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　　1、 幾類面向電網(wǎng)的儲(chǔ)能電池介紹 蔣 凱 李浩秒 李 威 程時(shí)杰 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 華中科技大學(xué) 湖北省武漢市 華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 湖北省武漢市 摘要 儲(chǔ)能技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的作用日益凸顯 儲(chǔ)能電池則是大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的重要發(fā)展方 向 文中就目前比較成熟的儲(chǔ)能電池體系 包括鉛酸電池 鋰離子電池 液流電池和鈉硫電池的發(fā) 展歷史 研發(fā)現(xiàn)狀 以及不同電池體系應(yīng)用到電網(wǎng)儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題進(jìn)行了討論 文中重點(diǎn) 介紹了鈉離子電池和液態(tài)金屬電池等 類新興的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的研究現(xiàn)狀 技術(shù)優(yōu)勢(shì)及現(xiàn)存挑 戰(zhàn)等 通過(guò)比較 認(rèn)為在進(jìn)一步提高現(xiàn)有電池性能 降低儲(chǔ)能價(jià)格的同時(shí) 亟需發(fā)展下一代能

　　2、滿足 大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的電化學(xué)儲(chǔ)能新體系 關(guān)鍵詞 電化學(xué)儲(chǔ)能 鈉離子電池 液態(tài)金屬電池 鉛酸電池 鋰離子電池 液流電池 鈉硫電池 收稿日期 修回日期 中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目 引言 電力能源以其清潔 便利等特點(diǎn) 已成為人類現(xiàn) 代生產(chǎn)和生活中不可或缺的重要部分 目前全球發(fā) 電能力約為 這一數(shù)值預(yù)計(jì)在本世紀(jì)中葉將 翻一番 現(xiàn)階段全球電力能源仍以火電為主體 占 到了 而中國(guó)更高達(dá) 以上 核電和水電為 輔 火力發(fā)電產(chǎn)生的廢氣給環(huán)境保護(hù)帶來(lái)了巨大 壓力 加上煤炭 石油等石化資源的不均衡分布和 有限儲(chǔ)量 使得電力能源成本持續(xù)攀升 電力使用的 安全保障逐漸下降 近年來(lái) 無(wú)論是為了應(yīng)對(duì)能源危機(jī) 還

　　3、是緩解日 益嚴(yán)峻的環(huán)境壓力 世界各國(guó)都把目光投向進(jìn)一步 開發(fā)和利用可再生能源發(fā)電 年全球風(fēng)電裝 機(jī)容量 到 年達(dá)到 世界能 源理事會(huì) 預(yù)計(jì)到 年將 達(dá)到 光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)在全球范圍內(nèi)更是以 的速度逐年遞增 其中美國(guó)預(yù)計(jì)在 年將達(dá) 到 然而 風(fēng)電和光伏發(fā)電有著不穩(wěn)定 和不連續(xù)的特點(diǎn) 將其并入現(xiàn)有電網(wǎng)達(dá)到一定的比 例時(shí) 這種不穩(wěn)定因素可能會(huì)對(duì)局部電網(wǎng)造成很大 的沖擊 甚至釀成大規(guī)模的惡性事故 日前 國(guó)家電 力監(jiān)管委員會(huì)發(fā)布了 重點(diǎn)區(qū)域風(fēng)電消納監(jiān)管報(bào) 告 指出中國(guó)東北 華北 西北 簡(jiǎn)稱 三北 地區(qū)風(fēng) 電發(fā)展成效顯著 但部分省 區(qū) 風(fēng)電消納情況不佳 棄風(fēng)情況比較嚴(yán)重 棄風(fēng)率約 三北 地區(qū)棄 風(fēng)電量達(dá) 折合

　　4、火電標(biāo)準(zhǔn)煤耗 折合 減排量 因此 就目前而 言 風(fēng)電和光伏發(fā)電入網(wǎng)問(wèn)題一直是限制其快速發(fā) 展的瓶頸問(wèn)題 一般認(rèn)為 大規(guī)模儲(chǔ)能可以有效消納可再生能 源發(fā)電 從而在很大程度上提高風(fēng)電等入網(wǎng)效率 同時(shí) 為實(shí)現(xiàn)電力的削峰填谷 改善電力供需矛盾 提高發(fā)電設(shè)備利用率 發(fā)展智能電網(wǎng) 電力系統(tǒng)自身 也對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)提出了迫切的需求 因此 研究和開發(fā)高效 廉價(jià)的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù) 成為電力 能源可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié) 也是國(guó)家未來(lái)能源戰(zhàn) 略的重要組成部分 儲(chǔ)能技術(shù)及其特性 大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)大致可分為機(jī)械儲(chǔ)能 飛輪儲(chǔ) 能 抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能 電能直接存儲(chǔ) 超級(jí) 電容和超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能 化學(xué)儲(chǔ)能 氫和其他化學(xué)物 質(zhì)儲(chǔ)能

　　5、和電化學(xué)儲(chǔ)能 二次電池和液流電池 等 類 各種不同儲(chǔ)能方式的儲(chǔ)能特性均不相同 表 比較了幾種儲(chǔ)能技術(shù)的相關(guān)參數(shù) 其中 電化學(xué) 儲(chǔ)能具有能量密度高 響應(yīng)時(shí)間快 維護(hù)成本低 靈 活方便等優(yōu)點(diǎn) 成為目前大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展 方向 電化學(xué)儲(chǔ)能即通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)完成電能和化學(xué) 能之間的相互轉(zhuǎn)換 從而實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放 自從 年丹尼爾電池問(wèn)世以來(lái) 電池科學(xué)得到了 迅速的發(fā)展 室溫電池如鉛酸電池 鎳鎘電池 鎳氫 電池 鋰離子電池和液流電池 高溫電池如鈉硫電池 第 卷 第 期 年 月 日 和 電池等相繼發(fā)展起來(lái) 目前鉛酸電池和 鋰離子電池等多類電池已實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化 特 別是高比能鋰離子電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域被

　　6、認(rèn)為具有 較好的發(fā)展前景 然而 從面向電網(wǎng)大規(guī)模儲(chǔ)能的 角度來(lái)看 儲(chǔ)能價(jià)格和電池壽命是電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù) 的關(guān) 鍵 參 數(shù) 一 般 認(rèn) 為 儲(chǔ) 能 投 資 成 本 低 于 美元 儲(chǔ)能壽命達(dá) 年 循環(huán) 周期以上 儲(chǔ)能效率高于 的電化學(xué)儲(chǔ)能體系 能滿足大規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng)的要求 然而 現(xiàn)有電化 學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)還不能在價(jià)格和性能上全面滿足上述要 求 因此 在進(jìn)一步提高現(xiàn)有電化學(xué)儲(chǔ)能裝置性能 降低儲(chǔ)能價(jià)格的基礎(chǔ)上 發(fā)展下一代性能優(yōu)異的電 化學(xué)儲(chǔ)能新體系顯得尤為重要 本文將重點(diǎn)介紹鈉 離子電池和液態(tài)金屬電池等 類在儲(chǔ)能領(lǐng)域具有較 好應(yīng)用前景的新型電池 表 不同儲(chǔ)能技術(shù)參數(shù)比較 儲(chǔ)能技術(shù)成熟程度容量 功率 效率 壽命

　　7、周期 儲(chǔ)能成本 功率成本 美元 能量成本 美元 壓縮空氣儲(chǔ)能示范 改性鉛酸電池示范 鈉硫電池商業(yè)化 全釩液流電池示范 鋅溴液流電池示范 鐵鎘液流電池實(shí)驗(yàn) 鋰離子電池示范 常見(jiàn)的幾類儲(chǔ)能電池介紹 鉛酸電池 鉛酸電池是指以鉛及其氧化物為電極 硫酸溶 液為電解液的一種二次電池 發(fā)展至今已有 多 年歷史 是最早規(guī)?；褂玫亩坞姵?鉛酸電池 的儲(chǔ)能成本低 美元 可靠性 好 效率較高 目前已經(jīng)成為交通運(yùn) 輸 國(guó)防 通信 電力等各個(gè)部門最為成熟和應(yīng)用最 為廣泛的電源技術(shù)之一 但是鉛酸電池的循環(huán)壽命 短 周 期 能 量 密 度 低 使用溫度范圍窄 充電速度慢 過(guò) 充電容易放出氣體 加之鉛為重金屬 對(duì)環(huán)境影響

　　8、 大 使其后期的應(yīng)用和發(fā)展受到了很大的限制 近年來(lái) 全球很多企業(yè)致力于開發(fā)性能更加優(yōu) 良 能滿足各種使用要求的改性鉛酸電池 其中值得 強(qiáng)調(diào)的是鉛碳超電池 鉛碳超電池由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織 發(fā)明 以常用的超級(jí)電容器碳電極材料 部分或全部取代鉛陽(yáng)極 是鉛酸電池和超級(jí)電容器 的結(jié)合體 具有充放電速度較快 能量密度較高 使 用壽命較長(zhǎng)等特點(diǎn) 可用于混合動(dòng)力電動(dòng)車 不間斷 電源 供電系統(tǒng)等 對(duì)此 國(guó)內(nèi)相關(guān)的研究機(jī) 構(gòu)也相繼開展了研究 由于鉛酸電池相對(duì)成熟的電 池技術(shù)及較低的投資成本 使其成為早期大規(guī)模電 化學(xué)儲(chǔ)能的主導(dǎo)技術(shù) 目前最大的鉛酸電池儲(chǔ)能電 站于 年在美國(guó)加州建造 其裝機(jī)功率 容量達(dá)

　　kaiyun用戶評(píng)價(jià)

　　9、主要用于負(fù)荷調(diào)整 另外 在 美國(guó)夏 威 夷 波 多 黎 各 和 德 國(guó) 等 地 都 裝 有 的鉛酸電池儲(chǔ)能電站 但是鉛酸電池的有 限循環(huán)壽命在很大程度上提高了其單周儲(chǔ)能價(jià)格 使其在實(shí)際儲(chǔ)能價(jià)格上處于劣勢(shì) 從而嚴(yán)重阻礙了 鉛酸電池的大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用 鋰離子電池 鋰離子電池技術(shù)的發(fā)展始于 提出 的 等嵌鋰材料 這種材料已沿用至今 其電化學(xué)能量存儲(chǔ)取決于鋰離子在正負(fù)極電極材料 中的嵌入和脫嵌 如圖 所示 基于上述發(fā)現(xiàn) 年 公司開始了鋰離子電池的商業(yè)化進(jìn) 程 其開路電壓約為 能量密度約為 功率密度超過(guò) 圖 鋰離子電池原理示意圖 早期鋰離子電池的發(fā)展對(duì)于移動(dòng)電子設(shè)備的發(fā) 展起到了很大的推動(dòng)作用 但是傳統(tǒng)的

　　kaiyun用戶評(píng)價(jià)

　　10、鋰離子電池 的安全性及成本制約使其應(yīng)用往往局限于小型的移 動(dòng)電子設(shè)備 在很大程度上限制了其在電網(wǎng)儲(chǔ)能中 的大規(guī)模應(yīng)用 近年來(lái) 鋰離子電池的研發(fā)重點(diǎn)是發(fā)展安全 高 效 價(jià) 格 低 廉 的 正 極 材 料 來(lái) 取 代 體 系 世紀(jì) 年代末 等人合成了 一種磷酸鐵鋰 的正極材料 首次從材料 上降低了鋰離子電池的價(jià)格 使得鋰離子電池在大 規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能 對(duì)于鋰離子電池的負(fù)極材料 目前使用較多的 是石墨 石墨電極容量大 電壓高 但其快速充電時(shí) 由枝晶引發(fā)的短路帶來(lái)了很大的安全隱患 目前正 在開發(fā)金屬及其氧化物等高比能的石墨替代物 中國(guó)的鋰離子電池行業(yè)起步晚 發(fā)展快 占據(jù)了 一些低端市場(chǎng) 與日

　　11、本 韓國(guó)等相比還有較大的差 距 而長(zhǎng)壽命 低成本的磷酸鐵鋰電池在國(guó)內(nèi)的研 究和生產(chǎn)發(fā)展很快 是目前較有前景的電動(dòng)車儲(chǔ)能 技術(shù)之一 若能較好地解決系統(tǒng)的安全問(wèn)題 磷酸 鐵鋰電池也將是電力系統(tǒng)儲(chǔ)能的重要候選技術(shù)之 一 南方電網(wǎng)公司在深圳建設(shè)的 儲(chǔ)能示范 電站就是采用的磷酸鐵鋰電池 液流電池 液流電池是通過(guò)可溶性電對(duì)在惰性電極上發(fā)生 電化學(xué)反應(yīng)而完成能量存儲(chǔ)與釋放的一類電池 與 其他電池不同的是 其電解質(zhì) 可溶性電對(duì) 是分別 存放在 個(gè)不同的容器中 通過(guò)泵的驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)循環(huán) 流動(dòng) 如圖 所示 由于其結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 液流電池的 功率和容量相互獨(dú)立 可以根據(jù)需求分別調(diào)整系統(tǒng) 的容量和功率的大小 此外 液態(tài)流動(dòng)電解

　　12、質(zhì)使得 液流電池響應(yīng)時(shí)間極短 亞秒級(jí) 圖 全釩液流電池原理示意圖 美 國(guó) 國(guó) 家 航 空 航 天 局 的 于 世紀(jì) 年代發(fā)明了 液流電池 體系 隨后 各種各樣的液流電池體系快速發(fā)展 起來(lái) 目前比較成熟的液流電池技術(shù)包括全釩液流 電池 鋅溴 液流電池 鐵鉻液 流電池 和多硫 化 物 溴 液 流 電 池 其中 全釩液流電池體系由澳大利 亞新南威爾士大學(xué)的 等人 于 世紀(jì) 年代提出 至今一直是世界各國(guó)研究的熱 點(diǎn) 并且占據(jù)了大部分液流電池市場(chǎng) 目前 已經(jīng)有 兆瓦 兆瓦時(shí)級(jí)和超過(guò)兆瓦級(jí)的全釩液流電池組投 入運(yùn)營(yíng) 其中最大的全釩液流電池組安裝在日本北 島 的 風(fēng)電場(chǎng)中 功率達(dá) 可 提 供 的 脈 沖 功

　　13、 率 長(zhǎng) 達(dá) 全釩液流電池運(yùn)行的過(guò)程中通過(guò)釩的價(jià)態(tài)的改 變來(lái)傳遞電子 完成電能與化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)換 其開 路電壓為 近年來(lái) 全釩液流電池 的研究重點(diǎn)主要圍繞電池的關(guān)鍵材料 電解液 離子 交換膜 電極極板 展開 離子交換膜的離子通過(guò) 率 選擇性以及壽命都是直接影響電池性能的重要 因素 目前常用的全氟磺酸膜 的壽命 價(jià) 格以及自放電導(dǎo)致的電池容量流失是制約全釩液流 電池發(fā)展的重要因素 開發(fā)新的取代膜將是全釩液 流電池的發(fā)展方向之一 高性能電極極板材料的選 擇必須滿足下列條件 高比表面積 合適的孔洞 低 電阻率以及對(duì)電對(duì)元素有較高的電化學(xué)活性 考慮 上述條件 石墨烯和碳基材料都是常用的電極材料 對(duì)電極

　　14、材料 尤 其 是復(fù) 合 碳 材 料電極 的化 學(xué)處 理 電化學(xué)處理 以及金屬摻雜 也是提高其 性能的重要方法 液流電池具有容量大 功率大 效率高 壽命長(zhǎng) 安全性高等優(yōu)點(diǎn) 使其在很短的時(shí)間內(nèi)得到了較快 的發(fā)展 但是 其產(chǎn)業(yè)化仍面臨電解液 電極極板特 別是離子交換膜等關(guān)鍵材料的制約及實(shí)際儲(chǔ)能價(jià)格 偏高等問(wèn)題 鈉硫電池 鈉硫電池于 年首先由美國(guó)福特公司針對(duì) 電動(dòng)汽車中的應(yīng)用而提出 但是隨后的研究發(fā)現(xiàn) 由于鈉硫電池具有高比功率和比能量 低原材料成 本和制造成本 溫度穩(wěn)定性以及無(wú)自放電等特性 使 其成為目前最具市場(chǎng)活力和較好應(yīng)用前景的儲(chǔ)能 電池 鈉硫電池以熔融態(tài)的鈉和硫分別作為負(fù)極和正 儲(chǔ)能技術(shù)及其在電

　　15、力系統(tǒng)中的應(yīng)用 蔣 凱 等 幾類面向電網(wǎng)的儲(chǔ)能電池介紹 極 以 陶瓷管作為固態(tài)電解質(zhì)兼正負(fù)極隔 膜 電池的工作溫度在 如圖 所示 圖 鈉硫電池原理示意圖 鈉硫電池的電極材料是鈉和硫 儲(chǔ)量豐富 成本 較低 鈉硫電池理論能量密度約為 實(shí)際約 功率密度約 循環(huán)效率 以上 循環(huán)壽命達(dá) 年以上 鈉硫 電池儲(chǔ)能 成本 約 為 美 元 和 美元 比較接近大規(guī)模儲(chǔ)能市場(chǎng) 預(yù)期 大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能多方面的要求給鈉硫電池的發(fā) 展提出了新的挑戰(zhàn) 首先 高溫 運(yùn)行的鈉 硫電池一旦陶瓷管破裂形成短路 將釀成很大的安 全事故 例如 年 月 日 日本三菱材料筑 波材料制作所內(nèi)的鈉硫電池發(fā)生火災(zāi) 其次 高溫 下鈉硫電池的腐蝕問(wèn)題

　　16、仍是阻礙其進(jìn)一步發(fā)展的主 要障礙之一 目前研究人員希望通過(guò)改進(jìn)鈉硫電池 結(jié)構(gòu)來(lái)降低該電池體系的工作溫度 從而解決上述 問(wèn) 題 例 如 全 固 態(tài) 鈉 硫 電 池 電 池 溫 度 低 至 甚至有人嘗試制備了室溫下工作的鈉硫 電池 不過(guò)這些電池的性能還有待進(jìn)一步提高 目前 日本 公司是國(guó)際上鈉硫儲(chǔ)能電池 研制 發(fā)展和應(yīng)用的標(biāo)志性機(jī)構(gòu) 從 世紀(jì) 年 代中期至 年 公司完成了從開發(fā) 示范到 鈉硫電池的商業(yè)化生產(chǎn)和供應(yīng) 目前 已有 余座鈉硫電池儲(chǔ)能電站在全球運(yùn)行 現(xiàn)已建成 用于風(fēng)電場(chǎng)的 鈉硫儲(chǔ)能電站 中國(guó)科學(xué)院 上海硅酸鹽研究所是國(guó)內(nèi)長(zhǎng)期從事鈉硫電池研究的 單位 在鈉硫電池的研究和示范應(yīng)用方面取得了較

　　17、好的成績(jī) 新型儲(chǔ)能電池研究實(shí)例 鈉離子電池 鋰離子電池的飛速發(fā)展必然會(huì)導(dǎo)致鋰資源的緊 缺 從而影響其儲(chǔ)能價(jià)格和大規(guī)模持續(xù)供給 金屬 鈉價(jià)格低廉 儲(chǔ)量豐富 且與鋰電位相近 以其作為 電極材料構(gòu)成的鈉離子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中將 有很大的發(fā)展?jié)摿?鈉離子電池與鋰離子電池結(jié)構(gòu) 和原理相似 正負(fù)極材料均采用鈉離子容易嵌入 脫 嵌的活性材料 電解質(zhì)是溶解有鈉離子的有機(jī)溶劑 或采用鹽類摻雜的固態(tài)聚合物 與鋰離子電池相 比 鈉離子電池預(yù)計(jì)在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域更具有優(yōu)勢(shì) 不僅原材料價(jià)格低廉 儲(chǔ)量豐富 而且鈉的電位比鋰 高 盡管能量密度稍低一些 但這意味著鈉離 子電池可以使用分解電壓更低的電解質(zhì)溶液 使其 安全性能

　　18、明顯優(yōu)于鋰離子電池 作為新型儲(chǔ)能技 術(shù) 鈉離子電池因具有成本低 安全性高等獨(dú)特優(yōu) 勢(shì) 是一類很有潛力的鋰離子電池替代品 由于鈉離子半徑較大 其嵌入和脫嵌的阻力大 導(dǎo)致正極材料的充放電可逆性比較差 不可逆容量 損失大 電池正極的容量偏低 無(wú)法達(dá)到應(yīng)用要求 正極材料在大電流充放電時(shí)性能不理想等等 這些 問(wèn)題限制了鈉離子電池的進(jìn)一步實(shí)際應(yīng)用 為了解 決上述問(wèn)題 很多科研工作者進(jìn)行了長(zhǎng)期的研究和 摸索并取得了較好的成果 早期研究的鈉離子正極材料主要為 和 的層狀晶體化合物及它們的摻雜化合 物 但由于鈷酸鹽材料價(jià)格昂貴和 中鈉 離子嵌入量有限 制約了它們的應(yīng)用 近年來(lái) 有關(guān)鈉離子正極材料研究的報(bào)道很多

　　19、年 文獻(xiàn) 報(bào)道了正極材料 的容量可高達(dá) 與 金屬組裝的電池 平均電壓為 由于 容量高且價(jià)格低廉 該材料有望成為具有實(shí)用價(jià)值 的鈉離子正極材料 鈉離子負(fù)極材料在長(zhǎng)期的研究中也取得了長(zhǎng)足 進(jìn)步 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)可用于鈉離子負(fù)極的材料包括碳材 料和金屬氧化物 以及低電位金屬鹽等 碳材料以 其高儲(chǔ)鈉能力 低電極電位和快速可逆的 嵌脫 反應(yīng) 成 為 這 類 活 性 物 質(zhì) 的 首 選 年 等人 發(fā)現(xiàn)了層狀結(jié)構(gòu) 化合物 這也是迄今為止鈉離子嵌入電位 最低的化合物 同年 等人 報(bào)道了無(wú) 定形 納米管可用做鈉離子負(fù)極材料 此外 近年來(lái)有關(guān)鈉離子電池的電解質(zhì)研究更傾向于固態(tài) 電解質(zhì) 包括聚合物電解質(zhì) 近 多年來(lái)發(fā)展起來(lái)

　　20、 的 一 種 復(fù) 合 物 電 解 質(zhì) 鈉 超 離 子 導(dǎo) 體 和 骨架三維空間鈉離子導(dǎo)體 是固態(tài)電解質(zhì)的較好選擇 但尚未在鈉離子電池中 得到應(yīng)用 鈉離子電池目前仍處于研發(fā)階段 離實(shí)用還有 一定的距離 但其潛在的資源和價(jià)格優(yōu)勢(shì)使得鈉離 子電池在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中具有較大的潛力 液態(tài)金屬電池 電網(wǎng)靜態(tài)電化學(xué)儲(chǔ)能與汽車動(dòng)力電源對(duì)電池特 性的要求各有側(cè)重 前者以儲(chǔ)能價(jià)格和電池壽命作 為第一要素 而后者則以能量密度 功率特性和安全 性能作為研發(fā)重點(diǎn) 因此 靜態(tài)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的 發(fā)展如果完全沿用動(dòng)力電池的研究思路 將很難實(shí) 現(xiàn)新的技術(shù)突破 實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能技術(shù)的低價(jià)格 長(zhǎng)壽命 高效率和易放大 是電網(wǎng)電化學(xué)儲(chǔ)能研究領(lǐng)

　　21、域的共 同目標(biāo) 然而 前述各種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)都不能很 好地滿足這些目標(biāo) 針對(duì)這個(gè)問(wèn)題 美國(guó)麻省理工 學(xué)院 教授等人獨(dú)辟蹊徑 近年來(lái)提 出液態(tài)金屬電池大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能的新思路 從液 態(tài)金屬電池的工作原理 工程設(shè)計(jì)到現(xiàn)有研究結(jié)果 來(lái)看 能較好地滿足前述大規(guī)模靜態(tài)儲(chǔ)能的技術(shù)要 求 因此 這一技術(shù)在美國(guó)引起了學(xué)術(shù)界 工業(yè)界及 政府部門的廣泛關(guān)注和媒體報(bào)道 液態(tài)金屬電池的原型為全液態(tài)電解池 其原始 概念可以 追溯 到 世紀(jì) 年代 美 國(guó)鋁 業(yè) 公司 為電解制備高純 鋁而發(fā)展起來(lái)的 層液態(tài) 電化學(xué)池 即液 態(tài)鋁 和 銅 鋁 合 金 分 別 作 為 負(fù) 極 和 正 極 以 熔 融 為電解質(zhì)的電解池 世紀(jì)六

　　22、七 十 年 代 通 用 汽 車 公 司 和原子國(guó)際 特別 是 美 國(guó) 阿 貢 國(guó) 家 實(shí) 驗(yàn) 室 基于全液態(tài)電解池的基本概念 開展 了約 年的全液態(tài) 熱再生 高溫電池的研究 但隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展 研究人員越來(lái)越多地將目 光投向具有更高比能量的其他電池體系 最終放棄 了這一類電池的研究 近年來(lái) 在美國(guó)能源部和法 國(guó) 石油公司的大力資助下 包括本文主要 作者在內(nèi)的 液態(tài)金屬電池研發(fā)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地 開展了液態(tài)金屬電池的材料和系統(tǒng)的研究 取得了 較好的成果 液態(tài)金屬電池以熔融態(tài)金屬作為正負(fù)極 熔鹽 作為電解質(zhì) 由于熔融態(tài)金屬與熔鹽互不混融 層液態(tài)由于密度的差異而自動(dòng)分層 在電池放電 時(shí) 負(fù)極金屬失去電子

　　23、 并通過(guò)外電路做功 而負(fù)極 金屬離子化后通過(guò)熔鹽遷移到正極并與正極金屬合 金化 充電則執(zhí)行相反的過(guò)程 液態(tài)金屬電池的特殊設(shè)計(jì)使其具有較好的儲(chǔ)能 性能 首先 液態(tài)電極的使用在很大程度上克服了 固態(tài)電極所固有的較慢動(dòng)力學(xué)特性 同時(shí)無(wú)機(jī)熔鹽 高達(dá) 的電導(dǎo)率也大大提升了電解質(zhì)的 離子遷移率 使得液態(tài)金屬電池即使在幾 的 電流密度下充放電時(shí) 依然能保持較高的能量效率 液態(tài)電極不存在長(zhǎng)期使用造成的電極形變和枝晶生 長(zhǎng)等影響電池壽命及安全性能的因素 因此可以長(zhǎng) 期安全運(yùn)行 預(yù)計(jì)電池壽命可以達(dá)到 年 無(wú)機(jī)熔 鹽電解質(zhì)兼做正負(fù)極隔離層 電池?zé)o需特殊隔膜 既 降低了電池的成本 又使得電池體系容易放大和生 產(chǎn) 由于

　　24、不存在隔膜技術(shù)的制約 且電極和電解質(zhì) 來(lái)源廣泛 價(jià)格較低 通過(guò)測(cè)算得出液態(tài)金屬電池系 統(tǒng)的儲(chǔ)能價(jià)格有望低于 美元 能滿足 目前市場(chǎng)對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能的價(jià)格預(yù)期 液態(tài)金屬電池 的高倍率充放電性能及電池系統(tǒng)的可放大性 使得 液態(tài)金屬電池能滿足能量型和功率型雙重應(yīng)用 在 大規(guī)模儲(chǔ)能中有著廣闊的應(yīng)用前景 以鎂 銻液態(tài)金屬電池為例 該電池體系分 別采用金屬鎂 和銻 作為負(fù)極和正極 以 混合熔鹽為電解質(zhì) 電池工作原 理示意圖如圖 所示 圖 鎂 銻液態(tài)金屬電池工作原理示意圖 但鎂 銻 液 態(tài) 金 屬 電 池 的 工 作 溫 度 較 高 約 放電電壓較低 因此 該體系 不具有實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值 通過(guò)新型電極材料和系統(tǒng)

　　25、的研發(fā) 具有較好儲(chǔ)能性能的實(shí)用體系現(xiàn)已基本研 發(fā)成功 相關(guān)研究成果即將正式發(fā)表 液態(tài)金屬電池在大規(guī)模電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用中具有前 述諸多優(yōu)點(diǎn) 但電池的全液態(tài)設(shè)計(jì) 電池的高溫操作 和相對(duì)較低的電池電壓則限制了其在汽車動(dòng)力電池 中的應(yīng)用 目前液態(tài)金屬電池研發(fā)的重點(diǎn)是通過(guò)開 發(fā)新材料 選擇新體系 降低電池操作溫度 提高電 池電壓 來(lái)進(jìn)一步提高電池性能和降低儲(chǔ)能成本 同時(shí) 液態(tài)金屬電池的高溫密封和腐蝕等問(wèn)題仍需 要加強(qiáng)研究 結(jié)語(yǔ) 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的重要性不 言而喻 特別是對(duì)消納可再生能源具有十分重要的 意義 目前發(fā)展比較成熟的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中 鉛 酸電池對(duì)環(huán)境的影響及其有限的循環(huán)壽命制約了其 儲(chǔ)

　　26、能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 蔣 凱 等 幾類面向電網(wǎng)的儲(chǔ)能電池介紹 在大規(guī)模儲(chǔ)能中的應(yīng)用 新的鉛酸電池結(jié)構(gòu) 特別 是鉛碳超電池等有望成為目前鉛酸電池的替代品 從而有效拓展鉛酸電池的應(yīng)用范疇 鋰離子電池儲(chǔ) 能價(jià)格較高 其安全性能也一直是一個(gè)值得特別關(guān) 注的問(wèn)題 相比鋰離子電池 液流電池比較容易放 大 電池成本較低 更加適合電網(wǎng)大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用 但液流電池結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜 需要對(duì)電解液 電極 極板特別是離子交換膜等進(jìn)行技術(shù)攻關(guān) 進(jìn)一步提 高電池性能和降低儲(chǔ)能價(jià)格 鈉硫電池?fù)碛休^高的 比容量 具有使用壽命長(zhǎng) 轉(zhuǎn)化效率高等特點(diǎn) 是目 前應(yīng)用較多的儲(chǔ)能電池 但鈉硫電池中的關(guān)鍵部件 陶瓷管的制備技術(shù)僅被極

　　27、少數(shù)公司所掌 握 加上其安全隱患一直存在 很大程度上制約了鈉 硫電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的推廣應(yīng)用 在進(jìn)一步提高上述電池的性能 降低其儲(chǔ)能價(jià) 格的同時(shí) 亟需發(fā)展下一代能滿足大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用 的電化學(xué)儲(chǔ)能新體系 處于發(fā)展過(guò)程中的新型電池 儲(chǔ)能技術(shù)多種多樣 從資源的角度而言 鈉離子電 池將會(huì)得到應(yīng)有的重視 其發(fā)展應(yīng)借鑒鋰離子電池 的經(jīng)驗(yàn) 采用價(jià)格低廉的鈉元素取代鋰從而降低電 池系統(tǒng)的儲(chǔ)能價(jià)格 同時(shí)將較好地解決鈉硫電池使 用單質(zhì)鈉和硫帶來(lái)的安全問(wèn)題 從電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)角 度 液態(tài)金屬電池采用不同于一般電池的全液態(tài)結(jié) 構(gòu) 使用廉價(jià)金屬及無(wú)機(jī)鹽作為電極和電解質(zhì) 其結(jié) 構(gòu)簡(jiǎn)單 容易放大 運(yùn)行壽命長(zhǎng) 儲(chǔ)能價(jià)格低 在面向 電網(wǎng)的大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中預(yù)計(jì)會(huì)有較好的前景 參 考 文 獻(xiàn) 蔣 凱 男 通信作者 博士 教授 主要研究方 向 新型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)和新能源材料 李浩秒 男 碩士研究生 主要研究方向 新型 高溫電池 李 威 男 碩士研究生 主要研究方向 新型 儲(chǔ)能電池 編輯 章黎 儲(chǔ)能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用 蔣 凱 等 幾類面向電網(wǎng)的儲(chǔ)能電池介紹

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