新能源储能系统中的储能电池研究综述

马守安1 宋昱2

摘要：储能是提高电网对间歇性可再生能源发电接纳能力的有效技术，电池储能因其独特的性能已成为优先发展方向之一。文中简要介绍了锂离子电池、铅蓄电池、液流电池3种新型蓄电池技术的特点、应用现状和有待解决的关键技术。

关键词：储能；锂离子电池；铅蓄电池；液流电池

0 引言

目前，环境和能源问题越来越受到世界各国的高度重视。新能源发电因其对环境友好的特点而逐渐的替代传统能源的使用。但是由于可再生能源发电具有不可预见性，间断性和波动性，新能源技术在电能存储上存在着不可忽视的问题，采用新能源储能技术能够使间歇性、波动性很强的可再生能源发电过程变得可控，促进新能源的利用，保证新能源电力系统稳定运行。

1.储能技术概述

所谓“储能技术”便是运用某种介质或设备将暂时不用的能量储存起来，在需要的时候再放出来并加以利用的技术。根据其工作原理的不同，可将储能技术分为物理储能，化学储能和电磁储能。物理理储能已经得到了成熟的发展，已经在世界反范围内得到广泛应用。电磁储能是一种将电能转化成电磁能储存在电磁场的储能技术，主要有超导磁储能和超级电容器储能两种储能方式。化学储能不同于物理储能和电磁储能，主要是电化学储能，电化学储能的载体就是电池，如今电池储能备受关注，因为该系统可以解决可再生能源发电的问题，实现“高安全性、低成本、长寿命、环境友好”的目标。[1]

2储能电池的主要类型

  储能电池在储能过程中拥有足够兼容的应用条件，确保用户和企业的正常用电需求。其中最为典型的电池有锂离子电池，铅蓄电池，液流电池。

2.1锂离子电池

锂离子电池在电力储存领域正处于示范推广的阶段，日本早在1992— 2001年间联合多个研究机构和企业研发适合静态储能应用的锂离子电池技术，建立了一些千瓦级的示范系统。美国AES Storage公司安装了12 MW的锂离子电池储能系统，用于提供旋转备用、调频等辅助服务。中国国家电网公司和南方电网公司也均建立了兆瓦级的锂离子电池储能电站，开展相关示范研究。[2]

锂离子电池的储能原理如下（如图1）：锂离子电池由正负极，电解液和隔板构成。电解质电池在充电过程中，锂离子从正极脱落，进入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态。与之相反，电池在放电过程中。锂离子从负极脱嵌，经过电解液和隔板重新嵌入正极，此时正极处于富锂态，负极处于贫锂态。从而实现电能的存储与释放。[3]

锂电池在储能领域的的应用过程中具有危险系数小、可用时间长、能量密度高等优点，目前，小容量锂离子电池已广泛作为便携式设备的电源。锂离子电池也是目前相对成熟技术线路中能量密度最高的实用型电池。在我国新能源储能系统中的装机容量占比最大，发展也最为迅猛，具有较为完备的产业链。近年来，锂电池储能技术处于快速发展中，已形成大规模的生产建设并且实现了多场合应用。锂电池在新能源汽车领域被广泛应用。据2017年3月四部委联合印发的《促进汽车动力电池产业发展行动方案》中提出的2020年动力电池行业总产能超100GWh，形成产销规模40GWh以上的目标，截止2016年全国范围产能已扩大至70GWh，电池出货总量达30GWh，较产业规划目标仍有较大发展空间，锂电池在储能领域的应用将成为新的经济增长点。[4]

锂电池不同于传统储能电池的使用性能，在新能源电力系统能源转化中，具有较高的能源转化率，能够在短时间完成化学能量的电力转化。但锂离子电池也存在着单体电池一致性差，成本高等技术限制因素。所以，在近几年来锂离子电池储能技术快速发展的进程中，进一步提高锂离子电池的循环使用次数和安全性，降低使用成本成为其当前储能技术研究的关键。

2.2铅蓄电池

铅蓄电池是应用最为广泛的电池之一，从 2016 年到 2020 年，中国铅酸电池的产量 从 20 553万 kV•A•h 增长到 22 736 万 kV•A•h，到 2020 年，动力铅酸电池用铅量已经占全球铅消费量的25 %。它是一种酸性蓄电池，主要由正极、负极、隔板、电解液等构成。

铅蓄电池的储能原理如下：放电时，电解液即会与正、负极板上的活性铅类化合物产生氧化反应，生成硫酸铅，电解液酸性浓度降低。这一过程是将化学能转换为电能的过程。反之，放电时产生的硫酸铅在充电时被还原为硫酸、铅以及二氧化铅，电解液的酸性浓度升高，从而完成了能量的存储与利用。

铅酸电池作为跟随交通工具一起移动的动力电池，相对于锂离子电池，比能量、比功率较低是其劣势。[5]铅酸电池原料丰富、制造工艺成熟、价格低廉、性能安全可靠，已应用在通信、交通、电力等多个领域[6]。所以，尽管在储能电池迅速发展的大环境下，作为传统储能电池的铅蓄电池在一些特定的场合中仍然发挥着不可替代的作用。

相较其他电池储能技术，铅蓄电池凭借着低廉的成本和高度成熟的产业水平已经在混合动力电动汽车、可再生能源接入、削峰填谷和智能微电网等领域得到应用，相信随着铅炭电池的逐渐成熟，该项储能技术必将成为理想储能技术的选择之一。[7]南都电源是国内最早开始铅炭电池研发的企业，两度获得国际先进铅酸电池联合体ＡＬＡＢＣ的项目资助。现在，南都铅炭技术己经发展到第二代，循环寿命可达８０００次。截止目前，南都电源累计投运及在建储能项目容量超过ｌＯＯＯＭＷｈ，铅炭电池的性能得到了充分验证。

2.3液流电池

如今，液流电池储能技术仍处于发展初期，液流电池(FlowRedoxBattery)或称氧化还原液流蓄电系统，最早由美国航空航天局(NASA)资助设计，1974年由ThallerH．L．公开发表并申请了专利。最早使用这种电池技术的是澳大利亚新南威尔士大学，当前在国内外的一些试点工程项目中获得了应用。液流电池的储能原理如下：液流电池的活性物质可溶解分装在两大储存槽中，溶液流经液流电池，在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原与氧化反应。此化学反应为可逆的，因此可达到多次充放电的能力。液流电池具有快响应、高输出、充放电转化效率高、自放电率低、能量密度低的特点，主要应用在备用电源、削峰、能量管理、再生能源集成等方面。我国液流钒电池的研究始于20世纪8O年代末，与国外相比起步较晚，但是在国家的政策支持下技术发展较快。[11]]流电池领域应用最为广泛的是全钒液流电池，加拿大最先开始研究全钒液流电池，目前建安大和日本在该电池的商业化上面做了大量工作，中国的河北张北地区也有全钒液流电池的储能系统。钒资源在中国的储藏量是十分丰富的，这也是全钒液流电池大规模开发的有利条件，但目前成本非常昂贵，不具备产业化规模，并且电池的转换效率和稳定性也需要提高。

结语

当前储能技术研究的关键点在于锂离子电池和液流电池等新型储能电池，但传统储能电池依然有着一定的地位。不同储能电池的工作方式不同，储能电池的特点也不尽相同。比如锂离子电池使用寿命长，但存在一定的危险性，铅蓄电池循环使用寿命较短，但其稳定可靠的性能依然备受关注，不过其在工作过程产生的一定有毒物质也是不可忽视的。所以，用电单位和企业需根据实际情况和电池的特点，在新能源电力系统中选取最合适的储能电池，从而保证电力系统稳定且有安全的运行，为企业创收，为国家的新能源电力行业发展做贡献。

参考文献：

[1]于国鼎, 郎巍, 宋兵兵. 基于可再生能源发电的电池储能系统研究[J]. 中国科技期刊数据库 工业C, 2015(20):3.

[2]丁明, 陈忠, 苏建徽,等. 可再生能源发电中的电池储能系统综述[J]. 电力系统自动化, 2013, 37(1):8.