不同铅酸电池在微网中的储能性能对比

何海斌

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海200070)

不同铅酸电池在微网中的储能性能对比

何海斌

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海200070)

简述了国内外铅酸电池技术的研究概况，从理论上分析了普通铅酸电池、胶体电池和铅炭电池的区别。结合实验分析了三种不同电池的温度适应能力、放电深度对循环寿命的影响、自放电率以及容量恢复能力，结果显示胶体电池和铅炭电池性能显著优于普通铅酸电池，更适合应用在微网储能系统中。对比了不同厂家的铅炭电池，结果表明由于炭含量等工艺差别，不同厂家的铅炭电池在性能上差别会比较大。

铅酸电池；胶体电池；铅炭电池；循环寿命；放电深度

随着全球能源问题的日益突出，太阳能、风能一直作为新能源发展的主流，其势头越来越强劲。然而，太阳能、风能受光照时间、光照强度、风速大小等自然条件的影响，其所发电力无法平稳供给电器直接使用，通常需要使用储能电池进行能量储存及调节[1]。储能电池已经成为制约太阳能、风能发展的关键因素，目前用于电能储存的电池主要有铅酸电池、钠硫电池、液流电池和锂电池等。由于使用条件、价格、一致性等问题的制约，技术成熟的铅酸电池一直是储能应用中的主要产品。针对铅酸电池在微网系统中的应用，很多学者也做了大量的研究。随着电池材料、工艺和技术的改进，铅酸电池从结构和特性上不断改进以适应电能储存的要求。

胶体电池和铅炭电池是对普通铅酸电池改性研制出来的先进铅酸电池，满足微网系统储能高比功率、高充放电适应能力、长寿命等需求。由于其优越的性能及应用前景，一直是行业的研究热点，其技术也在不断成熟。郭永榔[2]分析认为简单地将硫酸电解液替换为胶体电解液会导致电池容量的下降；陈巍等[3]对胶体电池在光伏系统中的适用性进行了分析，指出胶体电池在荷电保持能力等方面都能比较好地应用于光伏系统；Newnham等[4]研究证明了胶体电池抗欠压能力强、充电恢复能力强；廖强强等[5]探讨了铅炭电池的性能，并认为铅炭电池在电力储能市场具有很好的应用前景；刘志鹏等[6]论述了不同种类的炭材料对电池性能的影响以及如何抑制析氢现象。本文在此基础上对比了普通铅酸电池、胶体电池与铅炭电池在性能上的差异及在微网系统中的适用性，并通过实验测试分析不同铅炭电池在性能上的差异。

1 铅酸电池原理与比较

1.1 普通铅酸电池

不同铅酸电池的原理基本相同，正极是二氧化铅PbO2，负极则是金属铅Pb，如图1所示。电解液是硫酸溶液，当电池电量充足时，硫酸一般占电解液质量的37%[7]，两极的反应产物为PbSO4，式(1)～(3)分别为正极、负极以及电池反应式。在充放电过程中，硫酸电解液在电池中不仅可以传导电流形成内回路，而且还参加正负极的电极反应。在放电过程中，正负极逐渐消耗硫酸，进入电极表面，即电解液的浓度会随着充放电的程度而变化，当电极的活性物质耗尽，或当电解液的浓度太低不足以维持放电反应时，放电终止；在充电过程中，硫酸又从电极回到溶液，导致溶液浓度上升。

图1 传统铅酸电池基本原理

正极反应：

负极反应：

电池反应：

铅酸电池的标准电动势为2.105 V，通常开路电压为2.0 V，放电终止电压为1.75 V，理论质量比能量达到250 Wh/kg。目前常用的铅酸电池主要是：吸附式玻璃纤维(AGM)阀控式密封铅酸电池。铅酸电池在使用过程中由于正极活性物质的软化脱落，负极硫酸盐化，板栅腐蚀等问题很容易导致电池使用寿命大大降低。为解决铅酸电池的性能问题，通过深入研究影响电池的寿命因素，对铅酸电池进行改性而得到了胶体电池和铅炭电池。

1.2 胶体电池

胶体阀控式密封铅酸电池(GEL)是对液态电解质的普通铅酸电池的改进，用胶体电解液代换了硫酸电解液，目前常用的主要有硅凝胶和气相SiO2。因为胶体电解液是以SiO2质点作为骨架构成的三维多孔网状结构，并将电解液包围在里面，所以在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通铅酸电池有所改善。此外，胶体电解液能够大大减少电解液分层现象，具有非常优异的保液性能，具有比AGM更好的深放电性能和深放电后的恢复能力，且对温度的敏感性降低，在较高和较低的温度下工作性能更稳定。

1.3 铅炭电池

普通铅酸电池和胶体电池都存在快速充放电性能差、比功率小等问题，而电容器恰好具有高比功率、快速充放电性能，将具有电容器性质的炭材料融入铅酸电池，就是所谓的铅炭电池。铅炭电池是一种高级的铅酸电池，通过在铅酸电池中加入活性炭而改变其性能，使其同时具备了铅酸电池和电容的功能。目前在铅酸电池中加入活性炭主要有三种方式。

第一种是铅炭不对称电化学电容器，其是用高比表面积的炭完全取代铅负极，正极仍然使用PbO2材料而构成的新的电化学装置，原理如图2。在充放电过程中，正极仍然发生传统铅酸电池的电化学反应，其负极储能主要是通过双电层储存以及可能的H+赝电容储存，负极储能过程如式(4)[8]。在全充电状态，H+储存在负极中，放电时，H+移动到正极形成H2O，这样减少了负极PbSO4的形成，也减少了酸浓度的变化，从而提高了电池的使用寿命。

图2 铅炭不对称电化学电容器原理图

第二种是由澳大利亚联邦科学和工业研究会发展起来的负极材料由铅和活性炭单独制作，然后通过并联形成负极的铅酸电池，称之为内并模式，其原理如图3。该模式下，PbO2极板作为电池正极，负极是一种分裂的电极形式，即一半炭和一半铅共同组成电池负极。在充放电过程中，负极的充放电电流有电容器电流和铅酸负极电流两种，电容器电极作为电流的缓冲器，分散大电流对铅负极板的冲击，增强了电池在高倍率下充放电的性能。

图3 铅炭电池内并模式

第三种是由美国Axion公司研发的，把活性炭混合到负极材料Pb中制成负极的铅酸电池，称之为内混模式，其原理如图4。负极板上有少量的炭材料可以提高负极材料的比表面积，增加负极材料的电导率，减少负极硫酸盐化。在铅炭电池的发展过程中，内并模式存在着由于炭材料加入量较大，炭材料的析气导致电池严重失水的问题，以及铅和炭材料充放电的电位差异，炭材料和板栅间的结合，制备困难等问题，目前国内常用的主要是内混模式[9]。

图4 铅炭电池内混模式

2 铅炭电池、胶体电池与普通铅酸电池性能比较

2.1 不同工作温度下电池容量

微网中储能电池的工作环境与其他用途的电池有很大的差别，通常需要在－30～50℃条件下工作，有时常年需要在低温环境下运行，这对电池的性能有很大影响，所以理想的储能电池应该有较好的温度适应能力，其在低温下仍有较好的容量保持能力。图5为国内典型厂家生产的普通铅酸电池(12 V、200 Ah)、胶体电池(12 V、200 Ah)、铅炭电池(12 V、150 Ah)在不同工作温度下的10小时率容量变化情况，相较于普通铅酸电池，胶体电池和铅炭电池在低温下的容量保持能力均有较大幅度提升。在－20℃条件下，普通铅酸电池容量已经降低到50%以下，而胶体电池和铅炭电池均保持在60%以上，其主要是因为胶体电池中的胶体电解质具有较好的温度保持效果，而铅炭电池负极的活性炭具有多孔结构，起到了电解液储存的作用，并能形成电解质离子快速迁移的孔，且活性炭分子也可分隔硫酸铅晶粒，防止电极材料表面积收缩，提高电导率，因此均具有比普通铅酸电池更好的低温容量。

图5 不同铅酸电池的10小时率容量-温度关系图

2.2 不同放电深度下电池寿命

微网中可再生能源发电很不稳定，发电与用电在时间上的匹配性较差，储能系统需要经常工作在深充深放状态，这就要求储能电池在较大放电深度(DOD)下仍具有较长的循环寿命，循环寿命也是衡量电池优劣的一个重要性能指标。图6为国内厂家生产的12 V普通铅酸电池、12 V胶体电池及12 V铅炭电池在25℃下不同DOD时的循环寿命，在100%DOD下，胶体电池和铅炭电池的循环寿命达到了450次和600次，远远大于普通铅酸电池的200次左右；在80%DOD下，胶体电池和铅炭电池的循环寿命分别达到了600次和1 000次，远远大于普通铅酸电池的300次左右。由此可见，通过对普通铅酸电池进行改性，胶体电池和铅炭电池在循环寿命上有了极大的提升，这在很大程度上降低了储能电池的储电成本。同时，由于负极板上活性炭的加入，使得极板上孔隙率大大增加，且比胶体电解液更好地抑制了硫酸盐晶粒的生长，铅炭电池在循环寿命上比胶体电池更具有优势。

图6 不同放电深度下电池循环寿命

2.3 自放电速率及容量恢复能力

储能电池的自放电速率在微网的储能电池配置中也是一个很重要的考量指标，自放电率影响到储能电池长时间搁置后的电量(SOC)情况。比较小的自放电率可以有效避免长时间搁置后导致的电池电量不足，使得电池长时间处在较低的SOC状态下，致使电池性能受到不可逆的损耗。图7总结了国内厂家生产的铅酸电池自放电率参数，对比了不同铅酸电池在25℃下经过长时间搁置后的电量变化情况，可以发现，铅炭电池和胶体电池的自放电率要低于普通铅酸电池，普通铅酸电池自放电率约为每月4%～5%，胶体电池约为每月2%～3%，铅炭电池约为每月1%～3%。

图7 不同铅酸电池的自放电情况

图8为储能电池长时间搁置后放电到截止电压，再通过恒流限压充电后的容量恢复情况。铅炭电池和胶体电池的容量恢复分别达到96.5%和94%，远高于普通铅酸电池的50%左右。同时，普通铅酸电池的充电速率也比铅炭电池和胶体电池要低，显示经过长时间搁置后，普通铅酸电池的内阻增大比较明显，其大电流充电能力明显降低。

图8 长时间搁置后不同铅酸电池充电容量恢复能力

3 铅炭电池、胶体电池与普通铅酸电池综合性能比较

胶体电池和铅炭电池在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面都要优于普通铅酸电池。表1为三种电池的综合性能比较。在普通铅酸电池的改性过程中，用胶体电解质代替硫酸电解质会导致电池内阻增加，使得胶体电池的大电流放电能力降低；而铅炭电池中炭材料的加入也会导致电池负极板容易氧化，使负极析氢严重，但是由表1可知，胶体电池和铅炭电池比普通铅酸电池更适合作为微网系统的储能电池使用，且铅炭电池性能更突出。

表1 三种铅酸电池综台性能对比

铅炭电池在微网储能上的优势吸引了国内众多电池厂家研发铅炭电池，典型厂家如：南都电源、华富储能、西恩迪和圣阳等。但是由于不同厂家在炭材料添加等生产工艺上的差别，导致所生产的铅炭电池在性能上也有所差异。分别选取A工厂生产的12 V、200 Ah铅炭电池和B工厂生产的12 V、200 Ah铅炭电池通过日本菊水的测试设备进行恒流限压充放电测试。测试条件为环境温度(30±1)℃，电压范围10.8～14.5 V，测试结果如表2～表3所示。

表2 A工厂铅炭电池充放电测试

表3 B工厂铅炭电池充放电测试

表2中显示A工厂生产的铅炭电池在20 A条件下充电时，第一次只能达到额定容量的55.3%，且放电充电比为83.6%；B工厂生产的铅炭电池在20 A条件下充电时，第一次达到额定容量的79.2%，且放电充电比为88%，即在充电过程中，A工厂电池电压比B工厂上升更快，导致在以电池电压为控制指标的电池系统中，A工厂电池充电容量要远远低于B工厂的电池，且B工厂电池放电充电比高于A工厂电池。在40、50 A充电过程中，B工厂电池的充电量衰减率低于A工厂电池，其比A工厂电池更能适应大电流充放电，也更适合在微网系统中使用，即相同型号的铅炭电池，由于添加炭及其他生产工艺的不同，将导致不同工厂生产的电池性能会有较大差别。

4 结论

铅炭电池和胶体电池性能优越、安全环保，作为微网系统中的储能电池具有突出的表现，相比较于普通铅酸电池，其是微网系统储能电池的理想选择，且铅炭电池的性能更为突出。由于胶体电池中胶体电解液、注胶工艺和隔板材料差异以及铅炭电池中炭材料的添加量、添加方式等工艺不同导致不同工厂生产的相同型号产品在性能上有较大差异。蓄电池行业应该加大储能用胶体电池及铅炭电池的研发投入，尤其在电池添加剂等方面的研发，开发综合胶体电池与铅炭电池性能的超级电池等[10],同时需要加紧制定更为详细严格的微网系统用储能电池质量标准，以进一步提高我国储能用胶体电池和铅炭电池的技术水平。

[1]王兴锋，黄毅，戴厚爱，等.浅谈光伏系统用储能铅酸蓄电池[J].太阳能，2014(12)：43-45.

[2]郭永榔.胶体阀控式铅酸蓄电池电性能研究[J].蓄电池，2004(4)：147-151.

[3]陈巍，毛羽文，毛有文，等.胶体电池在光伏系统中的适用性分析[J].能源工程，2012(3)：25-29.

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[5]廖强强，邱琳，楼晓东，等.铅炭电池的性能及其在电力储能中的应用[J].发电技术，2014，35(11)：117-121.

[6]刘志鹏，顾大明，陈锋强，等.铅炭电池技术的研究[J].蓄电池，2014(6)：282-288.

[7]刘胜永，张兴.新能源分布式发电系统储能电池综述[J].电源技术，2012，36(4)：601-605.

[8]陶占良，陈军.智能电网储能用二次电池体系[J].科学通报，2012(27)：2545-2560.

[9]陈飞，张慧，马换玉，等.铅炭电池的研究现状[J].电池，2013(3)：170-173.

[10]徐冬明，张明，杨宝峰.胶体铅炭电动自行车电池[J].电动自行车，2013，6：18-20.

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

上海市科委专项资助(14DZ1203400)

何海斌(1987—)，男，湖南省人，工程师，主要研究方向为分布式能源系统、微电网系统规划。