鉅大LARGE | 點擊量：9793次 | 2021年06月04日
什么是鉛炭電池？鉛炭電池有什么優(yōu)缺點
在電網(wǎng)規(guī)模儲能應用和混合動力汽車等領域，通常電池要在高電流密度條件下循環(huán)，即高倍率充放電操作，使得鉛酸電池常常由于負極硫酸鹽化而失效，從而極大地影響鉛酸電池的使用壽命。而鉛炭電池就是在傳統(tǒng)鉛酸電池的基礎上加入碳，極大地提高了鉛酸電池的壽命。
鉛炭電池性能
鉛炭電池充電時間為鉛酸電池的八分之一，循環(huán)壽命為鉛酸電池的四倍以上，與鋰離子電池相比，也具有低溫性能好、成本低、生產(chǎn)及回收工藝成熟等優(yōu)勢，倍率性能也大大提高，鉛炭電池在儲能領域的產(chǎn)業(yè)化應用已經(jīng)開始走向成熟。
我國科學院院士楊裕生認為憑借低成本、安全、原料易得、可靠、產(chǎn)業(yè)化技術成熟等顯著優(yōu)勢，鉛炭電池已經(jīng)成功應用于城市微電網(wǎng)、風光儲能電站、風電路燈等系統(tǒng)，還能為各種電動汽車供應動能，是符合我國產(chǎn)業(yè)布局和制造水平的一種儲能電池。
鉛炭電池的構成
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
鉛炭電池是一種特殊的電容型鉛酸電池，傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池單體是由一個二氧化鉛正極板和一個海綿狀鉛負極板組成，而不對稱超級電容器則是由二氧化鉛正極板和碳負極板組成。由于二者有共同的正極板，因此可以將二者復合在同一電池體系內(nèi)，即形成所謂的鉛炭電池。
鉛炭電池的優(yōu)缺點
從圖1可以看出，相比于傳統(tǒng)鉛酸電池，鉛炭電池在負極加入了碳材料。碳材料的加入加速了轉(zhuǎn)化過程中活性物質(zhì)的轉(zhuǎn)化，活性炭表面形成了新的活性中心，降低了極板充電過程中的極化，并抑制硫酸鉛顆粒長大，有利于硫酸鉛的還原。所以在鉛酸蓄電池中加入適量的碳能夠有效抑制硫酸鉛晶體在負極表面的積累，減緩硫酸鹽化的趨勢，使得電池循環(huán)的壽命顯著新增。
同時，與在高倍率充放電過程中，超級電容器能夠快速供應和吸收電荷，發(fā)揮緩沖器的用途。因此與超級電容器的配合提高了電池的功率，延長了電池循環(huán)壽命。
儲能系統(tǒng)構成
儲能系統(tǒng)中，除了電池的應用以外，還涉及到了電池管理系統(tǒng)（BMS）以及過程控制系統(tǒng)（PCS）等。BMS重要用于估測動力鋰電池組的荷電狀態(tài)，即電池剩余電量；在電池充放電過程中進行動態(tài)監(jiān)測等，是電池能量管理系統(tǒng)中的一項關鍵技術。圖2展示了儲能電站運營管理系統(tǒng)的示意圖。
鉛炭電池的優(yōu)缺點
鉛炭電池的優(yōu)缺點
當儲能電站配合光伏并網(wǎng)發(fā)電時，光伏組件首先利用太陽能電池板的光伏效應將光能轉(zhuǎn)換為電能，之后對電池組進行充電，通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電對負載進行供電；BMS根據(jù)日照強度與負載的變化，實時調(diào)節(jié)蓄電池組的充放電狀態(tài)，使整個系統(tǒng)保持了持續(xù)性和穩(wěn)定性。
電池組在整個儲能系統(tǒng)中起到了能量調(diào)節(jié)和平衡負載的重大用途。它在用電低谷時將電能轉(zhuǎn)化為化學能儲存起來，以備供電不足時使用。而鉛炭電池本身更好的充放電接收能力（100%深度放電后，以2.35V/單位恒壓限流0.15C10（A）充電10小時，充電量在放出電量的98%以上）；極低的自放電；以及70%DOD預期循環(huán)壽命4000次、可回收的特性，使得鉛炭電池相關于儲能系統(tǒng)相比于傳統(tǒng)的鉛酸電池更具有優(yōu)勢。
鉛炭電池成本分析
由第一部分分析可知，鉛炭電池是由傳統(tǒng)的鉛酸電池與超級電容器結(jié)合出現(xiàn)的新型鉛酸電池，另外，在實踐中，由于因此鉛炭電池的成本與價格受到一系列要素價格的影響，包括：活性炭價格與供給量、鉛價格波動、電容器價格以及其他因素例如添加劑石墨烯等。
鉛炭電池的優(yōu)缺點
鉛炭電池的優(yōu)缺點
從圖4中可以看到，2016年下半年，活性炭價格先有一個明顯下跌，之后緩慢回升。此系列的上一篇報告中分析可以了解，近些年來鉛資源的價格大體呈先較為穩(wěn)定的狀態(tài)，但在近半年價格有一定幅度的提升，具體走勢圖見圖5。
從各項原材料影響程度來看，理論上鉛炭電池價格很大程度是由鉛價格來決定的，關于鉛的需求彈性較小，鉛價的波動很可能造成鉛炭電池成本的新增。但另一方面，通常公司對下游客戶存在價格聯(lián)動，有時間差，所以鉛價的波動也有可能給雙方帶來盈利。至于導電性、延展性能都很好的石墨烯，相比于活性炭而言，由于其高昂的價格，使得鉛炭電池目前關于石墨烯的需求彈性較大，在加工過程中，更為普遍的做法是加入一定量的活性炭來對傳統(tǒng)鉛酸電池性能進行改善。
應用
由于使用了鉛炭技術，鉛炭電池的性能遠遠優(yōu)于傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池，同時又具有與傳統(tǒng)鉛酸電池相近的低廉價格優(yōu)勢及成熟的工業(yè)制造基礎，在各種應用領域有著極強的競爭力優(yōu)勢。
比較
在目前的儲能領域中，運用和關注度較廣的化學儲能方式除了鉛炭電池外，還有鋰離子電池。除此以外，抽水儲能是當今世界上運用最廣、技術最成熟的一種物理儲能方式。接下來對這三種儲能方式進行比較分析。
鉛碳電池
由于鉛炭電池是在傳統(tǒng)的鉛酸電池上發(fā)展起來的，它具有很多優(yōu)勢：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2000次；四是性價比高，比鉛酸電池的售價有所提高，但循環(huán)使用的壽命大大提高了；五是使用安全穩(wěn)定，可廣泛地應用在各種新能源及節(jié)能領域。隨著產(chǎn)量增高，鉛炭電池的成本隨著規(guī)模效應提升而進一步下降，未來的應用前景更加廣闊。
鋰離子電池
與鉛炭電池相對應的另一種化學儲能方式就是鋰離子電池。鋰離子電池具有能量密度大，循環(huán)壽命長，自放電率低且環(huán)保等優(yōu)點，重要應用于現(xiàn)今筆記本和手機兩大產(chǎn)業(yè)。由于其自身的優(yōu)勢，鋰離子電池同樣也是未來大規(guī)模儲能系統(tǒng)的一個理想選擇。
在未來的應用中，鋰離子電池在安全性、循環(huán)壽命、成本和工作溫度范圍方面仍然存在問題。與其它充電電池不同，鋰離子電池的容量會緩慢衰退，與使用次數(shù)有關，也與溫度有關。這種衰退的現(xiàn)象可以用容量減小表示，也可以用內(nèi)阻升高表示。
盡管隨著動力鋰電池應用的推廣，鋰離子電池技術、成本都有很大提升，但是目前鋰離子電池成本仍然是鉛炭電池的3倍以上。在儲能領域，除了高端數(shù)據(jù)中心及對儲能電池重量有嚴格限制的使用場景外，目前運用鋰離子電池進行儲能的商業(yè)項目非常少。
抽水儲能
抽水儲能是當今世界上運用率最廣，技術最成熟的一種儲能方式，它屬于物理儲能。抽水儲能是在電力負荷低谷期將水從下池水庫抽到上池水庫時將電能轉(zhuǎn)化成重力勢能儲存起來的形式，綜合效率在70%到85%之間，應用在電力系統(tǒng)的調(diào)峰填谷、調(diào)頻、調(diào)相、緊急事故備用等。但抽水儲能的建立很大程度上得依靠地理位置的選擇，因此，使其在未來進一步的發(fā)展應用中受到了一定的限制。
