廉嘉麗，王大磊，顏 杰，王康麗，程時杰，蔣 凱,

(1.華中科技大學 材料成型與模具技術國家重點實驗室，武漢 430074；2.華中科技大學 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，武漢 430074)

電力儲能領域鉛炭電池儲能技術進展

廉嘉麗1，王大磊2，顏 杰1，王康麗2，程時杰2，蔣 凱1,2

(1.華中科技大學 材料成型與模具技術國家重點實驗室，武漢 430074；2.華中科技大學 強電磁工程與新技術國家重點實驗室，武漢 430074)

為了緩解能源和環(huán)境危機，我國大力發(fā)展可再生能源發(fā)電和智能電網技術。然而，利用風能、太陽能等可再生能源發(fā)電會不可避免地遭受外部環(huán)境的干擾，使其輸出功率呈現(xiàn)周期性、間歇性和波動性等特征，容易造成系統(tǒng)電能質量過低甚至安全性問題，難以滿足負荷側的用電需求［1］。借助電池儲能技術，不僅能夠增強電網消納可再生能源的能力，還能夠減小負荷峰谷差，降低供電成本，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，預防用戶停電，最終實現(xiàn)電力需求側的有效管理［2］。因此，電池儲能技術在大規(guī)模儲能領域具有強大的應用潛能。

目前電化學儲能分為鉛酸電池、鉛炭電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池等幾大類型［3］。其中鉛酸電池因其歷史悠久、工藝成熟和成本低廉，在儲能系統(tǒng)中應用廣泛［4］。鉛酸電池儲能系統(tǒng)最初建立于德國，成功實現(xiàn)電力調峰和電網調頻；美國自1987年以后陸陸續(xù)續(xù)在各州建立起十幾個不同規(guī)模的鉛酸電池儲能系統(tǒng)，分別用于削峰填谷，改善電能質量，提高能源利用率，充當后備電源等方面。中國在河北省張北縣和溫州市洞頭縣也建成2個鉛酸電池儲能系統(tǒng)，提高電網可靠性并加強需求側能量管理。

電網等儲能應用場合在系統(tǒng)安全性、可靠性和用戶側需求方面具有特定的標準，這就對所用電池的功率密度、使用壽命和成本提出了較高的要求。鉛酸電池容易產生正極板腐蝕，負極硫酸鹽化等現(xiàn)象，導致其循環(huán)壽命較短，嚴重限制了電池在分布式發(fā)電、電動汽車等儲能領域的應用和發(fā)展［5］。而與鉛酸電池相比，鉛炭電池的比功率、循環(huán)性能和倍率性能均有顯著提高，意味著其在儲能市場擁有巨大的潛力［6］。

1 鉛炭電池的出現(xiàn)背景和原理

1859年，法國的G.plante首次發(fā)明制備了鉛酸蓄電池，迄今已有160年的發(fā)展歷史。鉛酸電池由于具有工藝成熟、成本低廉、回收利用率高和自放電低等優(yōu)點，目前在市場中占據(jù)一半的比例。但是，在高倍率部分荷電狀態(tài)下鉛酸電池負極存在嚴重的硫酸鹽化現(xiàn)象，這將導致電池循環(huán)壽命縮短，嚴重制約其發(fā)展［7］。

超級電池的重要意義在第12屆亞洲蓄電池會議中被重點強調，引起各界人士的廣泛關注［8］。超級電池其實是將鉛酸電池的負極與超級電容器的負極以“內并”的形式結合起來形成的一種新型儲能設備，其兼?zhèn)溷U酸電池和超級電容器的優(yōu)點，結構原理圖如圖1所示［9］。

圖1 超級電池結構原理圖［9］

由于超級電池的廣受關注，鉛炭電池開始進入人們的視野。鉛炭電池是通過“內混”的方式把碳材料加入鉛酸電池負極板而形成的一種新型儲能電池，其結構原理圖如圖2所示。

圖2 鉛炭電池結構原理圖

2 鉛炭電池的性能研究

大規(guī)模儲能對電池具有多方面的要求，例如：經濟性能、安全性能、循環(huán)壽命、可規(guī)?；潭鹊?。表1對比了常見的鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池等的各方面性能。從表1中可以看出，相比于其他電池，鉛酸電池在安全性能，可規(guī)模化程度和經濟性能方面具有一定的優(yōu)勢，但是循環(huán)性能還有待進一步的提升。

表1 不同儲能產品的綜合性能比較

鉛炭電池的循環(huán)壽命和經濟性能均在鉛酸電池的基礎上顯著增強。下面將重點研究探討鉛炭電池的相關性能。

2.1 安全性能

在電池大規(guī)模應用的過程中，電池的安全性能至關重要?，F(xiàn)在，不論是在移動數(shù)碼產品、混合動力電動汽車還是大規(guī)模儲能系統(tǒng)領域，鋰離子電池均熱度不減，但是其安全性能確令人擔憂。2016年至2017年間，兩大手機生產商蘋果和三星均因鋰離子電池的安全問題遭受經濟和名望的雙重損失。其中蘋果公司召回8萬臺iPhone6s，而三星電子因Note7電池爆炸問題直接損失了60億美元。對比之下，鉛酸電池因歷史悠久，工藝成熟等因素，在安全性能方面更勝一籌?；阢U酸電池研究的深厚根基，鉛炭電池逐步得到發(fā)展，其制備工藝與鉛酸電池相同。因此，就電池安全而言，鉛炭電池在各種儲能產品中具有突出表現(xiàn)。

2.2 經濟性能

度電成本是衡量儲能技術發(fā)展前景的重要指標。圖3展示的是不同儲能技術的度電成本。其中FCP鉛炭電池的度電成本僅需0.5元/kWh，而傳統(tǒng)鉛酸電池和鋰電池的度電成本分別為1.75元/kWh和1.5元/kWh，遠遠超過鉛炭電池。雖然抽水蓄能的度電成本低于鉛炭電池，但因其工期較長，能源浪費嚴重，不利于社會資源的優(yōu)化配置。隨著儲能系統(tǒng)的發(fā)展和應用，F(xiàn)CP鉛炭電池的度電成本有望降低至0.4元/kWh，與抽水蓄能達到持平狀態(tài)。目前工商業(yè)用戶安裝儲能系統(tǒng)主要緣于節(jié)省電費，如果安裝FCP鉛炭電池系統(tǒng)，以峰谷電價套利作為唯一盈利點，假設峰谷電價差大于0.8元/kWh，則5年時間即可回收成本，這一優(yōu)勢促進了鉛炭電池儲能系統(tǒng)在需求側的市場化應用。

圖3 不同儲能技術度電成本對比

2.3 循環(huán)壽命

D G Enos等［11］探討了部分荷電工況下鉛酸電池和鉛炭電池的循環(huán)性能，如圖4所示。結果表明，鉛炭電池在部分荷電狀態(tài)下循環(huán)壽命能夠達到8 000多次，遠遠超過了鉛酸電池。

圖4 標準鉛酸電池和鉛炭電池的初始容量-循環(huán)壽命曲線［11］

南都電源的鉛炭電池生產水平處于世界領先地位，其與ALABC聯(lián)盟合作進行鉛炭電池的研發(fā)測試，測試結果如圖5所示。當電池電壓逐步衰減至預先設置的電壓值時，即可認定其失效。從圖5中可以看出，處于高倍率部分荷電狀態(tài)下的鉛炭電池的循環(huán)壽命高于鉛酸電池3~4倍。

圖5 在高倍率部分荷電狀態(tài)下鉛酸電池和鉛炭電池的循環(huán)壽命

圣陽股份和日本古河公司研發(fā)的FCP鉛炭電池在70%放電深度（depth of discharge,DOD）狀態(tài)下可以循環(huán)4 200圈，即使將其用在儲能系統(tǒng)中，高壓電池組（600 V）循環(huán)壽命也高達3 500次。然而鋰離子電池在80%DOD狀態(tài)下高壓電池組（600 V）能夠循環(huán)至2 000次已屬不易。綜上所述，鉛炭電池在儲能系統(tǒng)中克服了鉛酸電池循環(huán)壽命短的缺點，為其成為儲能主流技術奠定基礎。

2.4 比能量和比功率

Tom Hund等對超級電池和閥控式鉛酸電池在高倍率部分荷電狀態(tài)下的比能量和比功率進行了研究［12］，結果如圖6所示。從圖6中可以看出，與鉛酸電池相比，超級電池的比能量和比功率均有一定程度的提升，最大比功率顯著增加。這一結果表明與鉛酸電池相比，超級電池的高倍率充放電性能得到了顯著改善。

圖6 超級電池和鉛酸電池比能量和比功率［12］

3 鉛炭電池在電網儲能中的研究現(xiàn)狀

由于鉛炭電池在安全性、經濟性和循環(huán)壽命等方面展現(xiàn)出優(yōu)異的性能，使其在混合動力電動汽車、可再生能源接入、削峰填谷、智能微電網和需求側管理等領域得到國內外人士的廣泛關注。

美國聯(lián)邦運輸管理局在公共汽車項目中更是創(chuàng)新性地將鉛炭電池與燃料電池結合應用，結果顯示混合動力電池能量較大且能實現(xiàn)節(jié)能減排［13］；美國Axion公司將鉛炭電池應用到海軍陸戰(zhàn)隊的戰(zhàn)車中［14］；美國AEP電力公司不斷致力于鉛炭電池模塊的開發(fā)，其中HES340型和FES370型已經在太陽能、風能、峰谷電網儲能等領域得到廣泛應用［15］。近些年，美國也在大力發(fā)展鉛炭電池電網級儲能系統(tǒng)。2011年，美國能源局投資254萬美元發(fā)展北美地區(qū)電網級鉛炭電池儲能項目，其容量達3 MW/1.4 MWh，用于電網輔助能量存儲、頻率調節(jié)和能源需求管理。之后美國在Oahu.HI和Maui.HI分別建立了容量為15 MW/10 MWh和10 MW/20 MWh的鉛炭電池風電儲能系統(tǒng)。美國新墨西哥州的Clovis將先進鉛炭電池儲能技術應用于北美超導體輸電，該輸電系統(tǒng)是通過3個AC/DC換流站和超導體輸電線路把東西互聯(lián)系統(tǒng)和德克薩斯電力系統(tǒng)聯(lián)系起來，鉛炭電池儲能系統(tǒng)在該項目中達到穩(wěn)定風能發(fā)電、削峰填谷的作用。

在澳大利亞，一個3 MW/1.6 MWh的鉛炭電池儲能系統(tǒng)被投入到King島項目中，保證新能源接入發(fā)電，此外還將鉛炭電池技術融入到Hampton風電場項目以保證風機功率平滑輸出；日本Suzuki電池公司的鉛炭電池儲能電動汽車已經可以進行商業(yè)化生產；哥倫比亞、南極洲等地區(qū)也紛紛建立起了以鉛炭電池技術為核心的儲能系統(tǒng)。

目前我國的鉛炭電池技術大幅度提高并已躋身國際前列。南都電池與國際鉛酸電池先進研發(fā)組織ALABC共同進行鉛炭電池的探索，南都鉛炭電池的循環(huán)壽命能達到普通儲能產品的5倍以上，充電接受能力也顯著提升了40%左右，達到世界先進水平，目前該電池在我國河北、青海、西藏、浙江等省的14個微網儲能項目中均有應用。圣陽電源與日本古河電池共同開發(fā)出了一款FCP鉛炭電池，其度電成本接近抽水蓄能，并且具有優(yōu)異的循環(huán)性能和成組性能，由此構建了經濟性能良好的儲能系統(tǒng)，極大地推動了我國儲能系統(tǒng)的商業(yè)化應用。同時，與鉛炭電池相關的儲能工程示范項目也在我國快速建成。南都將鉛炭和鋰電混合儲能系統(tǒng)應用于2 MWh的光儲一體化微網儲能電站，以達到削峰填谷、平滑功率和預防停電的目的，使我國位處偏遠地區(qū)的人們可以享受到平穩(wěn)、持續(xù)的用電。南都電源與清華大學和北京四方聯(lián)合開發(fā)了鉛炭電池儲能系統(tǒng)，并將其應用于內蒙古風電移動儲能電站，實現(xiàn)了風電在電網中的平滑接入。新疆吐魯番工程作為我國首個微電網示范工程，采用了鉛炭電池儲能系統(tǒng)，該項目的成功應用可以使2萬多居民享受優(yōu)質電能。

4 鉛炭電池的機遇與挑戰(zhàn)

近幾年儲能技術已成為電網發(fā)展的瓶頸。隨著電力體制的深入改革，用戶側分布式儲能應用也迅速發(fā)展，為儲能市場帶來機遇。目前三星陽光、南都電源、中航鋰電、欣旺達等諸多公司都對儲能開展了大規(guī)模的投資與研發(fā)。我國也紛紛出臺系列規(guī)定強調儲能行業(yè)的重要性。國家能源局發(fā)布的《關于促進儲能技術與產業(yè)發(fā)展的指導意見（征求意見稿）》中對儲能產業(yè)的發(fā)展目標進行了明確說明：首先加大儲能系統(tǒng)示范項目的建設和核心技術的研發(fā)，使我國儲能技術躋身世界先進水平；其次廣泛應用和發(fā)展儲能項目，帶動能源領域經濟增長，在國際市場中具備一定的競爭力。因此，2017年將會是儲能市場走向爆發(fā)的關鍵節(jié)點，各類儲能技術必然都會迎來發(fā)展的黃金時期。

鉛炭電池雖然優(yōu)點顯著，但也存在一些問題，只有改進這些問題才能在眾多的儲能技術中脫穎而出。下面將對此逐一說明。

（1）碳材料的種類和添加量尚不明確。不同碳材料由于粒徑、比表面積、孔隙率和導電性等不同，在鉛炭電池中發(fā)揮的作用也不相同，但是目前對于這些因素的影響效果仍然沒有明確的定論，需要深入的探索。然而對于同樣的碳材料，生產地、廠商不同也可能帶來不同的效果。因此篩選合適的負極碳材料種類對于改進鉛炭電池技術而言至關重要。目前對于碳材料的添加量也沒有統(tǒng)一的定論，碳材料添加量過少則達不到提升鉛炭電池性能的效果，添加量過多又會降低電池的容量和能量密度等。因此探索碳材料的最優(yōu)添加量也是目前亟待解決的問題。

（2）負極析氫反應縮短電池循環(huán)壽命。在鉛炭電池負極中加入低析氫過電位的碳材料會引發(fā)充放電過程中負極劇烈的析氫反應，導致電解液干涸，電池循環(huán)壽命縮短。針對這一問題可以通過摻雜N、P等元素對碳材料進行表面改性或者在電解液或負極材料中添加高析氫過電位的析氫抑制劑達到抑制析氫的效果，從而延長電池循環(huán)壽命［16］。

（3）工藝有待進一步優(yōu)化。王富茜等研究者認為鉛炭電池目前在工藝過程中存在一些問題［17］，比如：碳材料密度遠遠小于鉛粉，兩者的結合將增加負極板孔隙率，導致極板發(fā)生不同程度的氧化行為；碳材料與活性物質鉛混合不均勻影響涂膏的穩(wěn)定性等，因此需要進一步優(yōu)化鉛炭電池合成工藝，完善電池性能。

（4）鉛炭電池污染問題尚未解決。鉛炭電池和鉛酸電池負極含有大量的重金屬鉛，會對環(huán)境造成嚴重的污染。我國現(xiàn)在已經加大對鉛炭電池的回收力度，但是回收再利用率目前仍與西方發(fā)達國家有一定的差距，因此應盡快完善對鉛炭電池的回收體系。

（5）度電成本有待進一步降低。目前圣陽電源生產的FCP鉛炭電池的度電成本最低為0.5元/ kWh，但是有望進一步優(yōu)化至0.4元/kWh，增強鉛炭電池的經濟性能。

5 結論

鉛炭電池是一種集超級電容器和鉛酸電池的優(yōu)勢為一體的新型儲能技術，在混合動力電動汽車和大規(guī)模儲能系統(tǒng)中擁有廣闊的發(fā)展前景。本文基于鉛炭電池的背景和原理，對鉛炭電池及其儲能技術進行了探討，主要結論如下：

（1）與鉛酸電池相比，鉛炭電池在安全性能、比能量/功率、經濟性能和循環(huán)壽命等方面均有顯著提升。

（2）鉛炭電池儲能技術可應用于電動汽車、可再生能源接入、削峰填谷、智能微電網和用戶側分布式儲能等方面，效果顯著。

（3）針對鉛炭電池提出改進方向，包括材料的定性定量、性能提高、工藝優(yōu)化等方面。

（4）在國家政策的大力支持下，鉛炭電池憑借其優(yōu)良特性，有望成為大規(guī)模儲能系統(tǒng)發(fā)展中的主流儲能技術。D

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（本欄責任編輯馬 雷）

The progresses of lead carbon battery technology for grid?scale energy storage

LIAN Jia?li1,WANG DA?Lei2,YAN Jie1,WANG Kang?li2,CHENG Shi?jie2,JIANG Kai1,2

(1.State Key Laboratory of Material Processing and Die&Mould Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

儲能是高效利用可再生能源和構建智能電網的關鍵技術。與傳統(tǒng)鉛酸電池相比，鉛炭電池在安全性、經濟性和循環(huán)性等方面具有明顯優(yōu)勢，因而在電力儲能領域具有廣闊的應用前景。介紹了鉛炭電池的發(fā)展歷程和工作原理，進而從安全性能、度電成本、循環(huán)壽命和比能量4個方面與鉛酸電池進行對比。闡述了鉛炭電池儲能技術在儲能領域的應用現(xiàn)狀，并對鉛炭電池目前存在的問題和改進方向進行歸納和總結。

儲能；鉛炭電池；鉛酸電池；循環(huán)壽命

Energy storage is a critical technology for the devel?opment of renewable energy sources and smart grids.The lead car?bon battery shows the excellent performance in the safety,economy and cycle performance,which has a broad prospect in energy storage applications compared to conventional lead-acid battery.This paper analyzes the development history and working principle of lead car?bon batteries,and compares them with lead-acid batteries in four as?pects:safety performance,electricity cost,cycle life and specific en?ergy.Meanwhile,the recent energy storage applications of lead car?bon batteries are introduced and the challenges for lead carbon bat?tery are also discussed.

energy storage;lead carbon battery;lead-acid bat?tery;cyclelife

TM 911.15

A

1009-1831（2017）03-0021-05

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.03.005

2016-04-24