1.6.1 电化学储能
(1)铅蓄电池
一种以不同价态的铅作为电化学活性物质,以硫酸水溶液作为支持电解液的可充电二次电池。铅酸电池荷电状态下,正极主要成分为二氧化铅,负极主要成分为铅;放电终止状态下,正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸电池的标称电压为2.0V,可以放电到1.5V,充电到2.4V。近年发展起来的铅炭电池是一种电容型铅酸电池,是从传统的铅酸电池演化出来的技术,它是在铅酸电池的负极中加入了活性炭,能够显著提高铅酸电池的寿命。
铅炭电池是一种新型的超级电池,它将铅酸电池和超级电容器两者合一:既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点,也发挥了铅酸电池的比能量优势,且拥有非常好的充放电性能。由于添加了碳,阻止了负极硫酸盐化现象,改善了过去电池失效的一个因素,更延长了电池寿命。
(2)锂离子电池
锂离子电池是指以锂离子嵌入化合物为正极材料电池的总称,它是一种依靠锂离子在电池正极和负极之间移动,通过正极和负极上发生的锂离子嵌入/脱出可逆电化学反应进行工作的储能器件。在充放电过程中,Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌:充电时,Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。
锂原电池:负极为锂,且被设计为不可充电的电池。包括单体锂原电池和锂原电池组。
单体锂离子电池:锂离子电池的基本单元,由电极、隔膜、外壳和电极片等在电解质环境下构成。
锂离子电池组:装配有使用所必需的装置(如外壳、端子、标志或保护管理装置)的一个或多个单体锂离子电池构成的组合。
金属锂蓄电池:电池中负极侧含有金属锂的锂蓄电池。也叫可充放金属锂电池。
液态锂蓄电池:电池中只含有液体电解质的锂蓄电池。
非水有机溶剂锂蓄电池:电解质为有机溶剂的液态锂蓄电池。
水系锂蓄电池:电解质为水溶剂的液态锂蓄电池。
混合固液电解质锂蓄电池:电池中同时含有液体和固体电解质的锂蓄电池。
全固态锂蓄电池:电池中只含有固态电解质的锂蓄电池。
凝胶聚合物锂蓄电池:电池中的液体电解质与聚合物高分子形成凝胶态电解质的锂蓄电池。
半固态锂电池:电池中任一侧电极不含液体电解质,另一侧电极含有液态电解质。包括半固态锂原电池和半固态锂蓄电池。
半液流锂蓄电池:电池中任一侧电极参与电化学反应的物质可以流动,另一侧电极不可以流动的锂蓄电池。
液流锂蓄电池:电池中两侧电极参与电化学反应的物质都可以流动的锂蓄电池。
软包装锂电池:采用塑封膜作为外壳的锂电池。
阳极:通常指发生氧化反应的电极。
阴极:通常指发生还原反应的电极。
电极片:由集流体和活性物质、黏结剂、导电剂等构成的电池的电极。注:电极片的集流体可以采用金属箔、网等形式。
负极片:通常指含有在放电时发生氧化反应活性物质的具有低电势的电极片。
正极片:通常指含有在放电时发生还原反应活性物质的具有高电势的电极片。
极耳:连接电池内部电极片与端子的金属导体。
活性物质:在电池充放电过程中发生电化学反应以存储或释放电能的物质。
隔膜:由可渗透离子的材料制成的,可防止电池内极性相反的电极片之间接触的电池组件。
电池外壳:将电池内部的部件封装并为其提供防止与外部直接接触的保护部件。
铝塑封装膜:用于软包装锂电池封装的,由塑料、铝箔和黏合剂组成的高强度、高阻隔、耐电解液的多层复合膜材料。
电池盖:用于封盖电池外壳的零件,通常带有注液孔、安全阀和端子引出孔等。
负极端子:便于外电路连接电池负极的导电部件。
正极端:便于外电路连接电池正极的导电部件。
安全阀:为能释放电池中的气体以避免过大的内压而特殊设计的排气阀,具有特有的泄放压力阈值。
连接件:用于电池电路中各组件间承载电流的导体。
电池保护板:带有对电池起保护作用的集成电路(IC)的印制电路板(PCB),一般用于防止电池过充、过放、过流、短路及超高温充放电等。
电池管理系统:连接电池和设备的电子管理系统,主要功能包括:电池物理参数实时监测,电池状态估计,在线诊断与预警,充、放电与预充控制,均衡管理和热管理等。
方形锂电池:各面成直角的平行六面体形状的电池。
圆柱形锂电池:总高度等于或大于直径的圆柱形状的电池。
扣式锂电池:总高度小于直径的圆柱形状的电池。
(3)锂硫电池
锂硫电池是一种以硫作为电池正极活性物质、金属锂作为负极活性物质的电化学储能器件。锂硫电池的理论放电电压为2.287V,理论放电质量比能量为2600W·h/kg。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子,正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物。在外加电压作用下,锂硫电池的正极和负极反应逆向进行,成为充电过程。
(4)锂空气电池
锂空气电池是一种以锂作负极,空气中的氧气作为正极活性物质的电池。该电池放电时,金属锂释放电子后成为锂阳离子(Li+),Li+穿过电解质材料,在正极与空气中的氧气,以及从外电路输入的电子结合生成氧化锂(Li2O)或者过氧化锂(Li2O2)。锂空气电池的开路电压为2.91V。理论上,由于氧气作为阴极反应物不受限,该电池的容量仅取决于锂电极。在已知的金属⁃空气电池中,锂空气电池的比能量密度最高达到5200W·h/kg。目前,锂空气电池尚处在研究开发阶段。
(5)镍氢电池
镍氢电池是有氢离子和金属镍参与氧化还原反应的一种电化学器件。该电池负极为储氢材料,主要由金属(或合金)组成。储氢材料是一种能与氢反应生成金属氢化物的物质;它必须具备高度的反应可逆性,至少循环次数超过5000次才能在电池中使用。该电池的能量密度比镍镉电池高,使用寿命更长,对环境无污染。
(6)可再生燃料电池
可再生燃料电池将溶有氧化还原电对物质的正极溶液与负极燃料以单液流的形式供给到电池正极发生电化学反应;负极燃料通过隔膜扩散到负极发生氧化,实现能量从化学能到电能的转化,是一种新型的电池技术。放电结束后,在电池的负极一侧通入空气,利用空气中的氧气作用实现正极高价氧化物再生。单极可再生燃料电池的典型实例为Fe3+/Fe2+液流/甲醇燃料电池。
(7)锌空气电池
锌空气电池是一种金属/空气电池。正极使用空气中的氧作为活性物质,利用活性炭吸附空气中的氧或纯氧作为正极活性物质,负极使用锌或者锌合金作为活性物质,以氯化铵或苛性碱溶液为支持电解液。目前市售均为原电池,包括中性和碱性两个体系的锌空气电池。此外,人们正在研发可再充电的锌空气燃料电池,一般采用机械式直接更换锌板或锌粒和电解质的方法,使锌空气电池得到完全更新。化学可充电的锌空气电池二次电池是未来重要的发展方向之一。
(8)钠硫电池
钠硫电池属于高温型电池,通常是以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。在300℃附近,钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应,实现能量的释放和储存。该电池由熔融液态电极和固体电解质组成,构成其负极的活性物质是熔融金属钠,正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐。由于硫是绝缘体,通常将硫填充在导电的多孔炭或石墨毡中,使用β⁃Al2O3陶瓷材料制备钠离子传导膜分隔正极与负极活性物质,一般用不锈钢等金属材料制备外壳。该电池理论比能量为760W·h/kg。钠硫电池已经成功用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面。但是,由于高温条件下的金属钠与硫相遇会发生火灾,电池的安全性一直存在潜在“隐患”。在保证电池安全前提下,已存的各种先进二次电池中,钠硫电池是相对成熟并具有一定市场潜力的电池品种。
(9)全钒液流电池
它是一种电化学储能装置,利用溶解在酸性水溶液中的钒离子作为电化学活性物质组成电解液,当电解液流过电池时通过电能与化学能相互转化完成能量储存(充电过程)与释放(放电过程)。单电池理论电压为1.26V。由于电池在常温下以水溶液作为电解液,钒离子对环境影响小,储能系统具有安全、环保、长寿命的技术特点,成为各种液流电池中最接近产业化应用的大规模储能备选产品,是电化学储能领域重要的装备方向之一。
(10)锌溴液流电池
它是一种电化学储能装置,分别以锌和溴作为负极和正极电化学活性物质,需要使用络合剂与溴形成络合物,保证元素溴稳定存在于水溶液中;当电解液流过电池时通过电能与化学能相互转化完成能量储存(充电过程)与释放(放电过程)。
(11)全铅沉积型单液流电池
它是一种电化学储能装置,属于液流电池系列。该电池以酸性甲基磺酸铅水溶液作为电解液,充电时正负极分别在惰性基体上沉积金属铅和二氧化铅;放电时沉积物溶解转化为Pb2+回到溶液;采用同一种元素构成电对,可以避免使用离子传导膜隔离不同价态离子。当电解液流过电池时通过电能与化学能相互转化完成能量储存(充电过程)与释放(放电过程),电池开路电压1.69V。
(12)锌镍单液流电池
锌镍单液流电池正极是固体氧化镍电极,负极是在惰性集流体上发生沉积/溶解的锌电极,电解液是流动的碱性锌酸盐溶液。充电时,固体氧化镍电极中Ni(OH)2氧化成NiOOH,锌酸根离子在负极上沉积成金属锌。放电时发生其逆过程。电池的开路电压为1.7V,极化较低,平均放电电压达到1.6V。
(13)锌空气单液流电池
锌空气单液流电池是以空气电极取代锌镍单液流电池中的氧化镍电极,构建成的一种新型的单液流电池。该电池的正极为双功能层复合氧电极,负极和电解液与锌镍单液流电池相同,开路电压为1.65V。该电池的核心问题是半屏蔽型双功能层复合氧电极设计,即在集流体两侧分别引入具有析氧和氧还原催化功能的催化剂,以实现氧电极的充放电过程。客观上要求充电时析出的氧对电极无损害;同时兼顾氧化还原反应的催化活性。
(14)锌铁液流电池
以亚铁氰化物或铁氰化物为正极,沉积/溶解的锌酸盐为负极、碱为支持电解质,并以锌酸根离子和铁离子间的电化学反应来实现电能与化学能相互转换的储能装置。
(15)水系离子嵌入型二次电池
利用离子嵌入反应构建的一类“摇椅式”水溶液二次电池。在这类电池反应中,金属离子(如Li+、Na+、K+、Zn2+等)在充电时从正极晶格中脱嵌进入溶液,同时溶液中同种离子嵌入负极晶格;放电过程正好与之相反,金属离子从负极中脱出再返回正极晶格,整个反应过程并未涉及水分子的氧化还原。水分子仅仅作为电解质溶剂,并不参与电极反应,采用适当的表面修饰或通过改变水分子的缔合状态大幅提高水的分解电压,从而大幅提升水系离子嵌入型电池的工作电压。
(16)固态电池
电池各单元,包括正负极、电解质全部采用固态材料的二次电池。按电解质对固态电池进行分类,主要包括以下两类。
① 无机固态电池
以无机固体作为电解质的固态电池,具有机械强度高,不含易燃、易挥发成分,不存在液漏,抗温度性能好等优点;多种结构类型的锂(钠)离子导体,如NASICON和石榴石型氧化物、玻璃或陶瓷型硫化物,在室温下表现出10-3S/cm量级的离子电导率,接近或达到液态电解质的离子导电能力。其中一些化合物具有较高的化学稳定性和较宽的电化学窗口,基本满足电池应用的要求。以这一类热稳定性无机固体电解质替代可燃性有机液体电解液构建的蓄电池就叫全固态电池,可解决现有锂离子(或钠离子)电池能量密度偏低和循环寿命偏短的问题,还可有效降低锂(钠)离子电池中有机电解液体系的安全隐患。
② 聚合物固态电池
是基于聚合物电解质材料技术而发展起来的固态电池,具有质轻、黏弹性好、易成膜、电化学及化学稳定性好等优点;聚合物电解质的聚合物主体通常是PEO、PAN、PMMA、PVC或者PVDF,常用的无机添加剂有SiO2、Al2O3、MgO、ZrO2、TiO2、LiTaO3、Li3N、LiAlO2等。应用于固态电池中,聚合物电解质除了自身传输锂离子的功能,还能充当隔膜隔离正负电极,在电池充放电过程中补偿电极材料的体积变化,保持电极和电解质的接触界面,抑制锂枝晶的生长,降低电解质和电极材料之间的反应活性,显著提高电池的安全性,获得在宽工作温度范围内的高比能量、大功率、长循环寿命的电池。
(17)液态金属电池
一类新型电化学储能技术。在这类电池中,负极采用低电势的碱金属(锂、钠等)或碱土金属(镁、钙等),正极采用较高电势的金属单质或者合金(锡、锑、铅及其合金),电解质为含卤素的无机熔盐。正负极均为低熔点金属或合金,300~700℃中等温度下电池内部所有组分均处于液态;各组分密度不同,电池内部正负极与电解质形成自动分层结构:负极液态金属密度最小处于上层,正极液态金属密度最大位于底层,熔盐电解质层密度居中处于中间层。放电时,负极金属失去电子变成金属离子A+,通过含有同种离子的熔盐电解质迁移到正极,参与正极金属或者合金B的还原反应(合金化反应)生成AxBy合金。充电过程与之相反,整个循环过程实现化学能与电能的相互转化。
(18)多电子二次电池
与锂离子电池工作原理相似,是由正极、负极、电解液3部分组成。在这类电池中,负极采用多价金属(镁、铝)或者多价金属(镁、铝)合金,正极采用能够可逆插入/脱出多价离子的化合物,电解液采用可以传导多价离子的有机溶液。放电时,作为负极的多价金属或者多价金属合金转化为多价离子脱出,进入电解液中,经过电解液的一系列作用迁移到正极材料表面,随后嵌入正极材料中。充电过程正好与之相反,从而完成可逆的充放电循环。
(19)铅蓄电池
板栅:参加电池成流反应的活性物质的网络支撑结构,同时传导电流使电流分布均匀。
极板:由板栅和活性物质组成。
隔板:防止正负极短路的惰性隔离物,并能贮存电解液。
浮充电:一种连续、长时间的恒电压充电方法。在浮充电模式下,即使蓄电池处于充满状态,充电模块不会停止充电,仍会提供恒定的浮充电压和很小的浮充电流供给蓄电池,用以补偿蓄电池自放电损失。这种充电方式主要用于电话交换站、不间断电源(UPS)及各种备用电源。
启动用铅酸蓄电池:供各种汽车、拖拉机及其他内燃机的启动、点火和照明用铅酸蓄电池。
深循环铅酸蓄电池:一般使用在如电动工具、电动助力车、电动玩具上,蓄电池几乎处于100%充放电深循环中。
阀控密封式铅酸蓄电池:当蓄电池在规定的设计范围工作时保持密封状态,但当内部压力超过预定值时,允许气体通过控制阀逸出的铅酸蓄电池。
(20)超级电容
超级电容器:是一种电化学储能器件,其至少有一个电极利用双电层或赝电容实现储能,在恒流充电或放电过程中的时间与电压的关系曲线通常近于线性。
双电层电容器:也称对称超级电容器。是由高比表面积的炭材料正负极及电解液三者组成,通过密封外壳及引出电极与外部环境连接;具有高功率密度、长的工作寿命和宽工作温度特性。
混合型超级电容器:也称非对称超级电容器,包含内并型和内串型。其至少有一个电极利用电池或者电池与电容复合实现储能,介于双电层电容器与电池之间,具有高的能量密度、高功率密度、长的工作寿命和宽工作温度特性。
额定容量:电容器储存电荷的能力,单位为法拉(F)。
比能量:在一定的放电条件下,从电容器单位质量所放出的电能,单位为W·h/kg。
比功率:在一定的放电条件下,电容器单位质量所能输出的功率,单位为kW/kg。