近年來(lái),隨著環(huán)境污染日益加重,各國(guó)越來(lái)越重視清潔能源、可再生能源的發(fā)展,儲(chǔ)能作為提高可再生能源穩(wěn)定性的重要技術(shù)支撐,也迎來(lái)了長(zhǎng)足的發(fā)展。目前業(yè)界最為看好鉛炭電池、液流電池和鋰電池三種儲(chǔ)能技術(shù)用電池,但液流電池成本較高,且技術(shù)成熟度遠(yuǎn)不及另外兩種電池技術(shù),而鋰離子電池在單體電池一致性方面存在一些問(wèn)題,因此,有業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為,鉛炭電池有可能成為最為可行的儲(chǔ)能技術(shù)。
鉛炭電池是一種由傳統(tǒng)鉛酸蓄電池演化而來(lái)的電池,它成功地將鉛酸蓄電池和超級(jí)電容器合二為一,在發(fā)揮超級(jí)電容器短時(shí)間大容量充電特點(diǎn)的同時(shí),也保持了鉛蓄電池高比能量的優(yōu)勢(shì)。除了良好的充放電性能和較長(zhǎng)的使用壽命,鉛炭電池還在循環(huán)壽命、性價(jià)比、安全性、低溫性能、生產(chǎn)及回收工藝方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。
鉛炭電池戰(zhàn)勝鋰電池、液流電池等其他儲(chǔ)能電池的主要原因,是其低廉的度電成本。大多數(shù)儲(chǔ)能技術(shù)以每千瓦或每千瓦時(shí)計(jì)算出的成本太高,阻礙了其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。盡管傳統(tǒng)鉛酸電池價(jià)格較低,但因較短的循環(huán)壽命,在儲(chǔ)能系統(tǒng)中其度電成本也不具有優(yōu)勢(shì);鋰離子電池雖然單體可以實(shí)現(xiàn)幾千次的循環(huán)壽命,但因單體容量小、大量單體成組后的電池組循環(huán)壽命大幅縮短,其儲(chǔ)能系統(tǒng)中其度電成本依然較高。而鉛炭電池的度電成本可低至0.5元/kWh,在規(guī)?;a(chǎn)的基礎(chǔ)上,F(xiàn)CP鉛炭電池甚至有望將度電成本降至0.4元以下。
我國(guó)的儲(chǔ)能市場(chǎng)目前還處于初級(jí)發(fā)展階段,鉛炭電池憑借其優(yōu)異的性價(jià)比和良好的經(jīng)濟(jì)性能,令其在諸多應(yīng)用中不借助補(bǔ)貼也能實(shí)現(xiàn)盈利。在電儲(chǔ)能設(shè)施的獨(dú)立市場(chǎng)主體地位被明確后,高性能鉛炭電池被確定為儲(chǔ)能設(shè)備重點(diǎn)攻關(guān)項(xiàng)目也就不足為奇。
技術(shù)優(yōu)勢(shì)鉛炭電池是鉛酸電池的創(chuàng)新技術(shù),相比鉛酸電池有著諸多優(yōu)勢(shì)。鉛炭電池有以下優(yōu)勢(shì):一是充電快,提高8倍充電速度;二是放電功率提高了3倍;三是循環(huán)壽命提高到6倍,循環(huán)充電次數(shù)達(dá)2000次;四是性價(jià)比高,比鉛酸電池的售價(jià)有所提高,但循環(huán)使用的壽命大大提高了;五是使用安全穩(wěn)定,可廣泛地應(yīng)用在各種新能源及節(jié)能領(lǐng)域。此外,鉛炭電池也發(fā)揮了鉛酸電池的比能量?jī)?yōu)勢(shì),且擁有非常好的充放電性能——90分鐘就可充滿電(鉛酸電池若這樣充、放,壽命只有不到30次)。而且由于加了碳(石墨烯),阻止了負(fù)極硫酸鹽化現(xiàn)象,改善了電池失效的一個(gè)因素。
1、正負(fù)極鉛膏采用獨(dú)特的配方和優(yōu)化的固化工藝。正極活性物質(zhì)抗軟化能力強(qiáng),深循環(huán)壽命好,活性物質(zhì)利用率高;負(fù)極鉛膏抗硫化能力強(qiáng),容量衰減率低,低溫啟動(dòng)性能好。
2、正極板柵采用新型特制合金和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),抗腐蝕性能好,電流分布合理,與活性物質(zhì)結(jié)合緊密,大電流性能和充電接受能力強(qiáng)。
3、采用新型電解液添加劑,電池的析氫、析氧過(guò)電位高,電池不易失水。
4、當(dāng)電池在頻繁的瞬時(shí)大電流充放電工作時(shí),主要由具有電容特性的炭材料釋放或接收電流,抑制鉛酸電池的“負(fù)極硫酸鹽化”,有效地延長(zhǎng)了電池使用壽命;
5、當(dāng)電池處于長(zhǎng)時(shí)間小電流工作時(shí),主要由海綿鉛負(fù)極工作,持續(xù)提供能量;
6、Lead-carbon超級(jí)復(fù)合電極高碳含量的介入,使電極具有比傳統(tǒng)鉛酸電池有更好的低溫啟動(dòng)能力、充電接受能力和大電流充放電性能。
性能方面,鉛炭電池同時(shí)具有鉛酸電池和電容器的特點(diǎn)?;钚蕴康募尤?,提升了電池的功率密度,延長(zhǎng)了循環(huán)壽命,同時(shí)由于活性炭占據(jù)了部分電極空間,導(dǎo)致能量密度降低,也可能增加電極析氣量。在工藝方面,活性炭的加入,增加了調(diào)漿和極片涂布難度??傮w而言,鉛炭電池性能優(yōu)于普通鉛酸電池,是一種先進(jìn)鉛酸電池,也是鉛酸電池技術(shù)發(fā)展的主流方向。
主要問(wèn)題
鉛炭電池鉛酸電池能量密集度高,適合作為太陽(yáng)能和風(fēng)能儲(chǔ)能的后備選項(xiàng)。鉛炭電池的推廣也面臨著成本問(wèn)題。鉛炭電池的成本費(fèi)用需要降低成本至每千瓦小時(shí)150-200美元才可行。
1.高碳鉛酸電池的炭材料添加量為4%以上,對(duì)于普通的鉛酸電池,碳材料的添加量為0.2%以下。那么對(duì)于鉛炭電池碳材料的最佳添加量是一個(gè)有待探討的問(wèn)題。
2.鉛粉和碳材料的混合,以何種方式加入才能使碳材料與鉛粉均勻混合,且能夠保證負(fù)極鉛-炭混合材料涂膏的穩(wěn)固性,極板和鉛膏的結(jié)合能力,達(dá)到保證負(fù)極板的強(qiáng)度要求。
3.在進(jìn)行外化成后,負(fù)極板表面有炭材料析出,出現(xiàn)板柵膨脹變形現(xiàn)象。
4.炭材料的加入會(huì)加劇負(fù)極析氫問(wèn)題,使蓄電池失水嚴(yán)重,免維持性能降低,導(dǎo)致蓄電池失效模式發(fā)生改變。
5.炭材料和鉛粉密度相差非常大,添加后負(fù)極板的孔隙率大幅度上升,負(fù)極易被氧化。
解決方案
這電池技術(shù)的進(jìn)一步研究都至關(guān)重要,在材料、設(shè)計(jì)和工程系統(tǒng)上的改進(jìn)和成本上的降低都是很必要的。
1.若要使鉛炭電池具有超級(jí)電容的效果,炭材料的添加量一定要大于4%,國(guó)內(nèi)外研究表明炭材料的添加量可以達(dá)到10%~20%。
2.若保證負(fù)極鉛-炭混合材料涂膏的穩(wěn)固性、極板和鉛膏的結(jié)合能力,必須加入適用于鉛酸電池的粘結(jié)劑,例如PTFE,CMC,氯丁橡膠等。
3.要保證負(fù)極板的強(qiáng)度,首先在和膏時(shí)要保證鉛膏濕密度,鉛膏濕密度在4.2~4.5g/cm3最佳。加入適量粘結(jié)劑或短纖維,采用機(jī)器涂膏以增加涂膏壓力都可以達(dá)到保證極板強(qiáng)度的目的。
4.為防止化成時(shí)炭材料的損失和板柵膨脹變形,可以采用內(nèi)化成工藝,注意內(nèi)化成的電流設(shè)計(jì)工藝應(yīng)適當(dāng)進(jìn)行調(diào)整。
5)對(duì)于負(fù)極析氫問(wèn)題,可以向負(fù)極活性物質(zhì)中添加適量的抑制析氫添加劑,例如氧化銀,鋅的化合物等。
6)在防止負(fù)極氧化方面,可以采取內(nèi)化成工藝:若是做外化成,則要適當(dāng)延長(zhǎng)無(wú)氧干燥時(shí)間。
鉛炭電池的未來(lái)分析
鉛炭電池是一種由傳統(tǒng)鉛酸蓄電池演化而來(lái)的先進(jìn)技術(shù)電池。之所以稱之為“先進(jìn)”,是因?yàn)殂U炭電池將鉛酸蓄電池和超級(jí)電容器二合為一,在發(fā)揮超級(jí)電容器短時(shí)間大容量充電特點(diǎn)的技術(shù)上,保持了鉛蓄電池高比能量的優(yōu)勢(shì),從而擁有良好的充放電性能及較長(zhǎng)的使用壽命。除了性能方面的優(yōu)勢(shì),鉛炭電池還在循環(huán)壽命、性價(jià)比、安全性、低溫性能、生產(chǎn)及回收工藝方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。
近年來(lái),鉛炭電池技術(shù)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展,國(guó)內(nèi)多家電池企業(yè)也正在逐步完善鉛炭電池領(lǐng)域的布局。雙登集團(tuán)是較早進(jìn)行鉛炭電池研發(fā)的企業(yè)之一。從2009年開(kāi)始,雙登集團(tuán)就不斷在材料、合金配制、板柵結(jié)構(gòu)、原料配比等多方面進(jìn)行研究調(diào)整,并研發(fā)出高循環(huán)壽命的鉛炭?jī)?chǔ)能電池產(chǎn)品。
目前,雙登鉛炭?jī)?chǔ)能電池已經(jīng)應(yīng)用在IDC機(jī)房后備電源、風(fēng)光儲(chǔ)一體化電站等多個(gè)項(xiàng)目中。2014年6月,圣陽(yáng)股份與日本古河共同開(kāi)發(fā)鉛炭電池技術(shù),該電池的循環(huán)次數(shù)可達(dá)到鋰離子電池的1.5倍、普通鉛蓄電池的2倍以上。圣陽(yáng)股份將這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于儲(chǔ)能、備用電源、通信基站電源等領(lǐng)域,并具備了批量生產(chǎn)能力。南都電源研發(fā)的鉛炭電池產(chǎn)品目前已被應(yīng)用在多個(gè)國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能示范項(xiàng)目中,這些示范項(xiàng)目良好的運(yùn)行也再次驗(yàn)證了鉛炭電池系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和可靠性。下一階段,南都電源將在新能源儲(chǔ)能領(lǐng)域進(jìn)行鉛炭電池的商業(yè)化推廣,使這項(xiàng)擁有良好市場(chǎng)前景的技術(shù)真正為企業(yè)帶來(lái)更大的利潤(rùn)。
盡管鉛炭電池在技術(shù)、應(yīng)用等方面已經(jīng)得到較快發(fā)展,但其中碳材料的性能仍然是影響鉛炭電池整體性能的主要因素之一。據(jù)中國(guó)人民解放軍防化研究院曹高萍博士介紹,鉛炭電池負(fù)極板中的多孔炭與鉛活性物質(zhì)產(chǎn)生協(xié)同效應(yīng),顯著提高極板比表面積和穩(wěn)定性,從而提高電池循環(huán)壽命和充放電能力。
因此,對(duì)碳材料在鉛炭電池中作用機(jī)制的深入研究,將進(jìn)一步提升鉛炭電池的性能。未來(lái),對(duì)高性能碳材料的深入研究和應(yīng)用開(kāi)發(fā)仍將成為相關(guān)研究工作的重點(diǎn),這也將進(jìn)一步提高鉛炭電池的性能,實(shí)現(xiàn)其在儲(chǔ)能等領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用。