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电池储能技术的发展

来源:杭州高特电子设备有限公司      发帖时间:2015-06-12      浏览次数:649

电能不能直接存储,需要通过各种技术转化为其他形式能量才能实现电能间接存储。电池是最稳定、最可靠的储能方式,在电动汽车和储能市场蓬勃发展。历史上曾经先后出现了铅酸电池、镍氢电池、锂离子电池、钠硫电池等各种类型二次电池,但是目前工业应用的电池因自身缺陷越来越不能满足市场上日益增长的需求,因此在环境恶化和能源短缺的压力下,电池市场持续升温,许多电池新技术相继出现,电池储能发展将何去何从,目前尚无定论,未来市场必将被最有优势的电池技术占领,下面介绍几种比较有前途的电池新技术。

钠硫电池是一种特性优良的二次电池,其高能量密度、高安全性、长寿命、运行维护方便的优点,是各种二次电池中成熟且具潜力的一种储能电池。1966年美国福特汽车公司首次提出钠硫电池。钠硫电池理论比能量达到760Wh/kg;350℃时的开路电压为2.076V;放电电流密度达到200~300mA/cm2,大功率钠硫电池一次充电时间约为20-30min;由于没有自放电及副反应,充放电效率接近100%;使用寿命长,大功率钠硫电池连续充放电近2万次,使用寿命可达15年之久;全封闭,无污染释放,无噪声,环境友好。钠硫电池是由熔融电极和固体电解质组成,负极的活性物质为熔融金属钠,正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐。固体电解质兼隔膜工作温度在300~350℃。在工作温度下,钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生可逆反应,形成能量的释放和储存。钠硫电池因工作温度高,电解质隔膜易损坏,使其作为车载动力电池安全性降低。但钠硫电池在电力储能领域发展迅速,钠硫电池作为一种快速发展的新型大容量储能电池,已经在世界上许多国家和地区使用。日本NGK公司和日本东京电力公司合作开发储能钠硫电池并于1992年成功试制了第一个钠硫电池储能系统,于2002年进入商品实施阶段。继日本NGK公司之后,美国、德国、法国等一大批国家相继投入到钠硫电池储能技术研究与开发中,并与NGK公司合作建成了规模庞大的钠硫电池储能装置。2006年美国建成第一个兆瓦级的储能项目(1MW);2008年日本建成34MW的风电储能电站,成为世界上最大规模的风电储能站;同时,法国与阿联酋等国家也在着手建设大规模的钠硫电池储能系统的负荷平定系统。我国起步较晚,目前还未投入规模化应用。

锂-空气电池的理论比容量和比能量高(11140Wh/kg,将O2计算在内也有5200 Wh/kg),接近汽油的能量密度,系。由于锂-空气电池的充电电压高(4.5V左右或更高),对环境友好,是目前备受关注的能量转换体系。锂-空气电池的概念最早是由Lockheed研究人员于1976年提出。它是以金属锂为负极,空气(或氧气)作正极和碱性水溶液作电解液组成的一种金属-空气电池。此种电池锂负极会在水性电解液中发生剧烈的反应。1996年,Abraham和Jiang提出了聚合物电解质/有机电解液体系的锂空气电池,解决了锂负极与水反应的困扰,但又带来空气电极逐渐被放电产物堵塞的难题。虽然经过仅40年的发展,锂-空气电池还存在难以解决的问题,如作为一种开放体系,其透氧防水问题、02的还原催化所需要的廉价高效催化剂问题、决定循环性能的阴极放电产物的充电还原问题以及固态放电产物对阴极孔的堵塞问题等。其中,有些是锂/空电池的特有问题,而较大部分是燃料电池和锌空气电池至今没能很好解决的问题。截至目前还没有成功应用的锂-空气电池实例。美国能源部橡树岭国家实验室研究人员近期研究一种名为LLZO的“深红色陶瓷”材料,可能作为非常优秀的电解质,提高锂-空气电池的稳定性,推动其实用化。

锂硫电池以金属锂作负极,单质硫或硫基复合材料作为正极,理论比能量为2600Wh/kg,是具有最高理论能量密度的电池之一,其具有资源丰富、无毒、环境友好、价格低廉、安全性高等优点。采用锂硫电池可以大大减少电源系统的质量,特别适用于动力及大型储能系统,成为目前最具前景的电源体系之一。据报道,锂硫电池的实际比能量已达350 Wh/kg以上,未来几年内极有可能提升到600 Wh/kg。目前美国、德国、日本、韩国等工业发达国家都先后投入巨资研发锂硫电池,希望未来能满足电池储能市场的需求。但是作为锂硫电池正极的单质硫所固有的一些物化特性和反应性质,严重制约了硫电极的循环性能和电池体系高能量密度的实现。其主要表现在单质硫的电子、离子绝缘性和放电过程中多硫化物在电解质中的溶解。我国这方面的研发仍处于起步阶段。总体来看,锂硫电池目前还处在研发阶段,离实用化还有很长距离,未来5年内可能难以产业化。

石墨烯在2004年被发现,是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,具有许多特殊的性质。石墨烯强度达130 GPa,比钢高100倍,是目前强度最高的材料;热导率可达500W/(m.K),是金刚石的3倍;载流子迁移率高达15000cm2/(V.S),是商用硅片的10倍以上;石墨烯具有超大的比表面积(2630 m2/g)、室温量子霍尔效应和良好的铁磁性,是目前已知的在常温下导电性能最好的材料,电子在其中的运动速度远超过一般导体,达到了光速的1/300。石墨烯是由碳原子以sp2杂化连接的单原子层构成的新型二维原子晶体,其基本结构单元为有机材料中最稳定的六元环,理论厚度仅为0.34 nm,是迄今为止发现的最薄的二维材料。石墨烯结构的片段可以卷曲得到富勒烯、碳纳米管或者堆叠形成石墨。目前各种制备石墨烯的物理、化学方法都仅能得到一定量石墨烯,还不能达到工业上的大规模生产。目前石墨烯的应用研究已在储氢材料、超级电容器、锂离子电池、锂硫电池、锂-空气电池等领域展开,并取得了一定成果。也有报道称利用锂离子在石墨烯表面和电极之间快速大量穿梭运动的特性,开发出的一种电压约为0.3V的新型石墨烯电池。石墨烯的获取和应用技术目前还处于研究阶段,在国内外还没有出现大规模应用的实例。

除了单体电池体系的研究外,在电池及电池模块的成组应用方面,以下公司进行了尝试。2003年成立的美国Tesla Motors公司率先推出多款纯电动跑车,是应用其特别的电池成组及热管理技术,将数千个小型特制的18650三元材料电池组合成电池模块,作为动力驱动跑车发动机工作。后来德国BMW公司推出电动超跑,中国比亚迪公司推出插电式混合动力车、电动大巴等新能源车,探索了现有电池体系的应用效果。最近有消息称Tesla Motors公司发布了“储能墙”产品,能在电力需求低谷的时候低价充电,在电价更高的需求高峰时段输出电能;能够存储过剩的太阳能发电,以便在没有太阳的时候使用;在断电的时候提供电力保障。这种“储能墙”能安装在室内或外墙壁上,储能能量达到7kWh及10kWh,这些模块可由拼接组合实现扩容。该系统通过双向逆变器和电能管理系统与电网进行能量交换。目前“储能墙”还未在市场上出现,还无法得知其实际应用状况。

电池储能被世界各国视为解决能源和环境两大难题的最有效途径,纷纷在该领域加大投入。因此电池储能的发展前景被广泛看好,未来数十年甚至更长时期是电池储能技术的蓬勃发展阶段,随着技术难题被逐步攻破,各类新技术、新工艺、新产品必将不断涌现。

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