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国际电力储能技术分析——钠硫电池

作者:新闻中心 来源:工程热物理 发布时间:2013-02-08 浏览:
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    中国储能网讯:(一)技术原理
 
    钠硫电池的正极为液态(熔融)的硫,负极为(熔融)的钠,两者通过固态氧化铝陶瓷分离开,电解质只允许正钠离子通过和硫结合形成多硫化物:
 
    放电时,带正电的钠离子()通过电解质,而电子通过外部电路流动产生大约2V的电压。充电时,整个过程逆转,多硫化钠释放正钠离子反向通过电解质重新结合为钠。整个电池正常工作需要保持温度在300℃-350℃。
 
 
    典型的钠硫电池的循环寿命周期是约为2500次充放电循环。该电池典型的能量功率密度分别为150-240kWh/m3和150 W/kg-230W/kg,并且单元效率很高(75%-90%),拥有的脉冲功率可达连续工作的六倍(脉冲时间可达30秒)。这种特性使钠硫电池可同时用于提高电力质量和调峰,具有很好的经济性。如上前述,硫化钠电池需要在高温下工作(300℃-350℃),因此它的主要缺点是需要热源,使用电池自身存储的热量来维持系统温度,从而降低了电池的部分性能。而另一个主要问题是初期成本较高(2000美元/KW和350美元/KWh),但是随着产能的扩大,预期成本将会降低。
 
   (二)关键技术
 
    目前,钠硫电池较高的制造成本、运行长期可靠性、规模化成套技术仍然是其大规模应用的主要瓶颈问题。因此,钠硫电池主要关键技术包括高质量陶瓷管技术、电池组件的密封技术、抗腐蚀电极材料技术和规模化成套技术等。
 
    钠硫电池单电池的技术难点在于固体电解质β-氧化铝陶瓷管的制备,目前国际上已在高质量陶瓷管的批量化自动化生产方面有很大进展,但其产量和成本仍需进一步优化。单电池技术另一个重要瓶颈在于电池组件的密封,目前国际上已开始研发与β-或α-陶瓷热系数相适应的玻璃陶瓷材料作为密封材料,这也是降低单电池成本的一个新途径。由于硫和硫化物均具有强腐蚀性,低成本的抗腐蚀电极材料研发也是单电池技术的研究焦点之一,目前已成功开发一些可用于电极材料的抗腐蚀沉积层如在廉价衬底上沉积碳化物。
 
    在钠硫电池储能规模化系统方面,其主要研究焦点集中于系统的连接结构、电池单元可靠性、温度管理及系统安全性,以上问题相互关联,共同影响着钠硫电池储能系统规模化应用的性能。
 
   (三)应用现状
 
    钠硫电池由美国福特公司在1966年首先发明,初衷是用于电动汽车。但在20世纪70年代末,由于钠硫电池需要的运行温度较高,在当时难以解决安全性和可靠性问题;而且镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等常温电池相继发明,取代了钠硫电池成为主流技术,使得其时作为车用电池定位的钠硫电池在大部分国家的研发出现停滞。从20世纪80年代开始,日本东京电力公司(TEPCO)开始与NGK公司合作开发将钠硫电池用于电力储能。2002年起,NGK公司开始钠硫电池的商业化,2010年的年产能达到150 MW,是世界上唯一能够提供商业化钠硫电池产品的企业。目前NGK生产的钠硫电池模块的额定功率为50 kW,容量为360-430 kWh,能以100 kW放电2小时,250kW放电30秒,寿命为15年或者是4500个深度为90%的循环周期,转换效率为85%。据统计,目前全球已经建成并投入使用的钠硫电池电站达316 MW/1896 MWh,而日本在电力系统中和负荷侧钠硫电池储能系统的总容量已超过200 MW,其中近三分之二用作负荷调峰,其在全球钠硫电池领域处于绝对领先地位。预计到2012年,全球建立的钠硫电池总容量将达到606 MW/3636 MWh。
 
    我国钠硫电池技术的研发以中科院上海硅酸盐研究所为代表。从2006年起,该所与上海市电力公司合作,以电力储能和电力系统调峰应用为目标研发大容量钠硫电池储能系统,着力在关键材料、电池技术、系统等方面进行攻关并取得突破,建成年产2 MW钠硫电池中试线,研制成功100 kW/800 kWh钠硫电池储能系统,于上海世博会期间稳定并网运行。2011年10月,上海硅酸盐研究所、上海电气(集团)总公司和上海市电力公司三方签约,共同投资组建钠硫电池产业化公司,打造技术-产业化-用户“三方一体”的合资合作模式,加快钠硫电池的产业化进程。
 
   (四)发展趋势
 
    钠硫电池的主要发展趋势包括陶瓷管高质量与批量化生产、新型玻璃陶瓷技术、兆瓦级及以上级规模化系统的研发与应用。
 
 

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