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1、鈉硫電池及液流電池行業(yè)分析第一章、工作原理與技術特征1.1鈉硫電池??鈉硫電池結構如圖（1）所示。電池以金屬鈉(Na)和單質硫(S)與碳(C)的復合物分別用作陽極和陰極的活性物質，Beta—氧化鋁（Beta-Al2O3）陶瓷同時起隔膜和電解質的雙重作用。鈉硫電池的化學反應式如下：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，電池的電動勢約為2.076V；當放電至Na2S3出現時，電池的電動勢降至1
2、.78V；當放電至Na2S2.7出現時，對應的電動勢降至1.74V，直至液相消失。?圖（1）：鈉硫電池結構圖?鈉硫電池主要有以下幾個特點。1）理論能量密度高達760W·h/kg。實際比能量高，可有效減低儲能系統(tǒng)的體積和重量，適合于大容量、大功率設備的應用。2）能量轉化效率高，其中直流端大于90％，交流端大于75％。3）無電化學副反應，無自放電，使用壽命長，可達15a以上。4）鈉硫電池的運行溫度被恒定在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)定性好。5）具有高的功率特性，經大電流及深度放電而不損壞電池；具有納秒級的瞬時速度(系統(tǒng)數毫秒以內)，適合應用于
3、各類備用和應急電站。6）原材料資源豐富，價格低，無污染，適合規(guī)模化推廣應用。1.2液流電池??全釩液流電池(VanadiunmRedoxBattery，VRB)由電解質溶液，碳素材料電極，導電塑料雙極板和離子交換膜等部件構成．通過流體輸送設備使電解液在電堆與儲槽之間循環(huán)流動，在充電/放電過程中完成不同價態(tài)的釩離子相互轉化與電能的儲存與釋放．釩電池工作原理如圖（2）所示，將一定數量單電池串聯成電池組后，輸出額定功率的電流和電壓。電池反應為：正極：VO2++2H++e—VO2-+H2O???????????電勢=1.00V負極：V3++e—V2+???????????????????
4、???????????電勢=-0.26V電池總反應VO2++V2++2H+—VO2++V3++H20??????電勢=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：??規(guī)模大：全釩液流電池的輸出功率和儲能容量彼此獨立。通過改變儲槽中電解液數量，能夠滿足太規(guī)模蓄電儲能需求；通過調整電池堆中單電池的串連數量和電極面積，能夠滿足額定放電功率要求。壽命長：電池正負極反應均在液相中完成，充電／放電過程僅僅改變溶液中釩離子狀態(tài)．沒有外界離子參與電化學反應。電極只起轉移電子作用．本身不參與電化學反應，理論上可以進行無限次任意程度的充放電循環(huán)，極大延長電池的使用
5、壽命。??成本低：在電池關鍵材料制備方面，如質子交換膜、導電雙極板等電池關鍵材料．通過實現國產化進行大規(guī)模、低成本生產。全釩液流電池避免使用貴金屬催化劑，成本遠遠低于燃料電池等化學電源，適合于幾十千瓦～數兆瓦規(guī)模場合使用。??效率高：由于正負半電池電解液中的活性物質分別儲存在不同的儲槽中，完全避免電解波保存過程的自放電消耗，經過優(yōu)化的電池系統(tǒng)充放電能量效率高達80％。能量密度較高，理論上每度電需要5.2kg的五氧化二釩進行電能儲存，對于50MW的風電場建立IOMW×4h的儲能系統(tǒng)，將需要224噸五氧化二釩，電解液部分需要2500萬元投入，將占用儲能系統(tǒng)一次性成本的30％左右。第二
6、章、技術環(huán)境2.1鈉硫電池技術發(fā)展現狀國外鈉硫電池技術發(fā)展??對鈉硫電池早期的研究主要以電動汽車的應用為目標，但隨著一些新型二次電池的出現，因鈉硫電池在車用電源方面的應用優(yōu)勢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、溫度穩(wěn)定性以及無自放電等方面的突出優(yōu)勢，鈉硫電池在電力儲能方面的應用開始為人們所重視。??日本在1992年進行了第一個示范儲能電站，2002年實現了商業(yè)化，至今已有200座以上功率大于500kW、總容最逾300MW的儲能電站在運行中，分別用于電網峰谷差平衡、電能質量改善、應急電源、風力發(fā)電等可再生能源的穩(wěn)定輸出等，最大功率的電站達到3
7、4MW，用于風力發(fā)電站的穩(wěn)定輸出，運行中的儲能電站～半以上用于電力的平衡。．儲能電站覆蓋了商業(yè)、工業(yè)、電力、水處理等各個行業(yè)。鈉硫電池儲能系統(tǒng)的效率可達到80％以上，壽命可達15a。國內鈉硫電池技術的發(fā)展??我國對電動汽車應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開始了相關的研究，并在1977年4月成功組裝并示范運行了國內第一輛6kw功率的鈉硫電池電動車。20世紀末，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，國內也僅有上海硅酸鹽研究所仍保
