目前,電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)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(shù)在可再生能源并網(wǎng)、分布式發(fā)電及微網(wǎng)領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)兆瓦級(jí)的示范應(yīng)用,同時(shí)在調(diào)頻輔助服務(wù)、電力輸配、電動(dòng)汽車等領(lǐng)域也在進(jìn)行應(yīng)用示范。本文介紹幾種用于數(shù)據(jù)中心的電化學(xué)儲(chǔ)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(jià)格低廉、性能穩(wěn)定、安全可靠,具有免維護(hù)性、優(yōu)越的高低溫性能、耐過(guò)充和優(yōu)越的充電接受能力、電池一致性高等特點(diǎn),因而在數(shù)據(jù)中心中得到非常廣泛的應(yīng)用。鉛酸電池依舊被采用。但鉛酸電池也有一些嚴(yán)重的缺點(diǎn),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(jìn)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(diǎn)，也決定了其在削峰填谷等高強(qiáng)度使用的儲(chǔ)能場(chǎng)景下的應(yīng)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(jìn)出來(lái)的技術(shù),它是在鉛酸電池的負(fù)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(diǎn):充電速度快,放電功率高,循環(huán)壽命顯著增長(zhǎng),可達(dá)傳統(tǒng)鉛酸電池的6倍,同時(shí)也保留了鉛酸電池安全穩(wěn)定的特性,可廣泛地應(yīng)用在各種新能源及節(jié)能領(lǐng)域。使用了鉛炭技術(shù)后,鉛炭電池的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池,可應(yīng)用于新能源車輛中,如:混合動(dòng)力汽車、電動(dòng)自行車等領(lǐng)域;也可用于新能源儲(chǔ)能領(lǐng)域,如風(fēng)光發(fā)電儲(chǔ)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(duì)數(shù)據(jù)中心傳統(tǒng)儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行演進(jìn),用鉛炭電池來(lái)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(shì),已基本占據(jù)便攜式電子產(chǎn)品市場(chǎng),如手機(jī)、筆記本電腦、照相機(jī)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(fù)極(石墨)之間嵌入和脫出來(lái)實(shí)現(xiàn)能量的儲(chǔ)存和釋放。鋰離子電池具有很高的工作電壓,比能量可達(dá)到150Wh/kg。鋰離子電池的性能主要依賴于電極材料和電解質(zhì)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(shù)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(jié)構(gòu)的磷酸鹽化合物,它具有穩(wěn)定的充放電平臺(tái),充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好,安全性高,價(jià)格低廉,環(huán)保無(wú)污染,比容量可達(dá)160Ah/kg,是近年來(lái)發(fā)展最快的一種鋰離子電池正極材料體系,廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車和儲(chǔ)能領(lǐng)域。

　　LiFePO4存在的主要問(wèn)題是振實(shí)密度低以及電子、離子電導(dǎo)率差，可以通過(guò)材料納米化、二次造粒、碳包覆和摻雜等方法來(lái)提高LiFePO4電化學(xué)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(dòng)汽車和靜態(tài)儲(chǔ)能應(yīng)用中的研究也得到了開(kāi)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(guān)注。

　　循環(huán)壽命長(zhǎng):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(jià)格比高:普通常用材料。

　　一致性好:目前國(guó)內(nèi)的磷酸鐵鋰電池廠家已經(jīng)具有自動(dòng)化生產(chǎn)線,保證了電池產(chǎn)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(tái)高、能量密度高、振實(shí)密度高、電化學(xué)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(shì),同時(shí)還具有放電電壓高,輸出功率比較大,低溫性能好,可適應(yīng)全天候氣溫等優(yōu)點(diǎn),因此正逐漸受到汽車生產(chǎn)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(gè)氧化-還原電對(duì)的活性物質(zhì),分別裝在兩個(gè)儲(chǔ)液罐中的溶液中,各用一個(gè)泵,使溶液流經(jīng)電池,并在電池內(nèi)的離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原和氧化反應(yīng)。單電池通過(guò)雙極板串聯(lián)成堆。全釩液流電池作為儲(chǔ)能電源,主要用于電廠調(diào)峰項(xiàng)目系統(tǒng)、大規(guī)模的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、風(fēng)能發(fā)電的儲(chǔ)能電源以及邊遠(yuǎn)地區(qū)儲(chǔ)能系統(tǒng)、不間斷電源或應(yīng)急電源系統(tǒng)等。

　　電池系統(tǒng)組裝設(shè)計(jì)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(zhì)以液態(tài)形式貯存于儲(chǔ)液罐中,容量取決于外部?jī)?chǔ)液中活性物的容量和濃度,因此功率輸出和能量?jī)?chǔ)存部分是相互獨(dú)立的,可根據(jù)適宜的地理環(huán)境條件設(shè)計(jì)建設(shè),而容量可通過(guò)增加電解液體積來(lái)實(shí)現(xiàn)。如邊遠(yuǎn)地區(qū)以柴油機(jī)發(fā)電為主要電源,全釩液流電池可按需求來(lái)調(diào)節(jié)電網(wǎng),實(shí)現(xiàn)輸出功率的穩(wěn)定。

　　電池系統(tǒng)可高速響應(yīng),高功率輸出。全釩液流電池充、放電可在很短的時(shí)間內(nèi)完成,通過(guò)更換溶液,可實(shí)現(xiàn)電池的即時(shí)充電;通過(guò)電堆的不同組合,來(lái)提供不同的輸出電壓;負(fù)載變化時(shí)或放電深度增加時(shí),可用附加電池維持輸出電壓恒定。

　　電池系統(tǒng)易于維護(hù),安全穩(wěn)定。所有單電池的反應(yīng)物不存在固相反應(yīng),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(chǔ)液罐中,每個(gè)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(zhǎng)，全釩液流電池沒(méi)有循環(huán)壽命問(wèn)題，它的失效機(jī)制主要是電堆材料或輔機(jī)元件的老化。

　　kaiyun優(yōu)勢(shì)與特點(diǎn)

　　鈉硫電池具有較高的儲(chǔ)能效率(約89%),同時(shí)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(shí)用于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)和負(fù)荷的削峰填谷調(diào)節(jié)兩種目的,從而提高整體設(shè)備的經(jīng)濟(jì)性。與傳統(tǒng)的化學(xué)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(zhì),其中,負(fù)極的活性物質(zhì)是熔融金屬鈉,正極活性物質(zhì)是硫和多硫化鈉熔鹽,固體電解質(zhì)兼隔膜的是一種專門傳導(dǎo)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(diǎn),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(dá)200～300mA/cm2,瞬時(shí)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(zhì),所以沒(méi)有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的那種自放電及副反應(yīng)。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(shè)計(jì);同時(shí),其充電狀態(tài)只能用平均值計(jì)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(hù)體需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格耐腐處理。圖5為鈉硫電池的結(jié)構(gòu)圖。