儲(chǔ)能電池種類介紹2

3 能量存儲(chǔ)系統(tǒng)

本節(jié)回顧全部?jī)?chǔ)能形式的結(jié)構(gòu)，電能轉(zhuǎn)換過程，性能特點(diǎn)，應(yīng)用的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

3.1 機(jī)械存儲(chǔ)系統(tǒng)

機(jī)械存儲(chǔ)系統(tǒng)（MSS）通常用于發(fā)電過程。三個(gè)典型的機(jī)械儲(chǔ)能系統(tǒng)包括抽水蓄能（PHS），壓縮空氣儲(chǔ)能（CAES），以及飛輪儲(chǔ)能（FES）。應(yīng)用最廣的MSS是PHS，用于抽水電站。在水量大的季節(jié)，將一部分水泵送到高處，儲(chǔ)存水勢(shì)能，利用水自高而低的勢(shì)能，帶動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。這個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)貢獻(xiàn)了世界大約99％的電力存儲(chǔ)容量，大約是全球發(fā)電容量的3％ [34]。CAES，壓縮空氣與天然氣混合，膨脹，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成混合氣體，輸送到燃?xì)鉁u輪發(fā)電機(jī)以產(chǎn)生電力 [35] 。CAES的實(shí)時(shí)需要等溫、絕熱和非絕熱儲(chǔ)存系統(tǒng) [33]。CAES適用于大容量電力生產(chǎn)。

3.1.1 飛輪儲(chǔ)能

由于電力電子和材料工程的進(jìn)步，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)（FES）適用于電動(dòng)汽車和動(dòng)力系統(tǒng)[36]。能量效率在90-95％和功率規(guī)模0-50 MW [36 - 43] 。飛輪系統(tǒng)包括在腔室中旋轉(zhuǎn)的圓柱形本體，聯(lián)接軸承，以及能量傳遞裝置，發(fā)電機(jī)/電動(dòng)機(jī)一起安裝在一個(gè)共同的軸上[15,30,36,37] 。保持飛輪不斷旋轉(zhuǎn)的能量被轉(zhuǎn)換成推動(dòng)傳動(dòng)裝置的電能。

圖4. 基本FES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)：（a）兩個(gè)機(jī)械系統(tǒng)和（b）雙向能量流 的單一機(jī)械系統(tǒng) [30,33] 。

圖4示出了雙向能量流和一個(gè)機(jī)系統(tǒng)的的基本FES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式[30,33] 。飛輪上的能量都是以動(dòng)能的形式存在的，由公式（1）定義如下：

其中E是動(dòng)能，I是慣性矩，ω，m和r分別是飛輪的速度，質(zhì)量和半徑。

從公式（1）可以看出，該能量可以通過增加飛輪的慣性或轉(zhuǎn)速增加。FES系統(tǒng)的主要優(yōu)點(diǎn)是高的能量和功率密度，理論上無限的充電和放電循環(huán)，成本低，壽命長(zhǎng)，并且沒有放電（DOD）的深度影響 [33,36,37] 。但是，由于風(fēng)阻和軸承摩擦損失，F(xiàn)ES具有很高的自放電特性。FES可以分成高速和低速系統(tǒng)[36 - 39]。高速FES系統(tǒng)通過發(fā)電機(jī)傳輸能量來驅(qū)動(dòng)負(fù)載，而低速FES系統(tǒng)通過電機(jī)接收來自電源的電能。先進(jìn)的材料技術(shù)、設(shè)計(jì)、幾何形狀、構(gòu)建先進(jìn)的超高速飛輪（UHSF）和無摩擦軸承[36 - 39]，F(xiàn)ES系統(tǒng)被應(yīng)用于混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能應(yīng)用[40-43]。

3.2 電化學(xué)儲(chǔ)存系統(tǒng)

所有傳統(tǒng)的可再充電電池都屬于電化學(xué)存儲(chǔ)系統(tǒng)（EcSSs）[44]，特別地指，液流電池（ FB ）和次級(jí)充電電池 EcSSs 。在 EcSSs ，能量從電到化學(xué)能 ， 反過來再?gòu)幕瘜W(xué)能到電能，能量效率高，物理變化小[44] 。但是，化學(xué) 反應(yīng)可能會(huì) 損耗電池壽命，消耗部分能量 [45] 充放電過程 ，沒有 有害的輻射和維護(hù)工作量小[46]。

3.2.1 液流電池（FB）

FB是可充電的，在FB中，能量?jī)?chǔ)存在電活性物質(zhì)中。電活性物質(zhì)溶解在罐中的液體電解質(zhì)中，通過電池將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，再將液體泵出反應(yīng)室。氧化還原流（RFB）和混合流（HFB）是FB的具體實(shí)施方式[30] 。 RFB 罐的總大小 反應(yīng)出電池的總能量的多少[30] 。

RFB表現(xiàn)出高的生命周期穩(wěn)定性，高效率，靈活 的功率和容量要求 ，這使 液流電池在自主 和獨(dú)立電網(wǎng)系統(tǒng)中得到應(yīng)用[47] 。圖5 顯示了 釩RFB（VRFB）的 結(jié)構(gòu)[47]。在VRFBs中，兩種液體帶有溶解的金屬離子的電解質(zhì)被泵送到電池塔里面反應(yīng)。多孔電極，稱為陰極和陽極，通過膜分離彼此分隔，電能傳遞過程，只允許質(zhì)子通過隔膜。在充電時(shí)，活性物質(zhì)在電極表面反應(yīng)產(chǎn)生電流；放電期間，溶解的活性物質(zhì)從反應(yīng)罐提供電荷給電極 [30] 。RFB的典型實(shí)例是鐵-鈦，鐵-鉻，以及聚S-溴系統(tǒng) [48 - 50] 。參考文獻(xiàn)提供了幾種RFB模型[48 -50] 。

圖5釩氧化還原液流電池系統(tǒng)[47] 。

HFB有兩個(gè)富于活性物質(zhì)的部分; 一個(gè)存儲(chǔ)在電池中，另一個(gè)留在槽中的液體電解質(zhì)中。HFB電池是二次電池（SB）和RFB的組合。在RFB中，容量是通過電化學(xué)電池的尺寸定義。HFB遵循Zn-Ce和Zn-Br體系特性。在充電時(shí)，鋅被沉積在電極上，并在放電過程中，鋅離子流回到溶液[30] 。FB預(yù)期壽命15-20年，4 – 10h放電范圍，和60 -70％E FFI ciency 效率范圍[51]。目前，RFB和HFB正在設(shè)計(jì)用于社區(qū)能源存儲(chǔ)和公用事業(yè)規(guī)模應(yīng)用的電力存儲(chǔ)，用于提高電能質(zhì)量，UPS，調(diào)峰，增加供電安全以及與可再生能源系統(tǒng)集成[52,53 ]。

3.2.2 二次（可充電）電池

SBs主導(dǎo)著便攜式儲(chǔ)能設(shè)備市場(chǎng)，電動(dòng)汽車和其他電力和電子應(yīng)用。這些電池以化學(xué)能的形式儲(chǔ)存電力，并通過電化學(xué)反應(yīng)過程產(chǎn)生電力[30]。通常，SB由兩個(gè)電極組成，即陽極和陰極; 電解質(zhì)、隔膜 和一個(gè)外殼[24,32,53]。SB具有良好的特性，如高能量，高功率密度，平坦的放電曲線，低電阻，無記憶，和寬范圍的溫度性能[24] 。但是，大多數(shù)電池含有有毒物質(zhì)。因此，電池處置過程中的生態(tài)影響必須考慮[54]。由于其先進(jìn)的技術(shù)和合理的成本，在EV應(yīng)用中，主要由蓄電池提供具有高能量密度，高功率密度的蓄電系統(tǒng) [55-58] 。各種類型的電動(dòng)車主要包括鉛酸（LA），鎳基（Ni-Fe，Ni-Zn，Ni-Cd，Ni-MH，Ni-H 2），鋅 - 鹵素（Zn-Cl 2，Zn-Br 2），金屬空氣基（Fe-Air，Al-Air，Zn-Air），鈉-β（Na-S，Na-NiCl 2），高溫鋰（Li-Al-FeS ，Li-Al-FeS 2）和一般環(huán)境鋰[鋰聚合物（鋰聚合物），鋰離子（鋰離子）]電池[14,30,45]。

3.2.2.1 鉛酸電池。自1860年以來，鉛酸電池一直被用作商業(yè)能源 [45]。LA電池常見的用法是每臺(tái)內(nèi)燃機(jī)（ICE）車輛起動(dòng)電源，由于其堅(jiān)固耐用，運(yùn)行安全，溫度耐受性好和低成本，通?？捎糜趹?yīng)急電源，可再生能源儲(chǔ)存和電網(wǎng)調(diào)峰 [15,30]。電池由Pb作為負(fù)極，PbO2 作為正極，H2SO4 作為電解質(zhì)[14,58]。發(fā)生在LA電池中的電化學(xué)反應(yīng)，如方程 （2）。

圖6顯示了放電和充電過程中的LA化學(xué)特征。在放電期間，產(chǎn)生PbSO4，在充電時(shí)水被釋放。電池日歷壽命6 - 15年，在80％DOD最多2000的循環(huán)壽命， 70 - 90％充放電效率[14,30] 。起動(dòng)點(diǎn)火（SLI）電池和UPS電池是LA電池的常見應(yīng)用，具有較小的額定電壓6V,8 V和12 V [58,59]。最近，閥控式LA（VRLA）由于其高功率，低的初始成本和快速充電能力，無需保養(yǎng)的要求[14] ，已經(jīng)成為鉛酸電池的主流。目前的研究主要集中在通過先進(jìn)VRLA電池材料，降低電池的尺寸和重量，保持高能量密度方面[60,61]。普通VRLA電池包括玻璃纖維電池（AGM）和GEL電池。

圖 6. 鉛酸電池化學(xué)：（ a ）放電期間，（ b ）充電期間和（ c ） LA 電池原型 [14,30] 。

AGM電池由含有玻璃纖維的電解液組成，該電解液是一種固體材料，可以吸收并容納酸液而不會(huì)泄漏。這些類型的電池體積小巧，占用空間少，抗振性比標(biāo)準(zhǔn)電池高。這種電池類型的特殊之處在于它在充電過程中將氫氣和氧氣重新結(jié)合到裝置內(nèi)部的水中，從而限制了水的損失 [45,58] 。GEL電池由凝膠態(tài)電解質(zhì)制成，其不完全固態(tài)電解質(zhì)形態(tài)，可以包含酸液而沒有泄漏。與其他電池相比，GEL電池需要較慢且可控的充電。然而，凝膠電解質(zhì)可能會(huì)出現(xiàn)氣泡問題，這可能造成電池的永久損壞 [58 - 61] 。

3.2.2.2 鎳基電池。

鎳基電池利用氫氧化鎳作為正極，負(fù)極材料。根據(jù)有多種。根據(jù)負(fù)極材料額種類不同，鎳基電池可以分為：鎳-鐵，鎳-鎘，鎳-鋅，鎳氫，和Ni-H2 [3,14,30,45,62] 。通常，在鎳基電池中，活性材料羥基氧化鎳作為正極，氫氧化鉀作為電解質(zhì)，金屬Fe/Cd/Zn，MH或H2 材料作為負(fù)極 [14]。發(fā)生在鎳基電池中的整體電化學(xué)反應(yīng)式（3）：

圖7顯示了放電和充電過程中鎳基電池的化學(xué)成分。在放電和充電時(shí)，形成Ni（OH）2 和Fe/Cd/Zn（OH）2，M可以有不同成分組成。鎳-鐵和鋅電池，之所以不太實(shí)用于電動(dòng)汽車，是由于它們功率性能低，成本高，循環(huán)壽命短，和維護(hù)需求高[14] 。的Ni-Fe和Ni-Zn系電池能量效率75％左右。鎳鎘和金屬氫化物目前用于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)汽車，因?yàn)樗鼈兙哂泻芨叩膲勖芷冢?000次或更多）和能量密度。然而，鎳鎘具有高的記憶特性，并且價(jià)格高，是LA電池的10倍以上 [14,62 -67]。雖然這種類型電芯的所有鎳基電池中全部的優(yōu)點(diǎn)，需要考慮回收問題和材料有毒性問題 [64 - 67]。與此相反，鎳氫具有低記憶效應(yīng)，微小的環(huán)境影響性，和大的工作溫度范圍[14,30,45,62] 。盡管在運(yùn)行過程中產(chǎn)生熱量，并且需要復(fù)雜的算法和昂貴的充電器，但環(huán)境友好性和其免維護(hù)性確保了鎳氫電池比電源電池更適用于電動(dòng)汽車[14] [3]。Ni-H2具有高容量率，長(zhǎng)壽命周期，并且容忍過度充電或過度放電而不受損害。然而，這種類型電池價(jià)格昂貴，具有與H2 壓力成正比的自放電，低體積能量密度，是特別為太空探測(cè)生產(chǎn)的電源類型[45,62]。

圖 7. 鎳基電池化學(xué)。（ a ）放電期間，（ b ）充電期間，和（ c ）鎳基電池原型 [14,30,45,62] 。

3.2.2.3 鋅鹵電池。

鋅鹵電池包括Zn-Cl2 和Zn-Br2，這些電池在EV能源存儲(chǔ)方面是可行的。1970年開發(fā)了用于電動(dòng)汽車和靜態(tài)儲(chǔ)能的Zn-Cl2 [14]。Zn-CL2能量密度約90Wh/ L，功率密度約60瓦/千克。Zn-Br2電池適合用于EV能量?jī)?chǔ)存，其能量密度70瓦時(shí)/千克，具有快速充電能力，和低的材料成本 [14,45,70,71]。然而，這種電池類型由于具有較低的比功率（90 W / kg），溴的高反應(yīng)性以及電解液循環(huán)和溫度控制系統(tǒng)尺寸較大，因此近年來在EV中的應(yīng)用已經(jīng)很少[14,45,70]。仍然有研發(fā)正在推進(jìn)用于車輛的Zn-Br2 電池 [71]。Zi-Br2 電池的整體電化學(xué)反應(yīng)用方程 （4）。

在Zn-Br2電池，能量通過Zn和Br組成的系統(tǒng)的電化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行存儲(chǔ)和放出，該系統(tǒng)由如下部分組成：鋅，溴，鋅溴水溶液電解質(zhì)和電解質(zhì)存儲(chǔ)裝置和微孔塑料的隔膜。圖8顯示了Zn-Br2電池系統(tǒng)[14,45]。在該系統(tǒng)中，鋅溴溶液的電解液通過泵在兩個(gè)電極之間循環(huán)。在充電時(shí)，反應(yīng)在負(fù)極上沉積鋅而在正極上沉積溴；而在放電期間，在其各自的電極上形成鋅離子和溴離子。

Fig. 8. Zn-Br2 電池系統(tǒng) [14,45]

3.2.2.4 金屬空氣電池。

金屬電極作為陽極，從取之不盡空氣供應(yīng)氧氣作為陰極 [30,45,72 - 76] 。在金屬空氣電池中，鋰，鈣，鎂，鐵，鋁，和Zn被用作陽極的金屬 [72 - 76] 。在這些元素中，鋰-空氣（Li-空氣）電池是最具EV應(yīng)用前景的。因?yàn)樗睦碚撃芰棵芏确浅８撸?1.14kWh /kg，不考慮空氣，它的比能量超過其他類型電池的100倍以上 [30,74,77-80] 。然而，這種類型電池的起火風(fēng)險(xiǎn)很高，含有水汽的空氣就可能造成起火 [30]。

鈣-空氣（CA-空氣）電池具有高能量密度，但它容量衰減非常快，并且比較昂貴[72] 。通常，鎂-空氣（MG-空氣）電池具有高比能量700Wh kg，設(shè)計(jì)用Mg合金取代Mg單質(zhì)，在海底車輛上應(yīng)用[45] 。電化學(xué)的可充電鐵-空氣（鐵-空氣）電池具有低的比能量75Wh/ kg和與其它金屬-空氣電池相比更低的成本 [45,72,73]。其全壽命周期成本較低，并且活性材料或形狀不會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間的電氣循環(huán)而變形[45,73]。

鋁空氣（鋁-空氣）電池具有高比能量，端電壓，和安培-小時(shí)容量。然而，由于放電期間的水消耗，這些優(yōu)點(diǎn)減少[45,72]。鋁空氣電池可機(jī)械充電，利用水系電解質(zhì)，在沒有條件電氣充電的環(huán)境，每次放電后更換鋁電極即可實(shí)現(xiàn)充電 [45]。先進(jìn)的Al -空氣電池技術(shù)用的鋁合金制造電極，以避免腐蝕，并且在大的電流密度范圍內(nèi)可以獲得98％或以上的庫(kù)侖效率[46] 。這種類型的電池通常用于為船舶或水下車輛提供動(dòng)力。鋁氧（Al-O2）電池也可以在其他形式下使用，Al-O2 的輔助使得氫-FC 電池獲得了幾乎雙倍的比能量[45,72-76] 。

鋅空氣（鋅空氣）電池在技術(shù)上是可行的。該電池具有多種FC和常規(guī)電池的特性，并且可以進(jìn)行電氣和機(jī)械充電。鋅-空氣電池的反應(yīng)速率是通過改變氣體流量實(shí)現(xiàn)的[30,45,72-74,81,82] 。先進(jìn)的可充電鋅空氣電池使用雙功能空氣電極以獲得更好的使用壽命，并且可機(jī)械充電的鋅空氣電池的設(shè)計(jì)方式可以更換放電陽極以避免形變[45,81,82 ]。高性能應(yīng)用中，設(shè)計(jì)考慮利用鋅-空氣電池的高比能量特性，和LA 電池的高功率特性，構(gòu)成鋅-空氣混合LA電池存儲(chǔ)系統(tǒng)[45,81,82] 。

圖9 顯示了在放電和充電過程中鋅-空氣電池的化學(xué)成分。在放電時(shí)，鋅電極通過釋放電子而被氧化，并且空氣電極產(chǎn)生氫氧根離子。在電池充電過程中，鋅沉積在鋅電極上，氧氣釋放到空氣電極中 [83] 。

圖 9. 鋅空氣電池化學(xué)成分：（ a ）放電期間，（ b ）充電期間和（ c ）鋅空氣電池原型 [83] 。

總體而言，金屬-空氣電池，因?yàn)樗鼈兊牡筒牧铣杀竞透咝阅埽瑸榭稍俪潆姷碾娔艽鎯?chǔ)應(yīng)用提供了一種選擇[61,73] 。在金屬 - 空氣電池中，整體電化學(xué)反應(yīng)在方程 （5）。

其中Me是金屬，例如Li，Ca，Mg，F(xiàn)e，Al和Zn; n是取決于金屬氧化的價(jià)態(tài)變化的值。