电力储能领域铅炭电池储能技术进展

廉嘉丽，王大磊，颜 杰，王康丽，程时杰，蒋 凯,

(1.华中科技大学 材料成型与模具技术国家重点实验室，武汉 430074；2.华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074)

电力储能领域铅炭电池储能技术进展

廉嘉丽1，王大磊2，颜 杰1，王康丽2，程时杰2，蒋 凯1,2

(1.华中科技大学 材料成型与模具技术国家重点实验室，武汉 430074；2.华中科技大学 强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074)

为了缓解能源和环境危机，我国大力发展可再生能源发电和智能电网技术。然而，利用风能、太阳能等可再生能源发电会不可避免地遭受外部环境的干扰，使其输出功率呈现周期性、间歇性和波动性等特征，容易造成系统电能质量过低甚至安全性问题，难以满足负荷侧的用电需求［1］。借助电池储能技术，不仅能够增强电网消纳可再生能源的能力，还能够减小负荷峰谷差，降低供电成本，提高系统稳定性，预防用户停电，最终实现电力需求侧的有效管理［2］。因此，电池储能技术在大规模储能领域具有强大的应用潜能。

目前电化学储能分为铅酸电池、铅炭电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池等几大类型［3］。其中铅酸电池因其历史悠久、工艺成熟和成本低廉，在储能系统中应用广泛［4］。铅酸电池储能系统最初建立于德国，成功实现电力调峰和电网调频；美国自1987年以后陆陆续续在各州建立起十几个不同规模的铅酸电池储能系统，分别用于削峰填谷，改善电能质量，提高能源利用率，充当后备电源等方面。中国在河北省张北县和温州市洞头县也建成2个铅酸电池储能系统，提高电网可靠性并加强需求侧能量管理。

电网等储能应用场合在系统安全性、可靠性和用户侧需求方面具有特定的标准，这就对所用电池的功率密度、使用寿命和成本提出了较高的要求。铅酸电池容易产生正极板腐蚀，负极硫酸盐化等现象，导致其循环寿命较短，严重限制了电池在分布式发电、电动汽车等储能领域的应用和发展［5］。而与铅酸电池相比，铅炭电池的比功率、循环性能和倍率性能均有显著提高，意味着其在储能市场拥有巨大的潜力［6］。

1 铅炭电池的出现背景和原理

1859年，法国的G.plante首次发明制备了铅酸蓄电池，迄今已有160年的发展历史。铅酸电池由于具有工艺成熟、成本低廉、回收利用率高和自放电低等优点，目前在市场中占据一半的比例。但是，在高倍率部分荷电状态下铅酸电池负极存在严重的硫酸盐化现象，这将导致电池循环寿命缩短，严重制约其发展［7］。

超级电池的重要意义在第12届亚洲蓄电池会议中被重点强调，引起各界人士的广泛关注［8］。超级电池其实是将铅酸电池的负极与超级电容器的负极以“内并”的形式结合起来形成的一种新型储能设备，其兼备铅酸电池和超级电容器的优点，结构原理图如图1所示［9］。

图1 超级电池结构原理图［9］

由于超级电池的广受关注，铅炭电池开始进入人们的视野。铅炭电池是通过“内混”的方式把碳材料加入铅酸电池负极板而形成的一种新型储能电池，其结构原理图如图2所示。

图2 铅炭电池结构原理图

2 铅炭电池的性能研究

大规模储能对电池具有多方面的要求，例如：经济性能、安全性能、循环寿命、可规模化程度等。表1对比了常见的铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池等的各方面性能。从表1中可以看出，相比于其他电池，铅酸电池在安全性能，可规模化程度和经济性能方面具有一定的优势，但是循环性能还有待进一步的提升。

表1 不同储能产品的综合性能比较

铅炭电池的循环寿命和经济性能均在铅酸电池的基础上显著增强。下面将重点研究探讨铅炭电池的相关性能。

2.1 安全性能

在电池大规模应用的过程中，电池的安全性能至关重要。现在，不论是在移动数码产品、混合动力电动汽车还是大规模储能系统领域，锂离子电池均热度不减，但是其安全性能确令人担忧。2016年至2017年间，两大手机生产商苹果和三星均因锂离子电池的安全问题遭受经济和名望的双重损失。其中苹果公司召回8万台iPhone6s，而三星电子因Note7电池爆炸问题直接损失了60亿美元。对比之下，铅酸电池因历史悠久，工艺成熟等因素，在安全性能方面更胜一筹。基于铅酸电池研究的深厚根基，铅炭电池逐步得到发展，其制备工艺与铅酸电池相同。因此，就电池安全而言，铅炭电池在各种储能产品中具有突出表现。

2.2 经济性能

度电成本是衡量储能技术发展前景的重要指标。图3展示的是不同储能技术的度电成本。其中FCP铅炭电池的度电成本仅需0.5元/kWh，而传统铅酸电池和锂电池的度电成本分别为1.75元/kWh和1.5元/kWh，远远超过铅炭电池。虽然抽水蓄能的度电成本低于铅炭电池，但因其工期较长，能源浪费严重，不利于社会资源的优化配置。随着储能系统的发展和应用，FCP铅炭电池的度电成本有望降低至0.4元/kWh，与抽水蓄能达到持平状态。目前工商业用户安装储能系统主要缘于节省电费，如果安装FCP铅炭电池系统，以峰谷电价套利作为唯一盈利点，假设峰谷电价差大于0.8元/kWh，则5年时间即可回收成本，这一优势促进了铅炭电池储能系统在需求侧的市场化应用。

图3 不同储能技术度电成本对比

2.3 循环寿命

D G Enos等［11］探讨了部分荷电工况下铅酸电池和铅炭电池的循环性能，如图4所示。结果表明，铅炭电池在部分荷电状态下循环寿命能够达到8 000多次，远远超过了铅酸电池。

图4 标准铅酸电池和铅炭电池的初始容量-循环寿命曲线［11］

南都电源的铅炭电池生产水平处于世界领先地位，其与ALABC联盟合作进行铅炭电池的研发测试，测试结果如图5所示。当电池电压逐步衰减至预先设置的电压值时，即可认定其失效。从图5中可以看出，处于高倍率部分荷电状态下的铅炭电池的循环寿命高于铅酸电池3~4倍。

图5 在高倍率部分荷电状态下铅酸电池和铅炭电池的循环寿命

圣阳股份和日本古河公司研发的FCP铅炭电池在70%放电深度（depth of discharge,DOD）状态下可以循环4 200圈，即使将其用在储能系统中，高压电池组（600 V）循环寿命也高达3 500次。然而锂离子电池在80%DOD状态下高压电池组（600 V）能够循环至2 000次已属不易。综上所述，铅炭电池在储能系统中克服了铅酸电池循环寿命短的缺点，为其成为储能主流技术奠定基础。

2.4 比能量和比功率

Tom Hund等对超级电池和阀控式铅酸电池在高倍率部分荷电状态下的比能量和比功率进行了研究［12］，结果如图6所示。从图6中可以看出，与铅酸电池相比，超级电池的比能量和比功率均有一定程度的提升，最大比功率显著增加。这一结果表明与铅酸电池相比，超级电池的高倍率充放电性能得到了显著改善。

图6 超级电池和铅酸电池比能量和比功率［12］

3 铅炭电池在电网储能中的研究现状

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。

美国联邦运输管理局在公共汽车项目中更是创新性地将铅炭电池与燃料电池结合应用，结果显示混合动力电池能量较大且能实现节能减排［13］；美国Axion公司将铅炭电池应用到海军陆战队的战车中［14］；美国AEP电力公司不断致力于铅炭电池模块的开发，其中HES340型和FES370型已经在太阳能、风能、峰谷电网储能等领域得到广泛应用［15］。近些年，美国也在大力发展铅炭电池电网级储能系统。2011年，美国能源局投资254万美元发展北美地区电网级铅炭电池储能项目，其容量达3 MW/1.4 MWh，用于电网辅助能量存储、频率调节和能源需求管理。之后美国在Oahu.HI和Maui.HI分别建立了容量为15 MW/10 MWh和10 MW/20 MWh的铅炭电池风电储能系统。美国新墨西哥州的Clovis将先进铅炭电池储能技术应用于北美超导体输电，该输电系统是通过3个AC/DC换流站和超导体输电线路把东西互联系统和德克萨斯电力系统联系起来，铅炭电池储能系统在该项目中达到稳定风能发电、削峰填谷的作用。

在澳大利亚，一个3 MW/1.6 MWh的铅炭电池储能系统被投入到King岛项目中，保证新能源接入发电，此外还将铅炭电池技术融入到Hampton风电场项目以保证风机功率平滑输出；日本Suzuki电池公司的铅炭电池储能电动汽车已经可以进行商业化生产；哥伦比亚、南极洲等地区也纷纷建立起了以铅炭电池技术为核心的储能系统。

目前我国的铅炭电池技术大幅度提高并已跻身国际前列。南都电池与国际铅酸电池先进研发组织ALABC共同进行铅炭电池的探索，南都铅炭电池的循环寿命能达到普通储能产品的5倍以上，充电接受能力也显著提升了40%左右，达到世界先进水平，目前该电池在我国河北、青海、西藏、浙江等省的14个微网储能项目中均有应用。圣阳电源与日本古河电池共同开发出了一款FCP铅炭电池，其度电成本接近抽水蓄能，并且具有优异的循环性能和成组性能，由此构建了经济性能良好的储能系统，极大地推动了我国储能系统的商业化应用。同时，与铅炭电池相关的储能工程示范项目也在我国快速建成。南都将铅炭和锂电混合储能系统应用于2 MWh的光储一体化微网储能电站，以达到削峰填谷、平滑功率和预防停电的目的，使我国位处偏远地区的人们可以享受到平稳、持续的用电。南都电源与清华大学和北京四方联合开发了铅炭电池储能系统，并将其应用于内蒙古风电移动储能电站，实现了风电在电网中的平滑接入。新疆吐鲁番工程作为我国首个微电网示范工程，采用了铅炭电池储能系统，该项目的成功应用可以使2万多居民享受优质电能。

4 铅炭电池的机遇与挑战

近几年储能技术已成为电网发展的瓶颈。随着电力体制的深入改革，用户侧分布式储能应用也迅速发展，为储能市场带来机遇。目前三星阳光、南都电源、中航锂电、欣旺达等诸多公司都对储能开展了大规模的投资与研发。我国也纷纷出台系列规定强调储能行业的重要性。国家能源局发布的《关于促进储能技术与产业发展的指导意见（征求意见稿）》中对储能产业的发展目标进行了明确说明：首先加大储能系统示范项目的建设和核心技术的研发，使我国储能技术跻身世界先进水平；其次广泛应用和发展储能项目，带动能源领域经济增长，在国际市场中具备一定的竞争力。因此，2017年将会是储能市场走向爆发的关键节点，各类储能技术必然都会迎来发展的黄金时期。

铅炭电池虽然优点显著，但也存在一些问题，只有改进这些问题才能在众多的储能技术中脱颖而出。下面将对此逐一说明。

（1）碳材料的种类和添加量尚不明确。不同碳材料由于粒径、比表面积、孔隙率和导电性等不同，在铅炭电池中发挥的作用也不相同，但是目前对于这些因素的影响效果仍然没有明确的定论，需要深入的探索。然而对于同样的碳材料，生产地、厂商不同也可能带来不同的效果。因此筛选合适的负极碳材料种类对于改进铅炭电池技术而言至关重要。目前对于碳材料的添加量也没有统一的定论，碳材料添加量过少则达不到提升铅炭电池性能的效果，添加量过多又会降低电池的容量和能量密度等。因此探索碳材料的最优添加量也是目前亟待解决的问题。

（2）负极析氢反应缩短电池循环寿命。在铅炭电池负极中加入低析氢过电位的碳材料会引发充放电过程中负极剧烈的析氢反应，导致电解液干涸，电池循环寿命缩短。针对这一问题可以通过掺杂N、P等元素对碳材料进行表面改性或者在电解液或负极材料中添加高析氢过电位的析氢抑制剂达到抑制析氢的效果，从而延长电池循环寿命［16］。

（3）工艺有待进一步优化。王富茜等研究者认为铅炭电池目前在工艺过程中存在一些问题［17］，比如：碳材料密度远远小于铅粉，两者的结合将增加负极板孔隙率，导致极板发生不同程度的氧化行为；碳材料与活性物质铅混合不均匀影响涂膏的稳定性等，因此需要进一步优化铅炭电池合成工艺，完善电池性能。

（4）铅炭电池污染问题尚未解决。铅炭电池和铅酸电池负极含有大量的重金属铅，会对环境造成严重的污染。我国现在已经加大对铅炭电池的回收力度，但是回收再利用率目前仍与西方发达国家有一定的差距，因此应尽快完善对铅炭电池的回收体系。

（5）度电成本有待进一步降低。目前圣阳电源生产的FCP铅炭电池的度电成本最低为0.5元/ kWh，但是有望进一步优化至0.4元/kWh，增强铅炭电池的经济性能。

5 结论

铅炭电池是一种集超级电容器和铅酸电池的优势为一体的新型储能技术，在混合动力电动汽车和大规模储能系统中拥有广阔的发展前景。本文基于铅炭电池的背景和原理，对铅炭电池及其储能技术进行了探讨，主要结论如下：

（1）与铅酸电池相比，铅炭电池在安全性能、比能量/功率、经济性能和循环寿命等方面均有显著提升。

（2）铅炭电池储能技术可应用于电动汽车、可再生能源接入、削峰填谷、智能微电网和用户侧分布式储能等方面，效果显著。

（3）针对铅炭电池提出改进方向，包括材料的定性定量、性能提高、工艺优化等方面。

（4）在国家政策的大力支持下，铅炭电池凭借其优良特性，有望成为大规模储能系统发展中的主流储能技术。D

参考文献：

［1］ 隋延波,孔令成.先进铅炭电池储能系统解决方案［J］.高科技与产业化,2016,（4）:84-86.

［2］ Roberts B P,Sandberg C.The role of energy storage in development of smart grids［J］.Proceedings of the IEEE, 2011,99（6）:1 139-1 144.

［3］ 蒋凯,李浩秒,李威,等.几类面向电网的储能电池介绍［J］.电力系统自动化,2013,（1）:47-53.

［4］ Wang F,Hu C,Lian J,et al.Phosphorus⁃doped activated carbon as a promising additive for high performance lead carbon batteries［J］.RSC Advances,2017,7（7）:4 174-4 178.

［5］ 贾蕗路,刘平,张文华.电化学储能技术的研究进展［J］.电源技术,2014,（10）:1 972-1 974.

［6］ Yang Z,Zhang J,Kintner Meyer M C W,et al. Electrochemicalenergy storage forgreen grid［J］. Chemical reviews,2011,111（5）:3 577-3 613.

［7］ 王峰,廉嘉丽,王康丽,等.新型炭材料在超级电容器与铅炭电池中的应用研究进展［J］.储能科学与技术, 2014（6）:575-583.

［8］ 华寿南，孔德龙.第12届亚洲蓄电池会议和论文介绍［J］.Chinese LABAT Man（蓄电池），2008,（1）:34-41.

［9］ Lam L T,Louey R,Haigh N P,et al.VRLA Ultrabattery for high⁃rate partial⁃state⁃of⁃charge operation［J］.Journal of Power Sources,2007,174（1）:16-29.

［10］Tong P,Zhao R,Zhang R,et al.Characterization of lead（Ⅱ）⁃containing activated carbon and its excellent performance of extending lead⁃acid battery cycle life for high⁃rate partial⁃state⁃of⁃charge operation［J］.Journal of Power Sources,2015,286（1）:91-102.

［11］ Enos D G,Hund T H,Shane R.Understanding the function and performance of carbon⁃enhanced lead⁃acid batteries［C］//Milestone Report for the DOE Energy Storage Systems Program,SAND:Sandia Report,2011:2 011-3 459.

［12］ Hund T D,Clark N H,Baca W E.Ultrabattery Test Results for Utility Cycling Applications［R］.Sandia National Laboratories（SNL⁃NM）,Albuquerque,NM（United States）,2008.

［13］ Yang Z,Zhang J,Kintner Meyer M C,et al.Electro⁃chemical energy storage for green grid［J］.Chemical reviews,2011,111（5）:3 577-3 613.

［14］ Lam L T,Newnham R H,Ozgun H,et al.Advanced design of valve⁃regulated lead⁃acid battery for hybrid electric vehicles［J］.Journal of power sources,2000,88（1）:92-97.

［15］Lam L T,Haigh N P,Phyland C G,et al.Novel technique to ensure battery reliability in 42⁃V Power Nets for new⁃generation automobiles［J］.Journal of Power Sources, 2005,144（2）:552-559.

［16］Wang F,Hu C,Zhou M,et al.Research progresses of cathodic hydrogen evolution in advanced lead⁃acid batteries［J］.Science Bulletin,2016,61（6）:451-458.

［17］王富茜.铅炭电池研发中存在的问题［C］//北京:中国电工技术学会,2011.

（本栏责任编辑马 雷）

The progresses of lead carbon battery technology for grid⁃scale energy storage

LIAN Jia⁃li1,WANG DA⁃Lei2,YAN Jie1,WANG Kang⁃li2,CHENG Shi⁃jie2,JIANG Kai1,2

(1.State Key Laboratory of Material Processing and Die&Mould Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China;2.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)

储能是高效利用可再生能源和构建智能电网的关键技术。与传统铅酸电池相比，铅炭电池在安全性、经济性和循环性等方面具有明显优势，因而在电力储能领域具有广阔的应用前景。介绍了铅炭电池的发展历程和工作原理，进而从安全性能、度电成本、循环寿命和比能量4个方面与铅酸电池进行对比。阐述了铅炭电池储能技术在储能领域的应用现状，并对铅炭电池目前存在的问题和改进方向进行归纳和总结。

储能；铅炭电池；铅酸电池；循环寿命

Energy storage is a critical technology for the devel⁃opment of renewable energy sources and smart grids.The lead car⁃bon battery shows the excellent performance in the safety,economy and cycle performance,which has a broad prospect in energy storage applications compared to conventional lead-acid battery.This paper analyzes the development history and working principle of lead car⁃bon batteries,and compares them with lead-acid batteries in four as⁃pects:safety performance,electricity cost,cycle life and specific en⁃ergy.Meanwhile,the recent energy storage applications of lead car⁃bon batteries are introduced and the challenges for lead carbon bat⁃tery are also discussed.

energy storage;lead carbon battery;lead-acid bat⁃tery;cyclelife

TM 911.15

A

1009-1831（2017）03-0021-05

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.03.005

2016-04-24