储能技术-电化学储能.pptx
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,电化学储能,电化学储能概述铅酸电池锂离子电池液流电池钠硫电池液流电池常用电化学储能的对比电化学储能特性分析总结与展望,4.1电化学储能的概述,电化学储能的基本概念电化学储能通过储能电池完成能量储存、释放与管理过程。
储能电池在充电时将外部直流电源连在蓄电池上进行充电,使电能转化成化学能储存起来,放电时再将储存的化学能转换成电能释放出来去驱动外部设备。
电化学储能的作用电化学储能技术在电力系统中应用广泛,应用于发电、输电、配电、送电等四个环节,主要作用有调峰调频、削峰填谷、平滑新能源波动等。
2/46,2014-2021年中国电化学储能累计装机容量及增速,电化学储能应用领域及作用,电池储能技术存储能量可以从数秒延伸至数小时,输出功率在额定范围内可调,可以满足电网对功率型储能与能量型储能的应用需求。
部分电池储能技术已经商业化,也有正在从示范走向商业化。
4.1电化学储能的概述,3/46,部分储能电池特征概述图,4.1电化学储能的概述,电化学储能技术能量管理技术将能量管理技术按储能设备类型可分为电化学储能变流器系统(powerconversionsystem,PCS)、电池管理系统(batterymanagementsystem,BMS)和能量管理系统(energymanagementsystem,EMS)。
1.PCSPCS由DC/AC双向变流器、控制单元等构成。
PCS控制器通过通讯接收后台控制指令,根据功率指令的符号及大小控制变流器对电池进行充电或放电,实现对电网有功功率及无功功率的调节。
PCS控制器通过控制器局域网络(ControllerAreaNetwork,CAN)接口与BMS通讯,获取电池组状态信息,可实现对电池的保护性充放电,确保电池运行安全。
4/46,储能变流器实物图,4.1电化学储能的概述,电化学储能技术能量管理技术,2.BMS电池管理系统是一种对储能系统当中的电池进行管理的系统,通过分析电池内部特性,将采集到的电池充放电数据上传至能量管理系统和BMS内部控制系统,进而确定各电池做何动作。
电池管理系统能够将电池单体和许多电池单体通过串并联组成的电池组进行分层管理,实现有效的告警、保护和均衡管理,使得各电池和电池组达到最佳运行状态。
5/46,电池管理系统实物图,4.1电化学储能的概述,电化学储能技术能量管理技术,3.EMS能量管理系统是对整个储能系统进行管理的系统,对各储能电站进行协调调度,下发控制命令至子站储能EMS执行。
储能EMS子站响应储能统一调控主站调度命令并根据储能设备运行状态合理地分配到各电池簇中,实现电池模组和电池簇能量与信息管理的融合。
能量管理系统主要用于数据采集、网络监控、能量调度和数据分析。
6/46,储能系统能量管理平台,4.1电化学储能的概述,电化学储能技术电池热管理技术目前研究较多的电池热管理系统有风冷、液冷这两种方式。
自然风冷通过空气本身与电池表面的温度差产生热对流,使得电池产生热量被转移到空气中,实现电池模组及电池箱的散热;强制风冷需要额外安装风机、风扇等外部电力辅助设备,使得外部空气通过风道进入电池模组内,循环流动对电池进行冷却。
液冷散热方式利用液体流动转移电池工作产生的热量,对电池组或电池箱进行散热。
7/46,风冷通风方式路线图,风冷系统实物图,4.2铅酸电池,8/46,铅酸电池的特点蓄电池安全密封,在正常操作中,电解液不会从电池的端子或外壳中泄露出;特殊的吸液隔板将酸保持在内,电池内部没有自由酸液,因此电池可放置在任意位置;电池内压超出正常水平后,密封铅酸蓄电池放出多余气体并重新密封,保证电池内没有多余气体;由于独一无二的气体复合系统使产生的气体转化成水,故在使用过程中无需加水,维护较为简单;采用了有抗腐蚀结构的铅钙合金栏板,电池可浮充使用10-15年,使用寿命长;采用先进的生产工艺和严格的质量控制系统,电池的质量稳定,性能可靠。
铅酸电池组实体图,铅酸电池单体实物图,电解液,4.2铅酸电池,9/46,铅酸电池的电解液是稀硫酸溶液,用水和80%浓硫酸按一定比例配制而成,其密度一般为1.24-1.30g/cm,比重为12.75-12.85/。
在电池充放电过程中,由于电解和蒸发,电解液中的水会逐渐减少,导致电解液液位下降,所以需要及时补充蒸馏水以防止此现象缩短电池寿命。
4.2铅酸电池,铅酸电池工作方式铅酸电池主要工作方式分别为充电放电制和定期浮充制。
充电放电制是指铅酸电池组充电过程与放电过程分别进行的一种工作方式,即先用整流装置给铅酸电池组充满电后,再由铅酸电池的负载供电(放电),然后再充电、再放电的一种循环工作方式。
充电放电制主要用于移动型铅酸电池组。
定期浮充制就是整流设备与铅酸电池组并联并定期轮流向负载供电的一种工作方式。
直流电源部分时间由铅酸电池向负载供电;其他时间由整流设备直接向负载供电的同时,还要向铅酸电池充电(浮充),以补充铅酸电池放电时所消耗的能量以及因局部放电所引起的容量损失。
10/46,4.2铅酸电池,铅酸电池的充电放电特性铅酸蓄电池充电曲线如图所示,其内部反应如下:
(1)在电池充入电量至70%80%之前,利用整流器的限流特性维持充电电流不变,此过程电池端电压几乎呈直线上升;
(2)当电流的端电压上升至稳压点附近时,由于充电历程已到中后期,所以电化学极化作用已经变小,而电池内阻也明显减少,电池内电流迅速衰减。
(3)当充电至后期,电池电流已明显变小,所以浓差极化作用随之减小。
而电化学极化作用影响又增加,所以电池电流继续衰减,只是衰减速度变慢。
(4)充电末期,充入电池的电流大部分用于维持电池内氧循环,仅极小的电流用于维持活性物质的恢复,因而电池电流稳定不变。
11/46,铅酸电池充电曲线图,4.2铅酸电池,铅酸电池的充电放电特性不同放电率的铅酸蓄电池放电曲线如图所示,其内部反应如下:
(1)在放电初期,端电压U下降很快,这是因为在放电初期,电动势E明显减小,同时内电阻r的明显减小也使内电阻电压降Ir有较大减小,端电压U也将快速减小。
(2)在放电中期,由于活性物质微孔内的电解液逐渐扩散,其浓度趋于平衡,使电动势E和内电阻r的减小变得缓慢,也使端电压U缓慢减小。
(3)放电后期,端电压的下降将变快,当放电电压下降到终了电压(1.8V)时,蓄电池应立即停止放电,这时,端电压将很快恢复到2.0V左右,如果不立即停止放电,蓄电池的端电压将急剧下降,同时对蓄电池的使用寿命也将产生不利影响。
12/46,铅酸电池放电曲线图,技术演变电极形态,卷绕式铅酸蓄电池是螺旋型结构,采用压延铅合金的方式制造出了很薄的铅箔作为极板基片,将正极板、隔板、负极板交替叠放卷绕在一起。
双极性电极是一面有正极活性物质而另一面有负极活性物质的坚实薄片极板(中间的集流体不能导通溶液)。
相同容量的双极性电池比传统铅酸电池节约铅30%、重量降低20%,4.2铅酸电池,13/46,卷绕式铅酸电池,双极性铅酸蓄电池,4.2铅酸电池,铅炭电池铅炭电池将具有双电层电容特性的炭材料(C)与海绵铅(Pb)负极进行合并制作成既有电容特性又有电池特性的铅炭双功能复合电极(简称铅炭电极),铅炭复合电极再与PbO2正极匹配组装成铅炭电池。
正极是二氧化铅,负极是铅-炭复合电极,其开路电压和基本电池反应同传统铅酸电池。
铅炭电池兼具铅酸电池与超级电容的特点,大幅改善了传统铅酸电池各方面的性能,其技术特点如表所示:
14/46,铅炭电池结构示意图,4.2铅酸电池,15/46,铅炭电池的核心是在负极引入活性炭,使电池兼具铅酸电池和超级电容器的优势,能够显著提高铅酸电池的寿命,同时可有效抑制普通铅蓄电池负极不可逆硫酸盐化的问题,使其大电流充放电性能和循环寿命得到显著提升。
由于铅炭电池在安全性、经济性和循环寿命等方面展现出优异的性能,使其在混合动力电动汽车、可再生能源接入、削峰填谷、智能微电网和需求侧管理等领域得到国内外人士的广泛关注。
铅炭电池组成方式示意图,4.2铅酸电池,铅酸电池的应用场景尽管铅酸电池比能量和比功率较低,相对于各类储能电池,铅酸电池以其技术最成熟、性价比高,仍然在储能系统和工业备用电源中占据主导位置。
目前不同类型铅酸电池的应用情况如表所示:
铅酸蓄电池由于材料廉价、工艺简单、技术成熟、自放电低和免维护要求等特性,在未来几十年里,依然会在市场中占主导地位,虽然起动用、动力用电池的市场空间可能会有拐点,在近期国家产业发展中仍将占主流地位,中期也将占有一席之地,长期来看,在不需要高重量比能量的用途领域还将继续存在。
16/46,4.3锂离子电池,锂离子电池的原理锂离子电池是以锂离子为活性离子,充放电时集电器中的锂离子经过电解液在正负极之间脱嵌,将电能储存在嵌入(或插入)锂的化合物电极中的一种储能技术,它主要依靠锂离子在两个电极之间往返游走来工作,是目前能量密度最高的实用二次电池。
电池正极反应如下:
电池负极反应如下:
电池总反应如下:
17/46,锂离子电池工作原理示意图,锂离子电池正极材料研究现状:
锂离子电池的活性正极材料大多数是含锂的过渡金属化合物,而且以氧化物为主。
按电极材料可划分为钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、三元锂离子等。
目前已用于锂离子电池规模生产的正极材料为。
4.3锂离子电池,18/46,i,4.3锂离子电池,19/46,锂电池依据正极材料的不同可分为:
钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、三元锂电池(镍钴锰酸锂、镍钴铝酸锂)等。
三元材料一般是指化学组成为LiNiaXbCocO2的材料,其中X为Mn(锰)时指NCM(镍钴锰酸锂),而X为Al(铝)时指NCA(镍钴铝酸锂)。
三元材料兼顾了镍酸锂的高容量、高电压、锰酸锂的高压高安全性,钴酸锂的良好循环性,同时克服了锰酸锂镍酸锂合成困难且不稳定、钴酸锂成本高的缺点。
充放电倍率高13C,工作温度范围宽-2060,循环寿命长。
锂离子电池生产工艺流程:
4.3锂离子电池,20/46,整体上可将锂电制造流程划分为前段工序(极片制造)、中段工序(电芯合成)、后段工序(化成封装)。
前段工序的生产目标是完成(正、负)极片的制造。
中段工序的生产目标是完成电芯的制造,不同类型锂电池的中段工序技术路线、产线设备存在差异。
后段工序的生产目标是完成化成封装。
后段工序的意义在于将其激活,经过检测、分选、组装,形成使用安全、性能稳定的锂电池成品。
锂离子电池工艺流程图,锂离子电池类型:
4.3锂离子电池,21/46,1、圆柱形锂离子电池,4.3锂离子电池,典型圆柱形电池的结构包括:
外壳、盖帽、正极、负极、隔膜、电解液、PTC元件、垫圈、安全阀等。
圆柱形锂离子电池外壳为电池的负极,盖帽为电池的正极,电池外壳采用镀镍钢板。
22/46,圆柱形锂离子电池结构示意图,圆柱形锂离子电池,2、方形锂离子电池,4.3锂离子电池,典型方形锂电池主要组成部件包括:
顶盖,壳体,正极板、负极板、隔膜组成的叠片或者卷绕,绝缘件,安全组件等。
方形锂离子电池电解质为液态时,使用钢壳;若使用聚合物电解质,则可以使用铝塑包装材料。
23/46,方形锂离子电池结构示意图,方形锂离子电池,3、纽扣锂离子电池,4.3锂离子电池,纽扣电池也分为化学电池和物理电池两大类,其化学电池应用最为普遍。
纽扣电池由阳极(正极)、阴极(负极)及其电解液等组成。
纽扣电池的外表为不锈钢材料,并作为正极,其负极为不锈钢的圆形盖,正极与负极间有密封环绝缘,密封环除起绝缘作用外,还能阻止电解液泄漏。
纽扣电池因体形较小,故在各种微型电子产品中得到了广泛的应用。
24/46,纽扣锂离子电池,纽扣锂离子电池结构示意图,4、薄膜锂离子电池,4.3锂离子电池,薄膜锂离子电池拥有较当前锂离子二次电池更小的尺寸、更高的能量密度、更长的循环寿命及更高的可靠性。
薄膜锂离子电池是锂离子电池发展的最新领域,目前在低电流元件的应用上备受青睐。
25/46,薄膜锂离子电池,薄膜锂离子电池结构示意图,4.3锂离子电池,锂离子电池的特点锂离子电池也具备循环寿命长、能效高、能量密度大和绿色环保等优势,随着锂离子电池制造成本的降低以及政策的推出落地,锂离子电池将大规模装机到电化学储能领域,有望在储能领域迎来大幅度增长。
但锂离子电池也存在一些缺点,例如价格较贵和安全性较差等。
锂离子电池优劣势如表所示:
26/46,4.3锂离子电池,锂离子电池的充放电特性充电过程:
随着锂离子充电电流的增加,恒流时间逐步减少,恒流可充入容量和能量也逐步减少。
在实际电池组应用中,以锂离子电池允许的最大充电电流充电,达到限压后,再进行恒压充电,这样在减少充电时间的基础上,也保证了充电的安全性;应综合考虑充电时间和效率,选择适中的充电电流,以减少内阻能耗。
放电过程:
电池在初始阶段端电压快速下降,放电倍率越大,电压下降的越快;随后,电池电压进入一个缓慢变化的阶段,这段时间称为电池的平台区,放电倍率越小,平台区持续的时间越长,平台电压越高,电压下降越缓慢;在电池电量接近放完时,电池负载电压开始急剧下降直至达到放电截止电压。
27/46,锂离子电池基本充电放电电压曲线,4.3锂离子电池,锂离子电池的应用场景在锂离子电池中,不同类型的电池可根据实际需求应用在适宜的场合当中,如表所示:
28/46,4.3锂离子电池,锂离子电池的能量转换效率锂离子电池充放电效率应为评价周期内,储能单元总放电量与总充电量的比值,按下式计算:
式中:
为储能单元充放电能量效率,%;为评价周期内储能单元总的放电量,单位为千瓦时(kWh);为评价周期内储能单元总的充电量,单位为千瓦时(kWh)。
=100%,29/46,例4-1电化学储能系统中锂离子电池的储能总放电量为2.6kwh,总充电量为3.2kwh,试问该电池的能量转换效率为多少?
解:
锂离子电池充放电转换效率公式为:
所以,,=100%,=100%=2.63.2100%=81.25%,4.4液流电池,液流电池的原理液流电池单体包括:
正、负电极;薄膜、及其与电极围成的电极室;电解液储罐、泵和管道系统。
液流电池的正极和负极电解液分别装在两个储罐中,利用送液泵使电解液通过电池循环。
在电堆内部,正、负极电解液用离子交换膜(或离子隔膜)分隔开,电池外接负载和电源。
液流电池技术通过反应活性物质的价态变化实现电能与化学能相互转换与能量存储。
在液流电池中,活性物质储存于电解液中,具有流动性,电池功率与容量设计相对独立,适合大规模蓄电储能需求。
30/46,液流电池工作原理图,液流电池储能系统实物图,4.4液流电池,31/46,铁铬液流电池,铁铬电池分别采用+/+电对和+/+电对作为正极和负极活性物质,通常以盐酸作为支持电解液质。
电解液通过循环泵进入到两个半电池中,+/+电对和+/+电对分别在电极表面进行氧化还原反应,正极释放出来的电子通过外电路传递到负极,而在电池内部通过离子在溶液的移动,并与离子交换膜进质子交换,形成完整的回路,从而实现化学能与电能的相互转换。
Fe2+eFe3+,正极电对:
V()/V(),负极电对:
V()/V(),Cr3+eCr2+,铁铬液流电池工作原理图,4.4液流电池,32/46,锌溴液流电池,锌溴氧化还原液流电池是一种将能量储存在溶液中的电化学系统。
正负半电池由隔膜分开,两侧电解液为ZnBr2溶液。
在动力泵的作用下,电解液在储液罐和电池构成的闭合回路中进行循环流动。
充电过程中,负极锌以金属形态沉积在电极表面,正极生成溴单质;放电时在正负极上分别生成锌离子和溴离子。
Fe2+eFe3+,正极电对:
V()/V(),负极电对:
V()/V(),锌溴液流电池工作原理图,4.4液流电池,33/46,液流储能电池作容量调节范围宽、充放电效率高、循环寿命长、响应迅速和环境友好的储能技术,有广阔的应用前景和巨大的市场潜力。
不同液流电池主要特点及应用范围如表所示:
液流电池实物图,4.4液流电池,液流电池的特点液流电池和通常以固体作电极的普通蓄电池不同,液流电池的活性物质以液体形态储存在于两个分离的储液罐中,由泵驱动电解质溶液在独立存在的电池堆中反应,电池堆与储液罐分离,在常温常压运行,因此安全性高,没有潜在爆炸风险。
液流电池特点如表所示:
34/46,4.4液流电池,液流电池的分类根据参与反应的活性物质的不同,液流电池可以分为全钒液流电池、锌溴液流电池、多硫化钠/溴液流电池、锌/镍液流电池、铁/铬液流电池、钒/多卤化物液流电池、锌/铈液流电池和半液流电池。
35/46,4.4液流电池,液流电池的能量转换效率液流电池充放电效率应为评价周期内,储能单元净放电量与充电量加上充电过程辅助能耗之和的比值,按下式计算:
式中:
为储能单元充放电能量效率,%;为评价周期内储能单元总的放电量,单位为千瓦时(kWh);为评价周期内液流电池储能单元放电过程辅助设备的能耗,单位为千瓦时(kWh);为评价周期内储能单元总的充电量,单位为千瓦时(kWh);为评价周期内液流电池储能单元放电过程辅助设备的能耗,单位为千瓦时(kWh);,s,=+100%,36/46,例4-2电化学储能系统中液流电池的储能总放电量为2.6kwh,总充电量为3.2kwh,储能单元放电和充电过程辅助设备的能耗分别为0.2kwh和0.15kwh,试问该电池的能量转换效率为多少?
解:
锂离子电池充放电转换效率公式为:
所以,,=+100%,=+100%=2.60.23.20.15100%=78.69%,4.5钠硫电池,钠硫电池的原理钠硫电池是高温钠系电池的一种,是以金属纳为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的熔融盐二次电池。
电池采用加热系统把不导电的固态盐类电解质加热熔融,使电解质呈离子型导体而进入工作状态。
钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生可逆反应,形成能量的释放和储存。
电池正极反应如下:
电池负极反应如下:
电池总反应如下:
37/46,钠硫电池结构及工作原理图,钠硫电池工作原理图,4.5钠硫电池,钠硫电池的特点能够进行大电流、高功率放电,充放电效率很高,仅能在300-350的温度下工作,系统规模可根据应用需求通过钠硫电池模块集成灵活扩展,达到MW级别;此外还具有无放电污染、无振动、低噪声、环境友好等优点。
钠硫电池的优劣势如表所示:
38/46,4.5钠硫电池,钠硫电池的应用场景钠离子电池体系中除了钠硫电池,还有钠基电池、钠-氯化镍(Zebra)电池和室温钠离子电池,其应用情况如表所示。
39/46,4.6常用电化学储能的对比,针对铅酸电池、锂离子电池、液流电池、钠硫电池储能技术的应用、自身特点等,总结归纳如下。
40/46,以铁锂电池为例:
2010年,初始投资成本为5000元/kWh2015年下降为2500元/kWh2017年下降为2000元/kWh,近几年来,随着可再生能源、电动汽车、需求响应等技术的发展,电池储能得到了广泛的应用,投资成本显著下降。
电池储能成本对比,4.6常用电化学储能的对比,41/46,目前储能技术总体要考虑到能量密度、功率密度,响应时间、效率以及经济性、安全和环保性等因素。
为此,电化学储能技术需要具备高效率、低成本、长寿命、高安全、低污染、易回收的特性。
在实际工程中,应根据储能技术的上述特征,应用目的和需求来选择种类、安装地点、容量及各种技术的配合,还要考虑投资成本。
4.7电化学储能特性分析,42/46,电池储能系统放置示意图,电池单体,超级电池,锂硫电池,一些新型电池技术,钠/氯化镍电池,4.7电化学储能特性分析,43/46,随着研究的不断深入,一些新型电池技术的潜在优势被不断发掘。
钠离子电池成本较低、在高、低温下性能优异以及较高的安全性;超级电池充电速度快、循环寿命长;钠/氯化镍电池安全性好、可靠性高、无自放电、充放电性能好;锂硫电池原材料储量丰富,成本低、比容量和比能量较高且对环境友好。
上述新型电池技术均在储能和动力领域的应用中有着良好的发展前景。
钠离子电池,总结与展望,电化学储能通过储能电池完成能量储存、释放与管理过程;电化学储能技术在电力系统中应用广泛,应用于发电、输电、配电、送电等四个环节;铅酸电池的电极由铅及其氧化物制成,电解液采用硫酸溶液。
放电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;充电状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。
锂离子电池是目前能量密度最高的实用二次电池,锂离子电池是以锂离子为活性离子,充放电时集电器中的锂离子经过电解液在正负极之间脱嵌,将电能储存在嵌入(或插入)锂的化合物电极中的一种电化学储能方式。
液流电池的正极与和负极电解液分别装在两个储罐中,利用送液泵使得电解液通过电池循环,并通过外接管路与流体泵使电解质溶液流入电池堆内进行反应。
44/46,总结与展望,钠硫电池是高温钠系电池的一种,钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生可逆反应,形成能量的释放和储存。
铅酸电池原材料来源丰富、安全可靠、技术成熟、成本低廉;锂离子电池放电电压稳定,能量密度大,寿命较长,自放电率低;液流储能电池容量调节范围宽、充放电效率高、循环寿命长、响应迅速且对环境友好;钠硫电池体积能量密度高、质量功率密度大,工作温度高。
锂离子电池适用于对能量密度、循环寿命要求较高的大规模储能应用场景。
液流电池非常适合规模化、长时间储能的应用场景。
钠硫电池因其可在高温环境下工作,在电力系统有广阔的应用前景。
目前电化学储能技术需要具备高效率、低成本、长寿命、高安全、低污染、易回收的特性;随着研究的不断深入,钠离子电池、超级电池、钠/氯化镍电池和锂硫电池等一些新型电池技术的潜在优势被不断发掘。
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