锌镍电池在储能技术领域中的应用及展望

王江林，徐学良，丁青青，朱军平，马永泉，赵 磊，刘孝伟

（超威电源有限公司，浙江 长兴 313100）

1 技术原理及简介

新能源产业已经成为世界各个国家大力推广的领域，而动力及储能电池作为这个领域的重要组成部分，其开发及新型电池的出现将是这个行业大发展的重要保证。锌镍二次电池的正极材料为Ni(OH)2和NiOOH，负极材料为ZnO 和Zn，电解液为ZnO 饱和的KOH 水溶液。锌镍电池具有比能量高（约80 W·h/kg）、比功率高、工作电压高（锌负极为-1.24 V，镍正极为0.49 V，总电压约1.7 V）、低温性能良好（可在-40 ℃以下条件下工作）、方便适用和无记忆效应等优点，其次锌作为电池负极，价格低廉，适合大批量生产。在锌镍电池的体系中，Ni(OH)22NiOOH 理论容量为289 mA·h/g，ZnZnO 为659 mA·h/g，电池理论比能量为334 mA·h/g[1-5]。锌镍电池的电极反应如下

2 电化学储能应用简介

在电力系统中储能主要应用有可再生能源发电、削峰填谷、调峰、智能电网建设、提升供电及提升供电稳定性等[6-7]。储能很多情况下十分必要，仅是储能并不产生能量，因此可应用的储能技术必须是低成本、高效率的技术。目前，较为成熟的电化学储能技术有铅酸电池（铅炭电池）、锂离子电池、超级电容器、液流电池等[8-10]。

根据全球储能项目库（CNESA）的统计结果分析，截至2017年底，全球已经投运的项目中，累计装机规模的储能项目同比增长4%，达到了175.4 GW[10]。从图1 可以看出，在2017年，抽水蓄能的累计装机规模占有量巨大，是整个储能规模的96%，较上一年同期的97%相比，下降1 个百分点；紧随其后的就是电化学储能，规模达到了2926.6 MW，同比增长45%，但是只占全球储能市场的1.7%。在电化学储能规模中，锂离子电池作为储能市场的领军力量，装机占比超过75%。其他还有铅蓄电池（主要以铅炭电池为主）、液流电池（包含全钒液流电池、锌镍单液流电池等）、钠硫电池、超级电容器及其他新型的电化学储能电池技术[11-13]。

图1 全球储能市场累计装机规模（2000—2017）[10]Fig.1 Cumulative installed capacity of the global energy storage market(2000—2017) [10]

图2 2018年上半年全球已投运行电化学储能项目的地区分布（MV） [13]Fig.2 Regional distribution of electrochemical energy storage projects deployed globally in the first half of 2018（MV）[13]

从图2 2018年上半年全球已投运行电化学储能项目的地区分布可以看出，全球的电化学储能中，中国已经占有15%的比重，未来将会越来越大[14]。储能系统的开发必须要具备以下要求：高效率（电池的输出效率达到90%以上）、低成本、易维护、安全性好。现有的的储能技术大致可分为机械储能（即抽水储能系统）、电化学储能（新型电池储能技术）与电能直接存储[15-16]。

3 锌镍电池的技术特点

（1）锌镍电池具有较高的能量密度。锌镍电池的理论比能量为334 W·h/kg，实际比能量可高达80 W·h/kg[17]，而理论比能量还有很大的上升空间，见图3。

（2）低温性能良好。由于锌镍电池在放电过程中为放热反应，这与其他类别的电池放电模式相反，可为自身提供热量，提高了电解液的流动性。使得锌镍电池可以在-40 ℃以下的温度下正常使用，低温性能优越，见图4。

图3 锌镍电池24 V/130 A·h 在-43 ℃条件下的大电流充放测试Fig.3 High current charge and discharge test of zinc nickel batteries at -43 ℃ at 24 V/130 A·h

图4 锌镍电池24 V/130 A·h 低温-43 ℃条件下0.2 C 放电曲线Fig.4 Discharge curve of 0.2 C for zinc nickel batteries at low temperature -43 ℃at 24 V/130 A·h

（3）循环寿命长。锌镍电池在100%DOD放电下，循环寿命为1000～2000 次，在80%的DOD 充放条件下循环寿命达到5000 次以上，能量转换率达到90%～95%[18]。

（4）电池价格低廉。锌作为电池的负极和电解液的重要材料，锌矿在我国资源丰富，产地遍布全国。主要集中在云南、内蒙古、甘肃、广东、湖南和广西，探明储量为8239.98 万吨，占全国铅合计储量（12956.92 万吨）的64%。锌矿资源丰富，储量比锂高，价格比锂便宜，是提供电池高比能量的重要因素，从这个角度看，锌基电池比锂电池在长远看更具竞争优势[19]。

（5）锌镍电池安全性优越。锌镍电池中均为金属，电解液为半饱和或饱和ZnO 的碱性水系电解液，不会出现燃烧和爆炸；现在的电力调频储能系统需要具备极强的功率特性和极高的安全性能，一般都采用超级电容器或者功率型钛酸锂电池，也有部分要求不高的调频电站采用磷酸铁锂电池作为调频使用。这几种化学电源都是有机体系，如电池出现短路等情况将会带来安全隐患[20-21]。

图5 锌镍电池(2 V/10 A·h)3 C 放电数据Fig.5 Zinc nickel battery(2 V/10 A·h) 3 C discharge data

图6 超威集团200 A·h（a），100 A·h（b）锌镍电池实验样品Fig.6 Experimental samples of zinc nickel battery,CHLWEE Power Group 200 A·h(a), 100 A·h(b)

图7 沉积型锌镍单液流电池示意图[23]Fig.7 Diagram of Zn Ni single liquid flow battery

图8 锌镍单液流电池的的发展[24]Fig.8 Development of zinc-nickel single-liquid flow batteries[24]

图9 由68 台200 A·h 的锌镍单液流电池组成的50 kW·h储能系统[25]Fig9 50 kW energy storage system consisting of 68 zinc and nickel single-liquid flow batteries[25]

图10 300 A·h 锌镍单液流电池的充电/放电性能[26]Fig.10 300 A·h Zn nickel single liquid flow battery charge/discharge performance[26]

（6）锌镍电池的大电流性能优越，可在1～5 C以上的大电流条件下充放。

4 锌镍电池的优势及储能的应用

对锌镍电池（210 A·h）进行了大电流充放，即3 C（30 A·h）的电流进行冲放，从图中可以看出，电池循环了约1600 次，电池的效率仍然在95%以上，见图5。

作为10 A·h 电池，在3 C 的条件进行充放，且效率抑制维持在95%以上。锌镍电池的优越性足以体现，将铅酸蓄电池、锂电池、锌镍电池进行比较，使用相同的功率的电池储能系统，锌镍电池可以经过大电流的充放，这是其他电池不能比拟的。即锌镍电池可将功率进行相应的降低仍然能够满足储能系统的应用。

铅炭电池如果在这种长期不充足电条件下运行如何有待考证，而锂电池在大规模储能系统中的安全性能也存在较大风险。开发出高能量效率、长寿命锌镍电池，具有恒功率充放电效率高的优点，安全性能也是优于锂电池，可以很好地适应调峰的应用条件，将具有更强的竞争力。

近几年来，以杨裕生院士、程杰等[22]为主导的锌镍单液流电池在储能行业得到大力的推广和应用。电池的平均电压可达1.65 V，库仑效率为96%，模拟电池在80%DOD 充放电超过4000 次。10 W 和100 W 级电堆已基本实现，分别达到了2000 和1000 次循环，见图7。

锌镍单液流电池的研发在基础技术研究、原理验证、小规模中试等阶段有了坚实的基础，在现有的实验室原理电池循环寿命已经突破了万次以上。以杨裕生院士与超威集团合作的浙江裕源储能科技有限公司已经开始单液流锌镍电池的生产[27-30]。现有的50 kW·h 储能系统由168 个200 A·h 单体电池串联而成，实际能效可达80%；新一代300 A·h 电池正在试机生产中，显示出了极好的应用前景[31]。

5 结 语

在全球能源枯竭及环境保护的各种压力下，储能技术将是全球新能源发展的重要趋势[32]。各国先后实施新能源政策，从项目规划上看，电化学储能技术将迎来蓬勃发展的阶段。在用户储能系统的推广、电网储能系统的建设、调频调峰的政策指引下，电化学储能将会是新能源企业的很大机遇[33-35]。目前全球装机总量及装基规模还是铅炭电池和锂离子电池为主。如何实现储能技术更低的成本、更高的安全性、更快的充放电，还需要研究人员不断的创新。

就锌镍电池而言，国内外的企业已经开始布局，美国PowerGenix 公司前期研发中心在美国，后来搬迁至中国深圳，已经投入3 亿美元进行技术研发。主要开发电动工具、通讯UPS 电源、汽车起动用锌镍电池等（该公司被收购并更名“Zincfive”）[38-40]。其次，深圳倍特力公司、比亚迪、ATL、江苏海四达公司、深圳格瑞普公司、河南环宇集团、广州博特、杭州新研等都进行了大量的研究工作。中南大学、南开大学、武汉大学、浙江大学、天津十八所等高校科研机构对锌镍电池也都有较为深入的研究，在很多期刊上都有相关的研究报道[41]。最近由于新材料、新工艺、新设备的发展，带动了锌镍电池研发的突破。

锌镍电池作为一种新型的电池，已经初步展现出锋芒，虽然在全球看来，没有大规模出现储能领域的装机，以及国内大批量生产。但是随着该电池的优越性体现，将很快出现在世人面前。

使用的正负极材料为锌和锰作为主要电极材料，两种材料在国内储藏量均很高，成本将会进一步的降低，对电池市场将是巨大冲击。该电池现在还处于实验室阶段，新材料和新技术的研发将会进一步提升电池性能，降低材料成本，实现更便宜的充电电池，预测会比铅酸更便宜。

超威集团研发中心的技术人员后续逐步研发：锌空气电池、锌铁电池等系列锌基电池。该类电池负极均采用锌作为负极，利用锌基电池的高比能量，高循环寿命，低成本的优势，电池的优势将会逐渐显现。

但是作为电池的生产商，铅酸蓄电池近几年初步完成了生产责任制，即谁生产谁回收的模式。随着锌镍电池的量产和工业化储能电站的建设，电池的回收将会是一个艰巨的任务。国内外由于还没有出现锌镍电池的大规模使用，其回收工艺和设备均没有成熟。故在往后的时间里，锌镍电池的回收将会是一个机遇也是一个挑战。