鈉硫電池及液流電池行業(yè)分析

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1、鈉硫電池及液流電池行業(yè)分析第一章、工作原理與技術(shù)特征1.1鈉硫電池??鈉硫電池結(jié)構(gòu)如圖（1）所示。電池以金屬鈉(Na)和單質(zhì)硫(S)與碳(C)的復(fù)合物分別用作陽極和陰極的活性物質(zhì)，Beta—氧化鋁（Beta-Al2O3）陶瓷同時(shí)起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。鈉硫電池的化學(xué)反應(yīng)式如下：2Na+xS=Na2Sx??????????????(1)??新裝配的鈉硫電池一般處于完全荷電的初始狀態(tài)。鈉硫電池在300℃工作溫度下，在放電的初始階段（硫含量為100％～78％），正極由液態(tài)硫與液態(tài)的Na2S3.2形成非共溶液相，電池的電動(dòng)勢(shì)約為2

2、.076V；當(dāng)放電至Na2S3出現(xiàn)時(shí)，電池的電動(dòng)勢(shì)降至1.78V；當(dāng)放電至Na2S2.7出現(xiàn)時(shí)，對(duì)應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)降至1.74V，直至液相消失。?圖（1）：鈉硫電池結(jié)構(gòu)圖?鈉硫電池主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)。1）理論能量密度高達(dá)760W·h/kg。實(shí)際比能量高，可有效減低儲(chǔ)能系統(tǒng)的體積和重量，適合于大容量、大功率設(shè)備的應(yīng)用。2）能量轉(zhuǎn)化效率高，其中直流端大于90％，交流端大于75％。3）無電化學(xué)副反應(yīng)，無自放電，使用壽命長，可達(dá)15a以上。4）鈉硫電池的運(yùn)行溫度被恒定在300～350℃，因此其使用條件不受外界環(huán)境溫度的限制，且系統(tǒng)的溫度穩(wěn)

3、定性好。5）具有高的功率特性，經(jīng)大電流及深度放電而不損壞電池；具有納秒級(jí)的瞬時(shí)速度(系統(tǒng)數(shù)毫秒以內(nèi))，適合應(yīng)用于各類備用和應(yīng)急電站。6）原材料資源豐富，價(jià)格低，無污染，適合規(guī)?；茝V應(yīng)用。1.2液流電池??全釩液流電池(VanadiunmRedoxBattery，VRB)由電解質(zhì)溶液，碳素材料電極，導(dǎo)電塑料雙極板和離子交換膜等部件構(gòu)成．通過流體輸送設(shè)備使電解液在電堆與儲(chǔ)槽之間循環(huán)流動(dòng)，在充電/放電過程中完成不同價(jià)態(tài)的釩離子相互轉(zhuǎn)化與電能的儲(chǔ)存與釋放．釩電池工作原理如圖（2）所示，將一定數(shù)量單電池串聯(lián)成電池組后，輸出額定功率的

4、電流和電壓。電池反應(yīng)為：正極：VO2++2H++e—VO2-+H2O???????????電勢(shì)=1.00V負(fù)極：V3++e—V2+??????????????????????????????電勢(shì)=-0.26V電池總反應(yīng)VO2++V2++2H+—VO2++V3++H20??????電勢(shì)=1.26V圖（2）全釩液流電池(VRB)原理示意圖??全釩液流電池具有以下特點(diǎn)：??規(guī)模大：全釩液流電池的輸出功率和儲(chǔ)能容量彼此獨(dú)立。通過改變儲(chǔ)槽中電解液數(shù)量，能夠滿足太規(guī)模蓄電儲(chǔ)能需求；通過調(diào)整電池堆中單電池的串連數(shù)量和電極面積，能夠滿足額定

5、放電功率要求。壽命長：電池正負(fù)極反應(yīng)均在液相中完成，充電／放電過程僅僅改變?nèi)芤褐锈C離子狀態(tài)．沒有外界離子參與電化學(xué)反應(yīng)。電極只起轉(zhuǎn)移電子作用．本身不參與電化學(xué)反應(yīng)，理論上可以進(jìn)行無限次任意程度的充放電循環(huán)，極大延長電池的使用壽命。??成本低：在電池關(guān)鍵材料制備方面，如質(zhì)子交換膜、導(dǎo)電雙極板等電池關(guān)鍵材料．通過實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化進(jìn)行大規(guī)模、低成本生產(chǎn)。全釩液流電池避免使用貴金屬催化劑，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于燃料電池等化學(xué)電源，適合于幾十千瓦～數(shù)兆瓦規(guī)模場合使用。??效率高：由于正負(fù)半電池電解液中的活性物質(zhì)分別儲(chǔ)存在不同的儲(chǔ)槽中，完全避免電解波保

6、存過程的自放電消耗，經(jīng)過優(yōu)化的電池系統(tǒng)充放電能量效率高達(dá)80％。能量密度較高，理論上每度電需要5.2kg的五氧化二釩進(jìn)行電能儲(chǔ)存，對(duì)于50MW的風(fēng)電場建立IOMW×4h的儲(chǔ)能系統(tǒng)，將需要224噸五氧化二釩，電解液部分需要2500萬元投入，將占用儲(chǔ)能系統(tǒng)一次性成本的30％左右。第二章、技術(shù)環(huán)境2.1鈉硫電池技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀國外鈉硫電池技術(shù)發(fā)展??對(duì)鈉硫電池早期的研究主要以電動(dòng)汽車的應(yīng)用為目標(biāo)，但隨著一些新型二次電池的出現(xiàn)，因鈉硫電池在車用電源方面的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)不明顯而逐步被放棄。由于鈉硫電池高的比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、

7、溫度穩(wěn)定性以及無自放電等方面的突出優(yōu)勢(shì)，鈉硫電池在電力儲(chǔ)能方面的應(yīng)用開始為人們所重視。??日本在1992年進(jìn)行了第一個(gè)示范儲(chǔ)能電站，2002年實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化，至今已有200座以上功率大于500kW、總?cè)葑钣?00MW的儲(chǔ)能電站在運(yùn)行中，分別用于電網(wǎng)峰谷差平衡、電能質(zhì)量改善、應(yīng)急電源、風(fēng)力發(fā)電等可再生能源的穩(wěn)定輸出等，最大功率的電站達(dá)到34MW，用于風(fēng)力發(fā)電站的穩(wěn)定輸出，運(yùn)行中的儲(chǔ)能電站～半以上用于電力的平衡。．儲(chǔ)能電站覆蓋了商業(yè)、工業(yè)、電力、水處理等各個(gè)行業(yè)。鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率可達(dá)到80％以上，壽命可達(dá)15a。國內(nèi)鈉硫電池

8、技術(shù)的發(fā)展??我國對(duì)電動(dòng)汽車應(yīng)用的鈉硫電池研究與國際幾乎同步，1968年上海硅酸鹽研究所已經(jīng)開始了相關(guān)的研究，并在1977年4月成功組裝并示范運(yùn)行了國內(nèi)第一輛6kw功率的鈉硫電池電動(dòng)車。20世紀(jì)末，我國的車用鈉硫電池研究也與國際同樣陷入困境，研究工作幾乎停止，國內(nèi)也僅有上海硅酸鹽研究所仍保