不同鉛酸電池在微網(wǎng)中的儲(chǔ)能性能對比

何海斌

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海200070)

不同鉛酸電池在微網(wǎng)中的儲(chǔ)能性能對比

何海斌

（上海電氣集團(tuán)股份有限公司中央研究院，上海200070)

簡述了國內(nèi)外鉛酸電池技術(shù)的研究概況，從理論上分析了普通鉛酸電池、膠體電池和鉛炭電池的區(qū)別。結(jié)合實(shí)驗(yàn)分析了三種不同電池的溫度適應(yīng)能力、放電深度對循環(huán)壽命的影響、自放電率以及容量恢復(fù)能力，結(jié)果顯示膠體電池和鉛炭電池性能顯著優(yōu)于普通鉛酸電池，更適合應(yīng)用在微網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中。對比了不同廠家的鉛炭電池，結(jié)果表明由于炭含量等工藝差別，不同廠家的鉛炭電池在性能上差別會(huì)比較大。

鉛酸電池；膠體電池；鉛炭電池；循環(huán)壽命；放電深度

隨著全球能源問題的日益突出，太陽能、風(fēng)能一直作為新能源發(fā)展的主流，其勢頭越來越強(qiáng)勁。然而，太陽能、風(fēng)能受光照時(shí)間、光照強(qiáng)度、風(fēng)速大小等自然條件的影響，其所發(fā)電力無法平穩(wěn)供給電器直接使用，通常需要使用儲(chǔ)能電池進(jìn)行能量儲(chǔ)存及調(diào)節(jié)[1]。儲(chǔ)能電池已經(jīng)成為制約太陽能、風(fēng)能發(fā)展的關(guān)鍵因素，目前用于電能儲(chǔ)存的電池主要有鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池和鋰電池等。由于使用條件、價(jià)格、一致性等問題的制約，技術(shù)成熟的鉛酸電池一直是儲(chǔ)能應(yīng)用中的主要產(chǎn)品。針對鉛酸電池在微網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用，很多學(xué)者也做了大量的研究。隨著電池材料、工藝和技術(shù)的改進(jìn)，鉛酸電池從結(jié)構(gòu)和特性上不斷改進(jìn)以適應(yīng)電能儲(chǔ)存的要求。

膠體電池和鉛炭電池是對普通鉛酸電池改性研制出來的先進(jìn)鉛酸電池，滿足微網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能高比功率、高充放電適應(yīng)能力、長壽命等需求。由于其優(yōu)越的性能及應(yīng)用前景，一直是行業(yè)的研究熱點(diǎn)，其技術(shù)也在不斷成熟。郭永榔[2]分析認(rèn)為簡單地將硫酸電解液替換為膠體電解液會(huì)導(dǎo)致電池容量的下降；陳巍等[3]對膠體電池在光伏系統(tǒng)中的適用性進(jìn)行了分析，指出膠體電池在荷電保持能力等方面都能比較好地應(yīng)用于光伏系統(tǒng)；Newnham等[4]研究證明了膠體電池抗欠壓能力強(qiáng)、充電恢復(fù)能力強(qiáng)；廖強(qiáng)強(qiáng)等[5]探討了鉛炭電池的性能，并認(rèn)為鉛炭電池在電力儲(chǔ)能市場具有很好的應(yīng)用前景；劉志鵬等[6]論述了不同種類的炭材料對電池性能的影響以及如何抑制析氫現(xiàn)象。本文在此基礎(chǔ)上對比了普通鉛酸電池、膠體電池與鉛炭電池在性能上的差異及在微網(wǎng)系統(tǒng)中的適用性，并通過實(shí)驗(yàn)測試分析不同鉛炭電池在性能上的差異。

1 鉛酸電池原理與比較

1.1 普通鉛酸電池

不同鉛酸電池的原理基本相同，正極是二氧化鉛PbO2，負(fù)極則是金屬鉛Pb，如圖1所示。電解液是硫酸溶液，當(dāng)電池電量充足時(shí)，硫酸一般占電解液質(zhì)量的37%[7]，兩極的反應(yīng)產(chǎn)物為PbSO4，式(1)～(3)分別為正極、負(fù)極以及電池反應(yīng)式。在充放電過程中，硫酸電解液在電池中不僅可以傳導(dǎo)電流形成內(nèi)回路，而且還參加正負(fù)極的電極反應(yīng)。在放電過程中，正負(fù)極逐漸消耗硫酸，進(jìn)入電極表面，即電解液的濃度會(huì)隨著充放電的程度而變化，當(dāng)電極的活性物質(zhì)耗盡，或當(dāng)電解液的濃度太低不足以維持放電反應(yīng)時(shí)，放電終止；在充電過程中，硫酸又從電極回到溶液，導(dǎo)致溶液濃度上升。

圖1 傳統(tǒng)鉛酸電池基本原理

正極反應(yīng)：

負(fù)極反應(yīng)：

電池反應(yīng)：

鉛酸電池的標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)勢為2.105 V，通常開路電壓為2.0 V，放電終止電壓為1.75 V，理論質(zhì)量比能量達(dá)到250 Wh/kg。目前常用的鉛酸電池主要是：吸附式玻璃纖維(AGM)閥控式密封鉛酸電池。鉛酸電池在使用過程中由于正極活性物質(zhì)的軟化脫落，負(fù)極硫酸鹽化，板柵腐蝕等問題很容易導(dǎo)致電池使用壽命大大降低。為解決鉛酸電池的性能問題，通過深入研究影響電池的壽命因素，對鉛酸電池進(jìn)行改性而得到了膠體電池和鉛炭電池。

1.2 膠體電池

膠體閥控式密封鉛酸電池(GEL)是對液態(tài)電解質(zhì)的普通鉛酸電池的改進(jìn)，用膠體電解液代換了硫酸電解液，目前常用的主要有硅凝膠和氣相SiO2。因?yàn)槟z體電解液是以SiO2質(zhì)點(diǎn)作為骨架構(gòu)成的三維多孔網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，并將電解液包圍在里面，所以在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通鉛酸電池有所改善。此外，膠體電解液能夠大大減少電解液分層現(xiàn)象，具有非常優(yōu)異的保液性能，具有比AGM更好的深放電性能和深放電后的恢復(fù)能力，且對溫度的敏感性降低，在較高和較低的溫度下工作性能更穩(wěn)定。

1.3 鉛炭電池

普通鉛酸電池和膠體電池都存在快速充放電性能差、比功率小等問題，而電容器恰好具有高比功率、快速充放電性能，將具有電容器性質(zhì)的炭材料融入鉛酸電池，就是所謂的鉛炭電池。鉛炭電池是一種高級(jí)的鉛酸電池，通過在鉛酸電池中加入活性炭而改變其性能，使其同時(shí)具備了鉛酸電池和電容的功能。目前在鉛酸電池中加入活性炭主要有三種方式。

第一種是鉛炭不對稱電化學(xué)電容器，其是用高比表面積的炭完全取代鉛負(fù)極，正極仍然使用PbO2材料而構(gòu)成的新的電化學(xué)裝置，原理如圖2。在充放電過程中，正極仍然發(fā)生傳統(tǒng)鉛酸電池的電化學(xué)反應(yīng)，其負(fù)極儲(chǔ)能主要是通過雙電層儲(chǔ)存以及可能的H+贗電容儲(chǔ)存，負(fù)極儲(chǔ)能過程如式(4)[8]。在全充電狀態(tài)，H+儲(chǔ)存在負(fù)極中，放電時(shí)，H+移動(dòng)到正極形成H2O，這樣減少了負(fù)極PbSO4的形成，也減少了酸濃度的變化，從而提高了電池的使用壽命。

圖2 鉛炭不對稱電化學(xué)電容器原理圖

第二種是由澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)和工業(yè)研究會(huì)發(fā)展起來的負(fù)極材料由鉛和活性炭單獨(dú)制作，然后通過并聯(lián)形成負(fù)極的鉛酸電池，稱之為內(nèi)并模式，其原理如圖3。該模式下，PbO2極板作為電池正極，負(fù)極是一種分裂的電極形式，即一半炭和一半鉛共同組成電池負(fù)極。在充放電過程中，負(fù)極的充放電電流有電容器電流和鉛酸負(fù)極電流兩種，電容器電極作為電流的緩沖器，分散大電流對鉛負(fù)極板的沖擊，增強(qiáng)了電池在高倍率下充放電的性能。

圖3 鉛炭電池內(nèi)并模式

第三種是由美國Axion公司研發(fā)的，把活性炭混合到負(fù)極材料Pb中制成負(fù)極的鉛酸電池，稱之為內(nèi)混模式，其原理如圖4。負(fù)極板上有少量的炭材料可以提高負(fù)極材料的比表面積，增加負(fù)極材料的電導(dǎo)率，減少負(fù)極硫酸鹽化。在鉛炭電池的發(fā)展過程中，內(nèi)并模式存在著由于炭材料加入量較大，炭材料的析氣導(dǎo)致電池嚴(yán)重失水的問題，以及鉛和炭材料充放電的電位差異，炭材料和板柵間的結(jié)合，制備困難等問題，目前國內(nèi)常用的主要是內(nèi)混模式[9]。

圖4 鉛炭電池內(nèi)混模式

2 鉛炭電池、膠體電池與普通鉛酸電池性能比較

2.1 不同工作溫度下電池容量

微網(wǎng)中儲(chǔ)能電池的工作環(huán)境與其他用途的電池有很大的差別，通常需要在－30～50℃條件下工作，有時(shí)常年需要在低溫環(huán)境下運(yùn)行，這對電池的性能有很大影響，所以理想的儲(chǔ)能電池應(yīng)該有較好的溫度適應(yīng)能力，其在低溫下仍有較好的容量保持能力。圖5為國內(nèi)典型廠家生產(chǎn)的普通鉛酸電池(12 V、200 Ah)、膠體電池(12 V、200 Ah)、鉛炭電池(12 V、150 Ah)在不同工作溫度下的10小時(shí)率容量變化情況，相較于普通鉛酸電池，膠體電池和鉛炭電池在低溫下的容量保持能力均有較大幅度提升。在－20℃條件下，普通鉛酸電池容量已經(jīng)降低到50%以下，而膠體電池和鉛炭電池均保持在60%以上，其主要是因?yàn)槟z體電池中的膠體電解質(zhì)具有較好的溫度保持效果，而鉛炭電池負(fù)極的活性炭具有多孔結(jié)構(gòu)，起到了電解液儲(chǔ)存的作用，并能形成電解質(zhì)離子快速遷移的孔，且活性炭分子也可分隔硫酸鉛晶粒，防止電極材料表面積收縮，提高電導(dǎo)率，因此均具有比普通鉛酸電池更好的低溫容量。

圖5 不同鉛酸電池的10小時(shí)率容量-溫度關(guān)系圖

2.2 不同放電深度下電池壽命

微網(wǎng)中可再生能源發(fā)電很不穩(wěn)定，發(fā)電與用電在時(shí)間上的匹配性較差，儲(chǔ)能系統(tǒng)需要經(jīng)常工作在深充深放狀態(tài)，這就要求儲(chǔ)能電池在較大放電深度(DOD)下仍具有較長的循環(huán)壽命，循環(huán)壽命也是衡量電池優(yōu)劣的一個(gè)重要性能指標(biāo)。圖6為國內(nèi)廠家生產(chǎn)的12 V普通鉛酸電池、12 V膠體電池及12 V鉛炭電池在25℃下不同DOD時(shí)的循環(huán)壽命，在100%DOD下，膠體電池和鉛炭電池的循環(huán)壽命達(dá)到了450次和600次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通鉛酸電池的200次左右；在80%DOD下，膠體電池和鉛炭電池的循環(huán)壽命分別達(dá)到了600次和1 000次，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于普通鉛酸電池的300次左右。由此可見，通過對普通鉛酸電池進(jìn)行改性，膠體電池和鉛炭電池在循環(huán)壽命上有了極大的提升，這在很大程度上降低了儲(chǔ)能電池的儲(chǔ)電成本。同時(shí)，由于負(fù)極板上活性炭的加入，使得極板上孔隙率大大增加，且比膠體電解液更好地抑制了硫酸鹽晶粒的生長，鉛炭電池在循環(huán)壽命上比膠體電池更具有優(yōu)勢。

圖6 不同放電深度下電池循環(huán)壽命

2.3 自放電速率及容量恢復(fù)能力

儲(chǔ)能電池的自放電速率在微網(wǎng)的儲(chǔ)能電池配置中也是一個(gè)很重要的考量指標(biāo)，自放電率影響到儲(chǔ)能電池長時(shí)間擱置后的電量(SOC)情況。比較小的自放電率可以有效避免長時(shí)間擱置后導(dǎo)致的電池電量不足，使得電池長時(shí)間處在較低的SOC狀態(tài)下，致使電池性能受到不可逆的損耗。圖7總結(jié)了國內(nèi)廠家生產(chǎn)的鉛酸電池自放電率參數(shù)，對比了不同鉛酸電池在25℃下經(jīng)過長時(shí)間擱置后的電量變化情況，可以發(fā)現(xiàn)，鉛炭電池和膠體電池的自放電率要低于普通鉛酸電池，普通鉛酸電池自放電率約為每月4%～5%，膠體電池約為每月2%～3%，鉛炭電池約為每月1%～3%。

圖7 不同鉛酸電池的自放電情況

圖8為儲(chǔ)能電池長時(shí)間擱置后放電到截止電壓，再通過恒流限壓充電后的容量恢復(fù)情況。鉛炭電池和膠體電池的容量恢復(fù)分別達(dá)到96.5%和94%，遠(yuǎn)高于普通鉛酸電池的50%左右。同時(shí)，普通鉛酸電池的充電速率也比鉛炭電池和膠體電池要低，顯示經(jīng)過長時(shí)間擱置后，普通鉛酸電池的內(nèi)阻增大比較明顯，其大電流充電能力明顯降低。

圖8 長時(shí)間擱置后不同鉛酸電池充電容量恢復(fù)能力

3 鉛炭電池、膠體電池與普通鉛酸電池綜合性能比較

膠體電池和鉛炭電池在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面都要優(yōu)于普通鉛酸電池。表1為三種電池的綜合性能比較。在普通鉛酸電池的改性過程中，用膠體電解質(zhì)代替硫酸電解質(zhì)會(huì)導(dǎo)致電池內(nèi)阻增加，使得膠體電池的大電流放電能力降低；而鉛炭電池中炭材料的加入也會(huì)導(dǎo)致電池負(fù)極板容易氧化，使負(fù)極析氫嚴(yán)重，但是由表1可知，膠體電池和鉛炭電池比普通鉛酸電池更適合作為微網(wǎng)系統(tǒng)的儲(chǔ)能電池使用，且鉛炭電池性能更突出。

表1 三種鉛酸電池綜臺(tái)性能對比

鉛炭電池在微網(wǎng)儲(chǔ)能上的優(yōu)勢吸引了國內(nèi)眾多電池廠家研發(fā)鉛炭電池，典型廠家如：南都電源、華富儲(chǔ)能、西恩迪和圣陽等。但是由于不同廠家在炭材料添加等生產(chǎn)工藝上的差別，導(dǎo)致所生產(chǎn)的鉛炭電池在性能上也有所差異。分別選取A工廠生產(chǎn)的12 V、200 Ah鉛炭電池和B工廠生產(chǎn)的12 V、200 Ah鉛炭電池通過日本菊水的測試設(shè)備進(jìn)行恒流限壓充放電測試。測試條件為環(huán)境溫度(30±1)℃，電壓范圍10.8～14.5 V，測試結(jié)果如表2～表3所示。

表2 A工廠鉛炭電池充放電測試

表3 B工廠鉛炭電池充放電測試

表2中顯示A工廠生產(chǎn)的鉛炭電池在20 A條件下充電時(shí)，第一次只能達(dá)到額定容量的55.3%，且放電充電比為83.6%；B工廠生產(chǎn)的鉛炭電池在20 A條件下充電時(shí)，第一次達(dá)到額定容量的79.2%，且放電充電比為88%，即在充電過程中，A工廠電池電壓比B工廠上升更快，導(dǎo)致在以電池電壓為控制指標(biāo)的電池系統(tǒng)中，A工廠電池充電容量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于B工廠的電池，且B工廠電池放電充電比高于A工廠電池。在40、50 A充電過程中，B工廠電池的充電量衰減率低于A工廠電池，其比A工廠電池更能適應(yīng)大電流充放電，也更適合在微網(wǎng)系統(tǒng)中使用，即相同型號(hào)的鉛炭電池，由于添加炭及其他生產(chǎn)工藝的不同，將導(dǎo)致不同工廠生產(chǎn)的電池性能會(huì)有較大差別。

4 結(jié)論

鉛炭電池和膠體電池性能優(yōu)越、安全環(huán)保，作為微網(wǎng)系統(tǒng)中的儲(chǔ)能電池具有突出的表現(xiàn)，相比較于普通鉛酸電池，其是微網(wǎng)系統(tǒng)儲(chǔ)能電池的理想選擇，且鉛炭電池的性能更為突出。由于膠體電池中膠體電解液、注膠工藝和隔板材料差異以及鉛炭電池中炭材料的添加量、添加方式等工藝不同導(dǎo)致不同工廠生產(chǎn)的相同型號(hào)產(chǎn)品在性能上有較大差異。蓄電池行業(yè)應(yīng)該加大儲(chǔ)能用膠體電池及鉛炭電池的研發(fā)投入，尤其在電池添加劑等方面的研發(fā)，開發(fā)綜合膠體電池與鉛炭電池性能的超級(jí)電池等[10],同時(shí)需要加緊制定更為詳細(xì)嚴(yán)格的微網(wǎng)系統(tǒng)用儲(chǔ)能電池質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，以進(jìn)一步提高我國儲(chǔ)能用膠體電池和鉛炭電池的技術(shù)水平。

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Performance contrast of different lead-acid battery in micro-grid system

HE Hai-bin
(Central Academe,Shanghai Electric Group Co.,Ltd.,Shanghai 200070,China)

The domestic and foreign research status of lead-acid battery technology was briefly introduced.And the difference of conventional lead-acid battery, gel battery and lead-carbon battery were compared in theory. By combining researches with experiment,the temperature performance,the influence of the depth of discharge of cycle life, the self-discharge and the capacity of resilience were analyzed. The results illustrat that the performance characteristic of the gel battery and the lead-carbon battery are significantly better than conventional lead-acid battery,and more suitable for application in the micro-grid system.Compared the lead-carbon battery of different manufacturers,the results show that for the carbon content difference or any other process difference of the battery,the performance of the lead-carbon battery of different manufacturers are completely different.

lead-acid battery;gel battery;lead-carbon battery;cycle life;depth of discharge

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)10-1455-04

2017-03-01

上海市科委專項(xiàng)資助(14DZ1203400)

何海斌(1987—)，男，湖南省人，工程師，主要研究方向?yàn)榉植际侥茉聪到y(tǒng)、微電網(wǎng)系統(tǒng)規(guī)劃。