平滑光电出力
Fra Baidu bibliotek
光伏电压波动 输出到电网的平滑电压 电池电压波动
*该示范项目表明：铅炭电池可有效平滑光电出力
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East Penn 3MW铅炭光储供电项目
p 3MW调频系统，1MW/1-4h 峰 电负荷管理 p 太阳能供电，柴油机每天关停数 小时，可减少65%柴油用量
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提
纲
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铅炭电池技术创新优势改写新兴市场竞争规则
铅炭电池特点：
在负极引入炭材料，抑制负极硫酸 盐化，大幅提升电池的高倍率充放 电性能和部分荷电态下的循环寿命 Lead-Carbon: A Game Changer for Alternative Energy Storage
p 目前，并没有一种储能技术能够完 全满足五项关键指标。 p 铅酸电池具有安全可靠性高、储能 规模大，性价比高等优势，占据了 储能市场的绝对份额。
**Source: John Craig, BCI, State of the Industry, www.naradapower.com 124 BCI Convention, Phoenix, AZ (USA), 2012
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各种储能产品的综合性能比较
循环寿命 普通铅酸电池 超级电容器 锂离子电池 钒液流电池 钠硫电池 ★★ ★★★★ ★★★ ★★★★ ★★★ 安全性 ★★★★ ★★★ ★★ ★★★ ★ 可规模化 ★★★★ ★★ ★★ ★★★★ ★★★ 经济性 ★★★ ★★ ★★ ★★ ★★★ 能效 ★★ ★★★★ ★★★★ ★★★ ★★
2002
2006 2007
2009 2010 2011
Sandia 和East Penn开展合作，模拟测试铅炭电池在各种条件下的性能。
East Penn 500kWh光电平滑+1MWh光储一体化电网级铅炭储能项目通过PNM电网验收。 East Penn 3MW电网级铅炭储能项目通过PJM电网验收。 南都铅炭电池通过国家级能源技术成果鉴定，并开始在多个微电网储能工程中使用。
中等比表面炭黑B 炭黑B+石墨B 炭黑B对充电接受能力的显著 改善应当归因于其特殊的链状 结构和表面状态
高比表面炭
比表面积与充电接受能力 没有对应关系
测试方法: GB/T 22473-2008/7.8
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铅炭负极对电化学性能的改善
电池析气量测试
高比表面炭 含活性炭配方
*此处考虑铅酸电池的可回收性，以传统铅酸电池成本30%可回收计算
参考文献：IEC：Electrical Energy Storage，White Paper 2011.12 杨裕生 等, 储能装置直接经济效益的判据, 电池, 2011, 41(1): 19-21
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Axion Power 0.5MW铅炭储能并网系统
p 2011年12月项目验收 p 需求响应、调节频率 p 直接并入PJM电网(运行与管理 美国13个州和哥伦比亚特区的 电力系统)
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East Penn 500kWh铅炭光电平滑项目
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铅酸蓄电池与其他储能产品的比较
性能指标 比能量（Wh/Kg) 比功率（W/Kg） 循环寿命（次） 工作电压（V） 使用温度范围 安全性 能量转换效率（%） 低温性能 高温性能 成本（￥/Wh) 维护费用 原材料资源 资源循环回收利用率（%） 环境污染 技术成熟度 应用领域 单体容量范围（Ah） 成组难度 高 广泛 3000 容易 传统铅酸 35 95 500 2 －20～45 高 80 差 差 0.6 中 资源丰富 95% 铅、酸污染 中 广泛 3000 容易 先进铅酸 45 300 2000 2 －40～75 高 90 优 好 1 低 镉镍电池 40 170 400 1.2 －40～70 中 80 中 差 3 低 资源中 10% 镉污染 高 一般 500 中 镍氢电池 70 225 500 1.2 －20～60 中 85 优 中 4 低 资源中 10% 低 高 一般 200 中 锂离子电池 120 750 2000 3.2 －20～60 低 90 差 中 3 中 资源中 10% 低 中 广泛 300 难 钠硫电池 160 124 2000 2 300 低 85 差 好 6 高 资源丰富 10% 低 低 较少 700 难 钒液流电池 20 166 13000 1.2 －10～35 低 70 差 差 10 中 资源丰富 50% 碱污染 低 较少 10000 中
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铅炭负极对电化学性能的改善
大电流放电性能
2V-10Ah(C2)电池
电导的影响 至关重要
p 大电流放电，除方案3，4，8（含炭黑），铅炭负极放电优势明显 p 小电流放电，除碳纤维方案，其余铅炭负极与对照方案相比，无优势
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铅炭负极对电化学性能的改善
充电接受能力
低比表面碳纤维 铅膏比表面积的大小是
测试方法：GB/T 19638.2-2005: 7.7
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影响负极析氢的重要因素
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铅炭负极对电化学性能的改善
PSoC模式下的循环寿命
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各种储能技术的储能规模比较
p 铅酸电池与锂电池、钠硫电池的能量规模和功率规模相当。 p 经济因素是制约某项技术未能实现更高功率或更大能量的主要原因。
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各种储能技术的经济性比较
DOD寿命 铅炭电池 传统铅酸电池 锂离子电池 全钒液流电池 0.65,000 1800 12,000 0.320,000 113,000 运行期间放出 的总电量 3,000 C 800 C 5,000 C 13,000 C 能效/% 90 80 95 80 电池成本 ￥/Wh 1 0.6 3 10 发电成本 ￥/kWh 0.37 (0.30*) 0.94 (0.62*) 0.63 0.96
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模拟储能循环测试——功率型
美国Sandia实验室对Ultrabattery的测试结果
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模拟储能循环测试——能量型
美国Sandia实验室和Ecoult公司对Ultrabattery的测试结果
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储能、动力等新兴市场要求铅酸电池在20%-80% PSOC模式下工作, 以确保良好的功率输出及充电 接受能力 奥巴马政府重点资助项目
申请人 ExideTechnologies with AxionPowerInternati onal East Penn Manufacturing Co. 资助M$ 34.3 项目内容 应用铅-炭电极技术生产 先进的铅酸电池，满足微 混和中混用电需求 生产超电池（铅酸电池同 超级电容器结合）满足微 混和中混用电需求 www.naradapower.com
32.5
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铅炭电池技术发展历程
1997
Dr Lam Lan研究发现：在铅酸电池中加入炭可以极大地减少 HRPSOC工况下硫酸盐的积累，提高电池性能和使用寿命。据 此研发的铅炭电池可通过电容作用缓冲高倍率充电的影响。 研发表明：炭材料类型不同，对电池性能和使用寿命的影响大为不同。 国际先进铅酸电池联合会ALABC发起铅炭电池示范项目。 East Penn成为铅炭电池授权生产商，可在除日本和泰国的全球范围内进行推广。 Exide、Axion、East Penn的铅炭电池技术得到奥巴马政府巨额资助。
吴贤章 wxz@narada.biz
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提
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新能源与智能电网发展形成对储能技术的强大需求
新能源并网与智能电网建设的瓶颈：
为了降低CO2排放量和摆脱对矿物燃料的依赖, 各国均竞相发展可再生能源发电,但新能源并网存 在功率波动严重难以保证 供电稳定性和可靠性变差 难以满足用电需求的问题。
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特征描述 大比表面积，大粒径活性炭 中等比表面积，小粒径活性炭 超高比表面积炭黑 中等比表面积炭黑 构建三维导电网络 大比表面大粒径活性炭与导电石墨的组合 大比表面大粒径活性炭与碳纤维的组合 膨胀石墨与中等比表面炭黑的组合 ——
1% 1% 0.6% 0.6% 4% 1%+1% 1%+1% 1%+1%
储能的意义：
p p p p p
平抑峰谷差，减少发电功率调整，提高传统发电效率； 降低主干网扩容投入，节约大量扩容资金； 稳定新能源接入，提高电网电能质量； 提高电网安全性，提供备份电源； 提高黑启动安全性，降低事故发生率
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储能市场面临前所未有的发展机遇
p 波士顿咨询公司预测：到2030年，储能市场应用需求在全球范围内将达到330GW； p 最有前景的是传统的“稳定供电”市场（包括削峰填谷、功率平滑、提高传统发电 效率），其盈利能力强，但技术实施难度较大； p 另一个比较有吸引力的是“能量平衡” 市场，即根据短时波动的用电需求进 行供电调配； p盈利能力处于中等偏上而技术实施难 度相对较低的孤岛/离网储能的市场 容量将达到250-500亿欧元。
• •
集成商：Ecoult 验收时间： 2012年 6月
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南都铅炭电池发展历程
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南都首次提出炭的三种作用机理
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铅炭配方与作用机理研究
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 铅炭的配方与含量(wt%) 活性炭A 活性炭B 炭黑A 炭黑B 碳纤维A 活性炭A+石墨A 活性炭A+碳纤维A 石墨B+炭黑B 现场配方
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铅炭电池在北美电网中的应用
规模：3MW，1-4MWh
p 电网辅助能量存储 p 调节频率 p 管理能源需求
p 该项目总耗资美元5,087,269美元 p 其中美国能源局（DOE）资助2,543,746美元 p 该项目始于2011年
来源：Energy Storage Activities in the United States Electricity Grid. Report of EAC, May 2011.
各种市场应用所需储能技术的实施可行性及盈利能力分析 www.naradapower.com
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规模储能对电池的要求
p p p p p
储能容量(规模化程度) 经济性 安全性 循环寿命 能量转换效率
6MW/48MWh钠硫电池储能电站
15MW/10MWh铅酸储能电站
12MW/12MWh锂电储能电站
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资料来源：IEC：Electrical Energy Storage，White Paper 2011.12
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铅酸储能技术未来的储能市场地位
Lead-Carbon: A Game Changer for Alternative Energy Storage
p只有落后的技术，没有落后的产业，随着新技术的应 用，铅酸技术在固定、储能应用行业仍会有较大市场； p 铅酸储能技术具有安全可靠性高、储能规模大，性价 比高等优势，占据了储能市场的绝对份额。
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2012 2013
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什么是铅炭电池？
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铅炭电池工作原理
常规铅酸电池 “内混”铅炭电池
电池长期处于HRPSoC，负极表面出现硫酸盐化
“内并”铅炭电池
- 负极由炭板和铅板并联构成 - 长循环寿命，高比功率 - 制作工艺复杂 - 难以产业化
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直接在铅膏中引入特殊炭材料 优异的HRPSoC循环寿命 良好的充电接受能力 易实现产业化
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储能循环寿命测试及评估方法
高倍率浅循环 功率型模式
低倍率深放电 能量型模式
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储能循环寿命测试及评估方法
p 美国Sandia国家实验室的几种波形测试，包括调频、负载均衡、随机应用模式。