储能电池分析及发展应用 - pcim

储能电池目前主流应用有哪几种？

目前主流的储能电池有三种，分别是铅酸电池、液流电池和离子电池。

铅酸电池

铅酸电池由法国化学家 Gaston Plante 在 160多年前提出，其工作原理至今几乎没有发生变化。普通铅酸电池的正极活性材料是二氧化铅(PbO)，负极活性材料是铅 (Pb)，而电解液为硫酸溶液(H,SO。电解液既作为电池的反应物，也承担离子输送功能。

其原理为放电时：正负极材料与电解液发生化学反应的过程中，负极释放电子，正极得到电子；充电时：正负极和电解液化学反应产生的硫酸铅被氧化成正负极铅和氧化铅。这个过程就是充放电过程。

液流电池

现代意义的液流电池是在1974 年由美国航空航天局(NASA)工程师赛(LHThaller）提出的，但其容量损失非常严重而且无法长期稳定运行。1986年澳大利亚新南威尔士大学(UNSW)的Skyllas-Kazacos 及其同事们，在正负极电解液中采用相同成分的活性物质，并于当 年首次申请了全液流电池 (VRB)的专利。自2006 年VRB 相关的要专利失效后其规模化研发、制造与应用更是获得了迅速发展。

VRB 通过不同价态的机离子相互转化实现电能的存储与释放，是众多化学电源中唯一使用同种元素组成的电池系统，从原理上避免了正负极不同种类活性物质相互渗透产生的交叉污染。

锂离子电池

1989 年，索尼公司推出了锂离子电池，并在 1990年实现了商业化。

锂离子电池在充电过程中，锂离子从正极材料脱出，通过电解质扩散到负极，并嵌入到负极晶体中，同时得到由外电路从正极流入的电子，放电过程则与之相反。

铅酸电池、液流电池和离子电池优缺点分析

铅酸电池的优点是价格低、安全性能高，且对环境的适应性很强，但其缺点也很明显，再大规模储能应用中，其寿命短、能量密度低的问题，也成为其发展受限的因素。

为了改善其缺点，研究人员在前端电池的负极添加了碳，碳铅电池在改善了铅酸电池的性能，也提高了其使用寿命。使得铅炭电池在辅助新能源并网、电网侧及用户侧储能方面具备了一定的应用空间。

全钒液流电池（VRB ）具有扩容便利、高循环 、soc 可测性及高安全性。

VRB 的主要不足之处是系统复杂；能量密度较低，不适宜小型化或移动式储能系统；为了管理VRB系统中相关的流量、压力、温度、气体或漏液等重要参数指标，维持系统正常运行，并完成故障状态下的保护，应配置相应的电池管理系统 (BMS)

VRB 系统在日本、澳大利亚和中国，均有大量的应用项目，领域覆盖辅助新能源并网、电网侧或用户侧削峰填谷及微电网，其单个集成系统最大容量已达 500kW/2MWh 以上。

锂离子电池具有高能量密度、较高循环寿命 (3000 ~ 6000 次以上)高能量效率(94%~98%)和无污染等特点，在储能应用领域被广泛关注，并逐渐占据主流地位。自 2017 年以来，在全球电池储能累计装机规模与新增装机规模中，锂离子电池储能系统占比均超过 70% 和90%。

锂电池储能系统必须匹配与上述成组形式相应的 BMS，以防止电池生产制造过程中的缺陷以及储能系统使用过程中的滥用导致的电芯寿命缩短、损坏，甚至严重情况下的安全事故。基于成本和可扩展性的综合考量，一个完整的储能系统BMS 由电池组 BMS、电池簇 BMS及系统BMS 组成，这对于由大量电芯串并联组成的大规模储能系统而言，三级 BMS的设计从最大程度上避免了电芯电压的不均衡及其所导致的过充及过放。

储能电池的发展

在经历了铅酸电池和液流电池，目前储能电池的发展以锂离子电池为主。磷酸铁锂和镍钴锰三元材料，是目前发展最为成熟的两种正极材料，并在储能系统中被大量使用。锂电池成本较高，但2023年由于锂矿成本的下降，目前市场主流储能电池为磷酸铁锂电池。

磷酸铁锂和三元锂

磷酸铁锂（LFP）其理论容量为170Ah/kg，实际容量为130~160Ah/kg，且充放电过程中电压平台较稳定，电压范围为 3.2~3.7V，平均电压为3.45V。由于具有较低的固态氧化还原电势以及较高的结构稳定性和热稳定性，使得 LFP 在安全性方面具有明显优势；此外，LFP 材料的主要金属元素为铁，储藏丰富、环境友好、成本低廉。但由于LFP 的电子电导性能较差，最初被认为是一种低功率的正极材料。后来随着纳米颗粒掺杂、无机材料涂层及碳包覆等增强活性物质方法的出现，使得 LFP 的电化学性能显著提高，具有了更好的充放电倍率。

三元锂（NMC）相较 LFP 具有更高的理论容量为273~285A/kg，但为了防止层状结构崩塌，放电时只有 66% 的从正极中脱，所以实际容量一般为 155~220Ah/kg。NMC 在充放电过程中电压曲线倾斜，电压范围为2.5~4.6V，平均电压为 3.6V，这对于通过电压控制进行充放电过程中的安全保护具有重要意义；此外，由于层状结构的特点，使得 NMC 允许相当高的充放电倍率。但由于钴材料的使用提高了电池成本且具有毒性；又由于外部脱嵌导致的结构不稳定，充电过程中氧气析出并释放热量，使得 NMC 对过充电敏感且热稳定性较差，可能导致热失控，需要采取相应方法确保在脱钾反应中层状结构的稳定，并通过对反应颗粒进行涂覆防止其与电解液直接接触。

行业内主流的电池厂商

国内主流的电池厂商以宁德时代为代表企业，其次为比亚迪和亿纬。宁德时代目前动力电池的使用，连续六年全球第一；储能电池出货量连续两年全球第一；宁德时代与2022年实现营收3285.94亿元。2023年，宁德时代发布零碳战略:2025年达成核心运营碳中和，2035年达成价值链碳中和。

储能电池下一步的发展

现阶段，石墨材料是负极材料的主流，但常规石墨负极材料的倍率性能已经难以满足锂电池下游产品的需求；在动力电池方面，碳酸锂可能是新的发展方向；在消费类电子产品方面，需要提高电池的能量密度，以硅-碳(Si-C)复合材料为代表的新型高容量负极材料是未来发展趋势。