1.6.1　電化學儲能

(1)鉛蓄電池

一種以不同價態的鉛作為電化學活性物質,以硫酸水溶液作為支持電解液的可充電二次電池。鉛酸電池荷電狀態下,正極主要成分為二氧化鉛,負極主要成分為鉛;放電終止狀態下,正負極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸電池的標稱電壓為2.0V,可以放電到1.5V,充電到2.4V。近年發展起來的鉛炭電池是一種電容型鉛酸電池,是從傳統的鉛酸電池演化出來的技術,它是在鉛酸電池的負極中加入了活性炭,能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。

鉛炭電池是一種新型的超級電池,它將鉛酸電池和超級電容器兩者合一:既發揮了超級電容瞬間大容量充電的優點,也發揮了鉛酸電池的比能量優勢,且擁有非常好的充放電性能。由于添加了碳,阻止了負極硫酸鹽化現象,改善了過去電池失效的一個因素,更延長了電池壽命。

(2)鋰離子電池

鋰離子電池是指以鋰離子嵌入化合物為正極材料電池的總稱,它是一種依靠鋰離子在電池正極和負極之間移動,通過正極和負極上發生的鋰離子嵌入/脫出可逆電化學反應進行工作的儲能器件。在充放電過程中,Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌:充電時,Li+從正極脫嵌,經過電解質嵌入負極,負極處于富鋰狀態;放電時則相反。

鋰原電池:負極為鋰,且被設計為不可充電的電池。包括單體鋰原電池和鋰原電池組。

單體鋰離子電池:鋰離子電池的基本單元,由電極、隔膜、外殼和電極片等在電解質環境下構成。

鋰離子電池組:裝配有使用所必需的裝置(如外殼、端子、標志或保護管理裝置)的一個或多個單體鋰離子電池構成的組合。

金屬鋰蓄電池:電池中負極側含有金屬鋰的鋰蓄電池。也叫可充放金屬鋰電池。

液態鋰蓄電池:電池中只含有液體電解質的鋰蓄電池。

非水有機溶劑鋰蓄電池:電解質為有機溶劑的液態鋰蓄電池。

水系鋰蓄電池:電解質為水溶劑的液態鋰蓄電池。

混合固液電解質鋰蓄電池:電池中同時含有液體和固體電解質的鋰蓄電池。

全固態鋰蓄電池:電池中只含有固態電解質的鋰蓄電池。

凝膠聚合物鋰蓄電池:電池中的液體電解質與聚合物高分子形成凝膠態電解質的鋰蓄電池。

半固態鋰電池:電池中任一側電極不含液體電解質,另一側電極含有液態電解質。包括半固態鋰原電池和半固態鋰蓄電池。

半液流鋰蓄電池:電池中任一側電極參與電化學反應的物質可以流動,另一側電極不可以流動的鋰蓄電池。

液流鋰蓄電池:電池中兩側電極參與電化學反應的物質都可以流動的鋰蓄電池。

軟包裝鋰電池:采用塑封膜作為外殼的鋰電池。

陽極:通常指發生氧化反應的電極。

陰極:通常指發生還原反應的電極。

電極片:由集流體和活性物質、黏結劑、導電劑等構成的電池的電極。注:電極片的集流體可以采用金屬箔、網等形式。

負極片:通常指含有在放電時發生氧化反應活性物質的具有低電勢的電極片。

正極片:通常指含有在放電時發生還原反應活性物質的具有高電勢的電極片。

極耳:連接電池內部電極片與端子的金屬導體。

活性物質:在電池充放電過程中發生電化學反應以存儲或釋放電能的物質。

隔膜:由可滲透離子的材料制成的,可防止電池內極性相反的電極片之間接觸的電池組件。

電池外殼:將電池內部的部件封裝并為其提供防止與外部直接接觸的保護部件。

鋁塑封裝膜:用于軟包裝鋰電池封裝的,由塑料、鋁箔和黏合劑組成的高強度、高阻隔、耐電解液的多層復合膜材料。

電池蓋:用于封蓋電池外殼的零件,通常帶有注液孔、安全閥和端子引出孔等。

負極端子:便于外電路連接電池負極的導電部件。

正極端:便于外電路連接電池正極的導電部件。

安全閥:為能釋放電池中的氣體以避免過大的內壓而特殊設計的排氣閥,具有特有的泄放壓力閾值。

連接件:用于電池電路中各組件間承載電流的導體。

電池保護板:帶有對電池起保護作用的集成電路(IC)的印制電路板(PCB),一般用于防止電池過充、過放、過流、短路及超高溫充放電等。

電池管理系統:連接電池和設備的電子管理系統,主要功能包括:電池物理參數實時監測,電池狀態估計,在線診斷與預警,充、放電與預充控制,均衡管理和熱管理等。

方形鋰電池:各面成直角的平行六面體形狀的電池。

圓柱形鋰電池:總高度等于或大于直徑的圓柱形狀的電池。

扣式鋰電池:總高度小于直徑的圓柱形狀的電池。

(3)鋰硫電池

鋰硫電池是一種以硫作為電池正極活性物質、金屬鋰作為負極活性物質的電化學儲能器件。鋰硫電池的理論放電電壓為2.287V,理論放電質量比能量為2600W·h/kg。放電時負極反應為鋰失去電子變為鋰離子,正極反應為硫與鋰離子及電子反應生成硫化物。在外加電壓作用下,鋰硫電池的正極和負極反應逆向進行,成為充電過程。

(4)鋰空氣電池

鋰空氣電池是一種以鋰作負極,空氣中的氧氣作為正極活性物質的電池。該電池放電時,金屬鋰釋放電子后成為鋰陽離子(Li+),Li+穿過電解質材料,在正極與空氣中的氧氣,以及從外電路輸入的電子結合生成氧化鋰(Li₂O)或者過氧化鋰(Li₂O₂)。鋰空氣電池的開路電壓為2.91V。理論上,由于氧氣作為陰極反應物不受限,該電池的容量僅取決于鋰電極。在已知的金屬?空氣電池中,鋰空氣電池的比能量密度最高達到5200W·h/kg。目前,鋰空氣電池尚處在研究開發階段。

(5)鎳氫電池

鎳氫電池是有氫離子和金屬鎳參與氧化還原反應的一種電化學器件。該電池負極為儲氫材料,主要由金屬(或合金)組成。儲氫材料是一種能與氫反應生成金屬氫化物的物質;它必須具備高度的反應可逆性,至少循環次數超過5000次才能在電池中使用。該電池的能量密度比鎳鎘電池高,使用壽命更長,對環境無污染。

(6)可再生燃料電池

可再生燃料電池將溶有氧化還原電對物質的正極溶液與負極燃料以單液流的形式供給到電池正極發生電化學反應;負極燃料通過隔膜擴散到負極發生氧化,實現能量從化學能到電能的轉化,是一種新型的電池技術。放電結束后,在電池的負極一側通入空氣,利用空氣中的氧氣作用實現正極高價氧化物再生。單極可再生燃料電池的典型實例為Fe3+/Fe2+液流/甲醇燃料電池。

(7)鋅空氣電池

鋅空氣電池是一種金屬/空氣電池。正極使用空氣中的氧作為活性物質,利用活性炭吸附空氣中的氧或純氧作為正極活性物質,負極使用鋅或者鋅合金作為活性物質,以氯化銨或苛性堿溶液為支持電解液。目前市售均為原電池,包括中性和堿性兩個體系的鋅空氣電池。此外,人們正在研發可再充電的鋅空氣燃料電池,一般采用機械式直接更換鋅板或鋅粒和電解質的方法,使鋅空氣電池得到完全更新。化學可充電的鋅空氣電池二次電池是未來重要的發展方向之一。

(8)鈉硫電池

鈉硫電池屬于高溫型電池,通常是以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電池。在300℃附近,鈉離子透過電解質隔膜與硫之間發生的可逆反應,實現能量的釋放和儲存。該電池由熔融液態電極和固體電解質組成,構成其負極的活性物質是熔融金屬鈉,正極的活性物質是硫和多硫化鈉熔鹽。由于硫是絕緣體,通常將硫填充在導電的多孔炭或石墨氈中,使用β?Al₂O₃陶瓷材料制備鈉離子傳導膜分隔正極與負極活性物質,一般用不銹鋼等金屬材料制備外殼。該電池理論比能量為760W·h/kg。鈉硫電池已經成功用于削峰填谷、應急電源、風力發電等可再生能源的穩定輸出以及提高電力質量等方面。但是,由于高溫條件下的金屬鈉與硫相遇會發生火災,電池的安全性一直存在潛在“隱患”。在保證電池安全前提下,已存的各種先進二次電池中,鈉硫電池是相對成熟并具有一定市場潛力的電池品種。

(9)全釩液流電池

它是一種電化學儲能裝置,利用溶解在酸性水溶液中的釩離子作為電化學活性物質組成電解液,當電解液流過電池時通過電能與化學能相互轉化完成能量儲存(充電過程)與釋放(放電過程)。單電池理論電壓為1.26V。由于電池在常溫下以水溶液作為電解液,釩離子對環境影響小,儲能系統具有安全、環保、長壽命的技術特點,成為各種液流電池中最接近產業化應用的大規模儲能備選產品,是電化學儲能領域重要的裝備方向之一。

(10)鋅溴液流電池

它是一種電化學儲能裝置,分別以鋅和溴作為負極和正極電化學活性物質,需要使用絡合劑與溴形成絡合物,保證元素溴穩定存在于水溶液中;當電解液流過電池時通過電能與化學能相互轉化完成能量儲存(充電過程)與釋放(放電過程)。

(11)全鉛沉積型單液流電池

它是一種電化學儲能裝置,屬于液流電池系列。該電池以酸性甲基磺酸鉛水溶液作為電解液,充電時正負極分別在惰性基體上沉積金屬鉛和二氧化鉛;放電時沉積物溶解轉化為Pb2+回到溶液;采用同一種元素構成電對,可以避免使用離子傳導膜隔離不同價態離子。當電解液流過電池時通過電能與化學能相互轉化完成能量儲存(充電過程)與釋放(放電過程),電池開路電壓1.69V。

(12)鋅鎳單液流電池

鋅鎳單液流電池正極是固體氧化鎳電極,負極是在惰性集流體上發生沉積/溶解的鋅電極,電解液是流動的堿性鋅酸鹽溶液。充電時,固體氧化鎳電極中Ni(OH)₂氧化成NiOOH,鋅酸根離子在負極上沉積成金屬鋅。放電時發生其逆過程。電池的開路電壓為1.7V,極化較低,平均放電電壓達到1.6V。

(13)鋅空氣單液流電池

鋅空氣單液流電池是以空氣電極取代鋅鎳單液流電池中的氧化鎳電極,構建成的一種新型的單液流電池。該電池的正極為雙功能層復合氧電極,負極和電解液與鋅鎳單液流電池相同,開路電壓為1.65V。該電池的核心問題是半屏蔽型雙功能層復合氧電極設計,即在集流體兩側分別引入具有析氧和氧還原催化功能的催化劑,以實現氧電極的充放電過程。客觀上要求充電時析出的氧對電極無損害;同時兼顧氧化還原反應的催化活性。

(14)鋅鐵液流電池

以亞鐵氰化物或鐵氰化物為正極,沉積/溶解的鋅酸鹽為負極、堿為支持電解質,并以鋅酸根離子和鐵離子間的電化學反應來實現電能與化學能相互轉換的儲能裝置。

(15)水系離子嵌入型二次電池

利用離子嵌入反應構建的一類“搖椅式”水溶液二次電池。在這類電池反應中,金屬離子(如Li+、Na+、K+、Zn2+等)在充電時從正極晶格中脫嵌進入溶液,同時溶液中同種離子嵌入負極晶格;放電過程正好與之相反,金屬離子從負極中脫出再返回正極晶格,整個反應過程并未涉及水分子的氧化還原。水分子僅僅作為電解質溶劑,并不參與電極反應,采用適當的表面修飾或通過改變水分子的締合狀態大幅提高水的分解電壓,從而大幅提升水系離子嵌入型電池的工作電壓。

(16)固態電池

電池各單元,包括正負極、電解質全部采用固態材料的二次電池。按電解質對固態電池進行分類,主要包括以下兩類。

① 無機固態電池

以無機固體作為電解質的固態電池,具有機械強度高,不含易燃、易揮發成分,不存在液漏,抗溫度性能好等優點;多種結構類型的鋰(鈉)離子導體,如NASICON和石榴石型氧化物、玻璃或陶瓷型硫化物,在室溫下表現出10-3S/cm量級的離子電導率,接近或達到液態電解質的離子導電能力。其中一些化合物具有較高的化學穩定性和較寬的電化學窗口,基本滿足電池應用的要求。以這一類熱穩定性無機固體電解質替代可燃性有機液體電解液構建的蓄電池就叫全固態電池,可解決現有鋰離子(或鈉離子)電池能量密度偏低和循環壽命偏短的問題,還可有效降低鋰(鈉)離子電池中有機電解液體系的安全隱患。

② 聚合物固態電池

是基于聚合物電解質材料技術而發展起來的固態電池,具有質輕、黏彈性好、易成膜、電化學及化學穩定性好等優點;聚合物電解質的聚合物主體通常是PEO、PAN、PMMA、PVC或者PVDF,常用的無機添加劑有SiO₂、Al₂O₃、MgO、ZrO₂、TiO₂、LiTaO₃、Li₃N、LiAlO₂等。應用于固態電池中,聚合物電解質除了自身傳輸鋰離子的功能,還能充當隔膜隔離正負電極,在電池充放電過程中補償電極材料的體積變化,保持電極和電解質的接觸界面,抑制鋰枝晶的生長,降低電解質和電極材料之間的反應活性,顯著提高電池的安全性,獲得在寬工作溫度范圍內的高比能量、大功率、長循環壽命的電池。

(17)液態金屬電池

一類新型電化學儲能技術。在這類電池中,負極采用低電勢的堿金屬(鋰、鈉等)或堿土金屬(鎂、鈣等),正極采用較高電勢的金屬單質或者合金(錫、銻、鉛及其合金),電解質為含鹵素的無機熔鹽。正負極均為低熔點金屬或合金,300~700℃中等溫度下電池內部所有組分均處于液態;各組分密度不同,電池內部正負極與電解質形成自動分層結構:負極液態金屬密度最小處于上層,正極液態金屬密度最大位于底層,熔鹽電解質層密度居中處于中間層。放電時,負極金屬失去電子變成金屬離子A+,通過含有同種離子的熔鹽電解質遷移到正極,參與正極金屬或者合金B的還原反應(合金化反應)生成AxBy合金。充電過程與之相反,整個循環過程實現化學能與電能的相互轉化。

(18)多電子二次電池

與鋰離子電池工作原理相似,是由正極、負極、電解液3部分組成。在這類電池中,負極采用多價金屬(鎂、鋁)或者多價金屬(鎂、鋁)合金,正極采用能夠可逆插入/脫出多價離子的化合物,電解液采用可以傳導多價離子的有機溶液。放電時,作為負極的多價金屬或者多價金屬合金轉化為多價離子脫出,進入電解液中,經過電解液的一系列作用遷移到正極材料表面,隨后嵌入正極材料中。充電過程正好與之相反,從而完成可逆的充放電循環。

(19)鉛蓄電池

板柵:參加電池成流反應的活性物質的網絡支撐結構,同時傳導電流使電流分布均勻。

極板:由板柵和活性物質組成。

隔板:防止正負極短路的惰性隔離物,并能貯存電解液。

浮充電:一種連續、長時間的恒電壓充電方法。在浮充電模式下,即使蓄電池處于充滿狀態,充電模塊不會停止充電,仍會提供恒定的浮充電壓和很小的浮充電流供給蓄電池,用以補償蓄電池自放電損失。這種充電方式主要用于電話交換站、不間斷電源(UPS)及各種備用電源。

啟動用鉛酸蓄電池:供各種汽車、拖拉機及其他內燃機的啟動、點火和照明用鉛酸蓄電池。

深循環鉛酸蓄電池:一般使用在如電動工具、電動助力車、電動玩具上,蓄電池幾乎處于100%充放電深循環中。

閥控密封式鉛酸蓄電池:當蓄電池在規定的設計范圍工作時保持密封狀態,但當內部壓力超過預定值時,允許氣體通過控制閥逸出的鉛酸蓄電池。

(20)超級電容

超級電容器:是一種電化學儲能器件,其至少有一個電極利用雙電層或贗電容實現儲能,在恒流充電或放電過程中的時間與電壓的關系曲線通常近于線性。

雙電層電容器:也稱對稱超級電容器。是由高比表面積的炭材料正負極及電解液三者組成,通過密封外殼及引出電極與外部環境連接;具有高功率密度、長的工作壽命和寬工作溫度特性。

混合型超級電容器:也稱非對稱超級電容器,包含內并型和內串型。其至少有一個電極利用電池或者電池與電容復合實現儲能,介于雙電層電容器與電池之間,具有高的能量密度、高功率密度、長的工作壽命和寬工作溫度特性。

額定容量:電容器儲存電荷的能力,單位為法拉(F)。

比能量:在一定的放電條件下,從電容器單位質量所放出的電能,單位為W·h/kg。

比功率:在一定的放電條件下,電容器單位質量所能輸出的功率,單位為kW/kg。