谈液态金属电池在风力发电领域的发展

陈 宇 刘明秋

1.国家电力投资集团有限公司，辽宁沈阳110000；2.辽宁能源股份有限公司，辽宁沈阳110000

1 液态金属电池的必要性及市场前景

近几年，以风能和太阳能为代表的新能源的开发利用发展迅速。风能等取之不尽，用之不竭，且在生产使用过程无污染，它的价值已经被充分认识。然而，在新能源开发过程中发现：季节性变化、昼夜变化等使发电量波动大，对电网造成冲击，致使弃风率较大，严重制约新能源行业的发展。风电弃风率达到20%左右，有些风场弃风率甚至达到40%，每年造成极大的直接经济损失。

进入“十三五”以来，我国正创建能源发展的新格局。电力是我国能源战略转型的重点，新一轮电力体制改革的主要工作集中在推动大规模可再生能源消纳和配售电改革等方面。国家政策着重强调新能源调峰能力，调度运行和调峰成本补偿机制。储能技术做为重要的调峰调频手段，市场前景广阔。 在新的电力市场发展环境下，作为重要的调峰调频资源，储能技术将在加强电力调节能力、增强电网的灵活性以及促进集中式和分布式可再生能源并网消纳等发面发挥重要作用。2017年3月，能源局发布的 《关于出金储能技术与产业发展的指导意见（征求意见稿） 》明确了我国储能发展的规划和路径、未来储能发展的几大应用场景、储能补贴政策实施路径。削峰填谷和可再生能源消纳是最大的储能市场，国内市场规模超过3000亿元。液态金属电池作为重要的储能手段将会创造巨大的经济效益。

2 液态金属电池优势

电力储能主要有抽水蓄能、压缩空气储能及电池储能。目前世界占比最高的是抽水蓄能，其次是压缩空气储能，但受环境和容量制约，抽水蓄能和压缩空气储能难以进一步突破。而制约电池储能应用的主要因素有充放电次数低、能量效率低和制造成本高等。随着技术和材料的进步，液态金属电池解决了传统电池储能的弊端。液态金属电池主要有以下优点：

①高电流密度。充放电电流密度高达1000mA/cm2。

②高循环寿命。电池进行正常充放电，10000次后电池仍能保持初始容量的98%。

③高能量效率。在工作温度为450℃下，电池以电流密度275mA/cm2进行充放电，仍能保持98%的库伦效率和73%的能量转换效率。

④工艺简单、成本低。相对传统电池，液态金属电池不需要特殊的隔膜，使电池体系易放大和生产不受关键技术限制，储能成本降低。

⑤安全可靠。稳健的设计是安全的可靠保证。液流电池不会引发火灾等事故。液态金属电池与其它电池储能技术参数对比表如表1所示。

表1 液态金属电池与其它电池储能技术参数对比表

液态金属电池储能将成为我国电力行业实现削峰填谷和可再生能源消纳最主要手段之一。液态金属电池商业化成功后，系统度电成本将下降30%以上，具有较强的市场竞争优势。

3 液态金属电池技术可行性

3.1 液态金属电池工作原理

液态金属电池成本低廉、使用寿命长，适合新能源大规模并网存储的需求，该项潜能，使其在短时间内得到储能技术研究及能源投资领域的广泛关注。其工作原理如图1所示。

图1 液态金属电池的工作原理图

液态金属电池的组成部分，包含两个液态金属电极以及分隔它们的熔融盐电解质。其中，负极使用碱金属或碱土金属的合金。正极使用是锑、铅、锡、铋等过渡金属及其合金。

电解质使用的卤盐混合物与负极金属对应。在电池正常使用时，电极及电解质受热熔融且互不相溶，溶液受自身密度影响自动分为三层。放电时，负极金属α发生氧化反应失去电子，电子外电路对外放电做功，阳离子通过溶液迁移至正极，发生还原反应。充电时，上述过程逆向进行。

3.2 大容量液态金属电池实现方法

大容量液态金属电池是通过一个个单体电池的集成实现的，使生产工艺简单，生产成本大大降低。首先将单体电池集成到一个电池托盘中，然后将电池托盘集成到电池塔，最后将电池塔集成到集装箱中，形成大容量液态金属电池组。液态金属电池单体单元结构简单、空间少、形状规则、易于生产制造，构造如图2所示。集成过程简单、容量可调、形状可变，适应不同的应用和场合，如图3所示。

图2 液态金属电池单体单元

图3 液态金属电池集成

4 液态金属电池经济性分析

液态金属电池集成组可以依托远大风电公司风力与发电机组结合，实现风机组适当“瘦身”，也可以直接销售给其它电力公司，实现销售盈利。同时，可以享受政府收益性补贴或者税收补贴政策。一般情况下，一个标准风电场只需配置总容量10%的储能电池就可以完成对于整个风电场的能量储备支持，液态金属电池储能可靠，智能化运行控制，操作便捷，易于维护，对于优化风场电量输出、减少风机和风场设备配置具有积极的作用，同时又能实现削峰填谷和电能消纳。

增加储能后，风机设备的硬件配置会减少，从而降低机组成本。具体数据见表2。

表2 单台风机设备节省成本一览表

由上表可见，单台风机大约节省成本约3.3万元。以1.5MW风机为例，对于4.95万kW单体风场，通过“瘦身”可节省投资100万元。

假设4.95万kW单体风场年有效小时数为2500h，每年减少6%的弃风率，就能直接增加经济收益4000多万元。

实现削峰填谷和电能消纳得到的巨大经济收益决定了液态金属电池储能的市场前景的广阔。

5 结语

液态金属电池作为新型的储能手段，技术先进，市场前景广阔，经济收益空间大。

[1] 杨彦涛.锂-空气电池电解质体系研究进展[J].船电技术, 2016（12）.

[2] 谢召军, 张欣, 周震.金属二氧化碳电池[J].电源技术, 2017（5）.

[3] 中国环境报.我国首个钠盐电池合作项目启动[J].储能科学与技术,2017, 6（2）：315.

[4] 张立玉, 路昭, 韦立川, 等.锂电池性能与温度相关性的基础实验研究[J].西安交通大学学报, 2018（5）.

[5] 詹澍.未来的电池之星——锂-空气电池[J].化工设计通讯, 2017（5）.

[6] 周青青,韩雨,沈韦良,等.新型锂空气电池模具设计[J].产业与科技论坛, 2017（10）.

[7] 王祝堂.日本研发能量密度为锂电池10倍的镁空气电池[J].轻金属,2017（7）.