铅炭电池的性能及其在电力储能中的应用

廖强强，邱琳，楼晓东，刘宇，张世翔，华诚，黄华，周国定，葛红花(.上海电力学院，上海市00090;.国网上海市电力公司，上海市00; .中国科学院上海硅酸盐研究所，上海市00050)

铅炭电池的性能及其在电力储能中的应用

廖强强1，邱琳2，楼晓东2，刘宇3，张世翔1，华诚2，黄华2，周国定1，葛红花1
(1.上海电力学院，上海市200090;2.国网上海市电力公司，上海市200122; 3.中国科学院上海硅酸盐研究所，上海市200050)

铅炭电池是在铅酸电池的负极以不同方式加入具有双电层电容特性的炭，将铅酸电池的比能量优势和超级电容器大容量充放电的优点融合在一起的新型电池。铅炭电池具有高倍率充放电、浅充放状态下循环寿命长等优势，而这一优势正好与通过储能来平滑可再生能源输出、电网调频的功率需求相吻合。铅炭电池成本为150～200美元/ (kW·h)，是目前相对经济可行的电力储能技术路线之一。铅炭电池储能系统在光伏输出功率平滑和削峰填谷、风电输出功率平滑、电网调频示范项目中的成功应用，说明铅炭电池在电力储能方面具有很好的应用前景。

铅炭电池;电力储能;可再生能源;储能电池;循环寿命

0 引言

储能电池技术是制约智能电网储能产业发展的关键技术之一［1-4］。光伏储能、风电储能和电网调频调峰等储能领域，要求电池具有功率密度大，循环寿命长和价格较低等特点。在各种储能电池中，铅炭电池具有能快速充放电、浅充放循环寿命长［5］、成本低(150～200美元/(kW·h))等优势，是目前相对实际可行的储能技术路线之一。

国外对于铅炭电池的研发及应用极为重视。2009年，美国总统奥巴马对外界宣布的24亿美元支持48个项目发展“下一代电池和电动车”研制与生产，包含6 680万美元支持铅炭电池的项目，其中: 3 430万美元用于支持Exide Technologies和Axion Power International研究铅-炭电极技术生产高级铅酸电池;3 250万美元用于支持East Penn Manufacturing Co.，Ltd.(东宾制造有限公司)生产超级电池。日本古河电池公司在清水公司建立了1个超级电池的智能电网示范项目，使用了163个500 A ·h、2 V的超级电池单体，用以满足公司的电力需求;在北九州建立了1个300 kW的智能电网示范系统，使用了336个1 000 A·h、2 V的超级电池单体，目标是负载均衡。解放军防化研究院是国内研究铅炭电池较早的机构之一［6］，与浙江南都电源开展产学研合作，南都电源在国内建立了一些铅炭电池储能示范项目，如东福山岛300 kW风光储微网系统、新疆吐鲁番新能源城市微电网MW级储能项目、浙江鹿西岛4 MW·h新能源微网储能项目、珠海万山海岛6 MW·h新能源微电网示范项目。目前南都应用在储能市场的铅炭电池售价为1.5～2.0元/(W·h)。

本文通过比较普通铅酸电池与铅炭电池的性能差异，阐明铅炭电池在电力储能方面的优势，并介绍其在电力储能中的应用案例。

1 铅炭电池的性能

普通铅酸电池的正极活性材料是氧化铅(PbO2)，负极活性材料是铅(Pb)。为了改进传统铅酸电池的循环寿命短、充放电功率小等缺点，在铅酸电池的负极加入具有双电层电容特性的炭，将铅酸电池和超级电容器的优势融合在一起，既发挥了超级电容器大容量充放电的优点，也发挥了铅酸电池的比能量优势，这就是正在兴起的一种炭增强铅酸电池，又称为铅炭电池［7-13］。在铅酸电池中加入活性炭主要有2种方式，一种是负极材料分别由铅和活性炭单独制作，然后通过并联形成负极，称为“内并”模式;另一种是把活性炭混合到负极材料Pb中制作成负极，称为“内混”模式［14］。前者是由澳大利亚的联邦科学与工业研究会(commonwealth scientific and industrial research organization，CSIRO)发展起来，称之为超级电池，可以把其看成是由非对称性超级电容器和铅酸电池两部分组成(图1)。2007年，CSIRO与日本古河电池(Furukawa Battery)及美国东宾制造公司签署协议，由古河电池和东宾制造负责研发生产超级电池。后者将具有双电层电容特性的炭材料与海绵铅负极进行混合制作成既有电容特性又有电池特性的铅炭复合电极，铅炭复合电极再与PbO2正极匹配组装成铅炭电池，又称为高级铅酸电池(图2)。高级铅酸电池最早是在2004年由美国的Axion公司研究开发的。由于在铅炭电池加入了活性炭，一方面减缓了负极硫酸盐化现象，延长了电池寿命，另一方面发挥超级电容器的优势，具备大容量充放电的特性［15-16］。

铅炭电池与铅酸电池的技术指标如表1所示。由表1可看出，与铅酸电池相比，虽然铅炭电池的比能量没有差异，但是比功率却有大幅的提升，而且在放电深度(depth of discharge，DOD)较小的情况下循环寿命也有显著的提高;在大电流、浅充浅放(10% DOD)条件下铅炭电池具有长达1万次的循环寿命，而这一优势正好与通过储能来平滑可再生能源输出、电网调频的功率需求相吻合。

图3为高倍率部分荷电状态［17］下阀控铅酸电池与超级电池的初始容量与循环寿命的关系，其中阀控铅酸电池的规格为12 V/350 A·h，超级电池的规格为24 V/1 000 A·h。阀控铅酸电池在1C倍率循环少于2 000次的情况下其初始容量下降到了80%以下;而超级电池先在1C倍率下循环到2 500次，然后在4C倍率下循环到7 500次，再在2C倍率下循环到14 740次，最后在1C倍率下循环到16 740次，其初始容量仍然在70%以上［18］。由此可见，超级电池的高倍率部分荷电状态循环性能远优于阀控铅酸电池的。

图4 为超级电池与阀控铅酸电池的能量密度与功率密度的关系曲线。从图4可看出，超级电池与阀控铅酸电池的能量密度与功率密度关系曲线近似，只是由于在超级电池的负极材料中加入了活性炭，使得相同功率密度条件下超级电池的能量密度比阀控铅酸电池的要大一些。另外，超级电池的最大功率密度要远大于阀控铅酸电池的，说明超级电池具有较好的高倍率充放电特性。

2 电力储能应用案例

2.1 光伏储能

2011年新墨西哥州的公用事业公司建设了1个由500 kW/500 kW·h超级电池和250 kW/ 1 000 kW·h高级铅酸电池与500 kW的光伏电站配套的离网型分布式电源系统。这套电源系统通过先进的控制算法提供同步的电压平滑和削峰填谷服务，其中500 kW/500 kW·h系统由2个电池柜组成，每个电池柜含有160个超级电池，用于平滑光伏输出; 250 kW/1 MW·h系统由6个电池柜组成，每个电池柜含有160个高级铅酸电池，应用于太阳能能量移峰，并且通过光储配合达到不少于15%的高峰负荷消减量。试验结果表明，对于500 kW的光伏电站而言，当云遮住阳光的时候，其发电功率将以136 kW/s的速率下降。当大规模可再生能源入网时，如此巨大的扰动是电网不能承受的。图5为超级电池技术能有效地控制和平滑光伏输出。图6为在光照充足的时候，用户消纳不了的光伏电力被储存在高级铅酸电池中，在18:00以后，没有光伏出力，但是用电负荷仍然维持在较高水平，这时缺电部分就由电池系统放电来维持用电负荷。由此可见，高级铅酸电池储能系统具有较好的能量移峰作用。

2.2 风电储能

风能是清洁能源，且其蕴藏量是当前全球能源消费总量的数倍。尽管风能一定程度上能进行预测，但还是变化太快，快速爬坡率是风力发电的一个显著特点，这对于风电入网是一个挑战，也限制了风电的发展。风电入网的一个直接的解决方案就是限制风电输出的爬坡率，平滑风电输出曲线。澳大利亚Hampton风电场项目的目标是应用超级电池储能技术限制可再生能源输出的5 min爬坡率，从而增加可再生能源入网的渗透率。美国东宾制造公司2011年为Hampton风电场设计建造了1套1 MW/ 0.5 MW·h超级电池储能系统，设计寿命为3年，总投资为650万美元。当使用的储能容量为风电输出功率的1/10时，这套电池储能系统能限制风电场5 Min的爬坡率为风电原始输出的1/10［19］。也就是说，1 MW的风电装机只需要0.1 MW·h的储存能量，如图7所示。从图7可看出，通过储能充放电，变化剧烈的风电输出曲线变得平滑，这有利于减少不稳定的风电对电网的冲击作用。

2.3 电网调频储能

美国东宾制造公司2011年为PJM公司设计建造了1套电池储能系统，包括3 MW/3 MW·h超级电池、双向换流器、可编程控制器和电池监控系统。这套电池储能系统设计能提供3 MW的调频服务，除此以外，这套系统还能为特定的高峰负荷提供1～4 h的1 MW电力需求侧能源管理服务。该套电池系统设计寿命为5年，总投资为5 087 269美元。这套系统由1 920个超级电池单体组成的4个480 V/ 750 kW电池模块构成。图8为PJM公司某2天的输出功率变化曲线。从图8可看出，由于受到发电和用电功率的不稳定影响，电网输出功率波动频繁，电网频率因而不稳定。为了稳定电网频率，调频服务需要在5 min以内及时对电网补充能量(频率降低时)或释放能量(频率升高时)，这时起蓄水池作用的储能电池充放电频繁，电流大但持续时间短。超级电池特别适合这种应用场合，因为其适合在浅充浅放状态(10%DOD～15%DOD)下高倍率充放电循环。这套储能系统对PJM的输出功率信号做出快速响应，提供连续的调频服务。图9显示电池充放电曲线对来自PJM的调频信号做出快速精准的反应。与之对比，空气脉冲整形器由于响应速度慢，对每MW的调频服务只能提供30%的修正量。当这套系统被应用于需求侧能源管理服务时，所设计的荷电状态为30%～70%，即最大放电深度为40%的状态下连续运行，此时超级电池DC/DC转换效率可达93%。

2.4 风光储微网系统

由国家电力集团投资建设的东福山岛300 kW风光储微网供电系统于2011年5月初开始试运行，全岛负荷基本上由新能源提供。整个微网系统由210 kW风力发电机组、100 kW光伏电池组、200 kW柴油发电机、960 kW铅炭电池组和300 kW储能变流器组成。铅炭电池由南都电源提供，蓄电池单体额定容量为1 000 A·h，额定电压为2.0 V，每组由240支单体串联组成，共有2组蓄电池。蓄电池在标准使用条件下，25%DOD下循环寿命为5 500次，100%DOD循环寿命1 000次，在25±5℃环境下，设计浮充寿命为20年，充电效率在95%以上，100%放电后仍可继续接在负载上，4周后再充电可恢复原容量。

东福山岛300 kW微网系统运行时根据光伏、风机出力、蓄电池荷电状态(state of charge，SOC)状态及用电负荷情况，以有效使用新能源及合理使用蓄电池为原则。一般情况下，系统负荷用电主要由光伏、风机及蓄电池提供，当光伏与风机出力小于用电负荷时，差额容量由蓄电池供给;当光伏与风机出力大于用电负荷时，多余能量对蓄电池充电。当蓄电池SOC值较高时，系统由风光储供电;当蓄电池SOC值较低时，系统由柴油发电机供电。该示范工程实现了风光柴储优化互补和可再生能源的最大化利用，减少了柴油发电机的运行时间，提高了岛上的供电可靠性，大大地改善了居民的生活品质。

3 结论

(1)铅炭电池可以看作是铅酸电池和超级电容器的混合体，兼具铅酸电池的比能量优势和超级电容器大容量充放电的优势。

(2)铅炭电池具有高倍率充放电、浅充放循环寿命长、电池成本低等优势，是目前相对经济可行的电力储能技术路线之一。

(3)铅炭电池储能技术在光伏储能、风电储能、电网调频示范项目中的成功应用，说明铅炭电池在电力储能方面具有很好的应用前景。

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(编辑:蒋毅恒)

Performance of Lead-Carbon Batteries and Their Applications in Electricity Storage

LIAO Qiangqiang1，QIU Lin2，LOU Xiaodong2，LIU Yu3，ZHANG Shixiang1，HUA Cheng2，HUANG Hua2，ZHOU Guoding1，GE Honghua1
(1.Shanghai University of Electric Power，Shanghai200090，China; 2.State Grid ShanghaiMunicipal Electric Power Company，Shanghai200122，China; 3.Shanghai Institute of Ceram ics，Chinese Academy of Sciences，Shanghai200050，China)

Lead-carbon battery whose negative electrode consists of lead and carbon With electric double layer capacitance characteristics in a number of ways is a new type of battery on the basis of lead-acid battery，possessing the traits of both high ratio energy of lead-acid battery and high-rate charge-discharge of supercapacitor.Lead-carbon battery has the advantages of high-rate charge-discharge and long cycle life at shallow state of charge and discharge，matching the power demand from renewable energy sources＇smoothing and regulation services With using energy storage technologies.Leadcarbon battery is produced and sold at costs below the$150-200/(kW·h)，so it is one of technical routes of econom ically feasible electricity storage.The successful demonstration applications in solar smoothing and shifting，Wind smoothing and frequency regulation services of lead-carbon battery energy storage systems show that lead-carbon battery has a bright prospect for the applications in electricity storage.

lead-carbon battery;electricity storage;renewable energy;energy storage battery;cycle life

TM 912

A

1000－7229(2014)11－0117－05

10.3969/j.issn.1000－7229.2014.11.020

2014-07-11

2014-08-18

廖强强(1971)，男，博士，教授，研究方向为电力储能和电力腐蚀控制;

邱琳(1967)，女，大专，经济师，研究方向为经济管理;

楼晓东(1974)，男，硕士，高级工程师，研究方向为经济管理;

刘宇(1973)，男，博士，研究员，研究方向为储能材料与器件;

张世翔(1979)，男，博士后，副教授，研究方向为能源经济与管理;

华诚(1959)，男，大专，技师，研究方向电力系统运行优化;

黄华(1969)，男，大专，技师，研究方向电力系统运行优化;

周国定(1938)，男，硕士，教授，研究方向为化学电源和电力储能;

葛红花(1966)，女，博士，教授，研究方向为电力储能。

上海市科委项目(14DZ1201500);上海市联盟计划(LM201458);上海市教委科研创新项目(13YZ107);上海市浦东新区科技发展基金配套项目(PKC2014-M12)。