目前,電化學儲能技術主要以鋰離子電池、鉛蓄電池、鈉硫電池和液流電池為主,這些技術在可再生能源并網、分布式發(fā)電及微網領域已實現兆瓦級的示范應用,同時在調頻輔助服務、電力輸配、電動汽車等領域也在進行應用示范。本文介紹幾種用于數據中心的電化學儲能系統(tǒng)。

　　鉛酸蓄電池已有100多年的使用歷史,非常成熟。以其材料普遍、價格低廉、性能穩(wěn)定、安全可靠,具有免維護性、優(yōu)越的高低溫性能、耐過充和優(yōu)越的充電接受能力、電池一致性高等特點,因而在數據中心中得到非常廣泛的應用。鉛酸電池依舊被采用。但鉛酸電池也有一些嚴重的缺點,主要就是循環(huán)壽命很低,比能量也較小,充放電倍率也較低。如果是單純的作為后備電源，僅是在停電等緊急情況下電池進行放電，保障供電連續(xù)性，傳統(tǒng)鉛酸電池還是能夠基本滿足需求的。但是其循環(huán)壽命低的弱點，也決定了其在削峰填谷等高強度使用的儲能場景下的應用前景。圖1為鉛酸電池的原理圖。

　　鉛炭電池是從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進出來的技術,它是在鉛酸電池的負極中加入了活性炭,能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。與傳統(tǒng)的鉛蓄電池相比,鉛炭電池有以下特點:充電速度快,放電功率高,循環(huán)壽命顯著增長,可達傳統(tǒng)鉛酸電池的6倍,同時也保留了鉛酸電池安全穩(wěn)定的特性,可廣泛地應用在各種新能源及節(jié)能領域。使用了鉛炭技術后,鉛炭電池的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池,可應用于新能源車輛中,如:混合動力汽車、電動自行車等領域;也可用于新能源儲能領域,如風光發(fā)電儲能等。由于鉛炭電池與鉛酸電池的原理、體積和能量密度較為相近,對數據中心傳統(tǒng)儲能系統(tǒng)進行演進,用鉛炭電池來替代鉛酸電池具備較高的可行性。

　　鋰離子電池由于具有高的比能量、優(yōu)異的循環(huán)性能和綠色環(huán)保等優(yōu)勢,已基本占據便攜式電子產品市場,如手機、筆記本電腦、照相機等。鋰離子電池的工作原理主要依靠鋰離子在正極材料(金屬氧化物)和負極(石墨)之間嵌入和脫出來實現能量的儲存和釋放。鋰離子電池具有很高的工作電壓,比能量可達到150Wh/kg。鋰離子電池的性能主要依賴于電極材料和電解質的發(fā)展,而電極材料的選擇尤為重要。目前鋰離子電池的主要的技術路線為磷酸鐵鋰電池及三元鋰電池。

　　LiFePO4是一種具有橄欖石結構的磷酸鹽化合物,它具有穩(wěn)定的充放電平臺,充放電過程中結構穩(wěn)定性好,安全性高,價格低廉,環(huán)保無污染,比容量可達160Ah/kg,是近年來發(fā)展最快的一種鋰離子電池正極材料體系,廣泛應用于電動汽車和儲能領域。

　　LiFePO4存在的主要問題是振實密度低以及電子、離子電導率差，可以通過材料納米化、二次造粒、碳包覆和摻雜等方法來提高LiFePO4電化學性能。

　　磷酸鐵鋰電池單體輸出電壓高,工作溫度范圍寬,比能量高,效率高,自放電率低,在電動汽車和靜態(tài)儲能應用中的研究也得到了開展。目前磷酸鐵鋰電池由于成本低、安全可靠和高倍率放電性能受到關注。

　　循環(huán)壽命長:在室溫和100%DOD情況下,電池的循環(huán)壽命不小于5000次;性能價格比高:普通常用材料。

　　一致性好:目前國內的磷酸鐵鋰電池廠家已經具有自動化生產線,保證了電池產品的一致性。

　　三元聚合物鋰電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰(Li（NiCoMn）O2)三元正極材料的鋰電池。三元材料電池由于具有電壓平臺高、能量密度高、振實密度高、電化學穩(wěn)定、循環(huán)性能好等特性,在提升新能源汽車的續(xù)航里程,減輕用戶續(xù)航里程憂慮方面具有明顯優(yōu)勢,同時還具有放電電壓高,輸出功率比較大,低溫性能好,可適應全天候氣溫等優(yōu)點,因此正逐漸受到汽車生產廠商和用戶的青睞。

　　全釩液流電池全稱為全釩離子氧化還原液流電池。全釩液流電池中的兩個氧化-還原電對的活性物質,分別裝在兩個儲液罐中的溶液中,各用一個泵,使溶液流經電池,并在電池內的離子交換膜兩側的電極上分別發(fā)生還原和氧化反應。單電池通過雙極板串聯(lián)成堆。全釩液流電池作為儲能電源,主要用于電廠調峰項目系統(tǒng)、大規(guī)模的光電轉換系統(tǒng)、風能發(fā)電的儲能電源以及邊遠地區(qū)儲能系統(tǒng)、不間斷電源或應急電源系統(tǒng)等。

　　電池系統(tǒng)組裝設計靈活,易于模塊組合,蓄電規(guī)?？纱罂尚?。全釩液流電池的活性物質以液態(tài)形式貯存于儲液罐中,容量取決于外部儲液中活性物的容量和濃度,因此功率輸出和能量儲存部分是相互獨立的,可根據適宜的地理環(huán)境條件設計建設,而容量可通過增加電解液體積來實現。如邊遠地區(qū)以柴油機發(fā)電為主要電源,全釩液流電池可按需求來調節(jié)電網,實現輸出功率的穩(wěn)定。

　　電池系統(tǒng)可高速響應,高功率輸出。全釩液流電池充、放電可在很短的時間內完成,通過更換溶液,可實現電池的即時充電;通過電堆的不同組合,來提供不同的輸出電壓;負載變化時或放電深度增加時,可用附加電池維持輸出電壓恒定。

　　電池系統(tǒng)易于維護,安全穩(wěn)定。所有單電池的反應物不存在固相反應,容易保證電堆的一致性和均勻性;電池的電解液均置于相同的儲液罐中,每個電池的放電狀態(tài)是相同的;同樣,其工作溫度為室溫條件,所以電池系統(tǒng)是安全穩(wěn)定的。

　　電池壽命長，全釩液流電池沒有循環(huán)壽命問題，它的失效機制主要是電堆材料或輔機元件的老化。

　　kaiyun優(yōu)勢與特點

　　鈉硫電池具有較高的儲能效率(約89%),同時還具有輸出脈沖功率的能力,這一特性使鈉硫電池可以同時用于電能質量調節(jié)和負荷的削峰填谷調節(jié)兩種目的,從而提高整體設備的經濟性。與傳統(tǒng)的化學電池不同的是,鈉硫電池采用的是熔融液態(tài)電極和固體電解質,其中,負極的活性物質是熔融金屬鈉,正極活性物質是硫和多硫化鈉熔鹽,固體電解質兼隔膜的是一種專門傳導鈉離子的Al2O3陶瓷材料,電池外殼則一般用不銹鋼等金屬材料。圖4為鈉硫電池的原理圖。

　　鈉硫電池具有許多特點,其一是比能量高,是鉛酸電池的3～4倍;其二是可大電流、高功率放電。其放電電流密度一般可達200～300mA/cm2,瞬時間可放出其3倍的固有能量;其三是充放電效率高。由于采用固體電解質,所以沒有通常采用液體電解質二次電池的那種自放電及副反應。鈉硫電池也有不足之處,需工作溫度在300～350℃,所以,電池工作在充電狀態(tài)下需要一定的加熱保溫,在放電狀態(tài)下還需要良好的散熱設計;同時,其充電狀態(tài)只能用平均值計量,所以需要周期性的離線度量;此外,由于硫具有腐蝕性,電池的護體需要經過嚴格耐腐處理。圖5為鈉硫電池的結構圖。