蓄电池的分类及其性能详解
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15
模拟功率平滑循环测试
铅酸电池 超级电池 磷酸铁锂
功率型模式
8 times longer
*Data is updated by September 28 2012
16
模拟削峰填谷循环测试
光伏混合循环寿命测试
能量型模式
初始 容量
> 12 times longer
循环天数
*Data is updated by September 28 2012
钒液流电池
抽水蓄能 压缩空气 超导
13000
4200
7200
3500
100375
5983 6000 8000
0.72
2.51 1.25 0.93
差
好 好 差
30000 100000
4000 5100
资料来源：中国电科院新能源研究所
根据经验，容量电价取500元/(KW*年)，使用寿命按15年计算，寿命期内收益=容量电价*运行年限 寿命期内投资=初始总投资+运行维护成本
经济性 好 差 差 差 好 好 差
资料来源：中国电科院新能源研究所
根据经验，容量电价取500元/(KW*年)，使用寿命按15年计算，寿命期内收益=容量电价*运行年限 寿命期内投资=初始总投资+运行维护成本
3
铅酸蓄电池主要优缺点
综合各类电池性能，铅酸蓄电池具有以下突出优点： • 安全性高，可靠性好；
资源循环回收利用率（%）
环境污染 技术成熟Hale Waihona Puke Baidu 应用领域 单体容量范围（Ah） 成组难度 高 广泛 3000 容易
95%
铅、酸污染 高 广泛 1000 容易 中 广泛 1000 容易
10%
镉污染 高 一般 500 中
10%
低 高 一般 200 中
10%
低 中 广泛 300 难
10%
低 低 较少 700 难
17
提 纲
微网储能的机遇与挑战 铅炭电池原理与特点 铅炭电池储能系统
南都铅炭储能技术与应用案例
18
2009年以后新建的铅酸电池储能系统（不全）
蓄电池储能系统
Kaheawa I & II, Kahuku风力发 电站
地点
夏威夷的Maui和 Oahu
系统容量
1.5 MW, 1.0 MWh 10 MW, 20 MWh 15 MW, 10 MWh
应用
•斜波控制 •滤波 •电压调节 •频率校正 •斜波控制 •辅助服务 •整形 •斜波控制 •辅助服务 •斜波控制 •辅助服务 •相应余量 •削峰 •稳定功率 •削峰 •稳定功率 •辅助服务 •稳定风能 •削峰 •调节频率 •管理能源需求
日期
2009 2011 2011 2011
太阳能技术加速中心SolarTAC
• 电渗泵效应
Electro-osmotic pumping
Particle Size (mm)
13
储能循环寿命测试及评估方法
高倍率浅循环
低倍率深放电
循环 寿命
放电深度
高倍率浅循环 功率型模式
低倍率深放电 能量型模式
14
储能循环寿命测试及评估方法
调频 堆叠应用
负载均衡
随机应用模式
美国Sandia国家实验室采用的几种波形测试，包括 调频、负载均衡、随机应用模式。
Reactions involving oxidation of the carbon surface
16000 12000 8000 4000 0 0 50 100 150
• 析氢
Hydrogen over-potential-impurities
• 石墨结构中氢的插入
Intercalation of hydrogen into the graphite structure
典型储能系统架构
3MW调频系统
3MW调频安装在EPM
主控制器 4组超级电池 900KW逆变器 3.6MWBES系统用于3MW调频
21
典型储能系统通讯框架
包括系统总控、子系统分控、储能超级电池组、电池管理及监控系统 （可反馈电池温度、荷电态、电压等参数）
22
先进铅炭电池储能系统
先进储能电池在北美超导体输电中的应用
2016
Lead
Lithium
15.0% 7.9% 1.5% 2.4%
Nickel
0%
Lead 铅酸
Total: 552 GWh
Lithium 锂电
Nickel 镍镉
**Source: John Craig, BCI, State of the Industry, 124 BCI Convention, Phoenix, AZ (USA), 2012
7
铅酸蓄电池与同类产品的比较
性能指标 传统铅酸 比能量（Wh/Kg) 比功率（W/Kg） 循环寿命（次） 工作电压（V） 使用温度范围 安全性 能量转换效率（%） 低温性能 高温性能 成本（￥/Wh) 维护费用 原材料资源 35 95 500 2 －20～45 高 80 差 差 0.6 中 改性铅酸 45 300 1000 2 －40～55 高 85 中 好 0.8 低 资源丰富 先进铅酸 60 600 2000 2 －40～75 高 90 优 好 1 低 40 170 400 1.2 －40～70 中 80 中 差 3 低 资源中 70 225 500 1.2 －20～60 中 85 优 中 4 低 资源中 120 750 2000 3.2 －20～60 低 90 差 中 3 中 资源中 160 124 2000 2 300 低 85 差 好 6 高 资源丰富 20 166 13000 1.2 －10～35 低 70 差 差 10 中 资源丰富 5 1000 50000 1 －40～65 中 95 优 中 8 中 资源丰富 铅酸电池 镉镍电池 镍氢电池 锂离子电 池 钠硫电池 钒液流电 池 超级电容 器
南都研究院
顾杏根
2012.12.12 深圳
1
提 纲
改型铅酸电池 铅炭电池原理与特点 铅炭电池储能系统
南都铅炭储能技术与应用案例
2
不同储能技术的经济性对比
电池名称 普通铅酸电池 钠硫电池 锂电池 钒液流电池 抽水蓄能 压缩空气 超导 30000 100000 循环次数 800 2500 2000 13000
Electronic conductivity
• 电容贡献
Capacitive contribution
• 限制晶体生长
Restriction of crystal growth
• 增加形核位置
HRPSoC Cycling Number
Additional nucleation sites
• 炭表面的氧化
• 单体容量大（最大可达到10000Ah），适用温度泛围宽（－40～ 55），高低温性能好，使其广泛适用于通信、动力、储能等领域；
•成本低，性价比高
•原材料资源丰富，可回收利用率高（95%），远高于其他电池
• 技术成熟，已拥有100多年的发展历史 • 成组性好，使用、维护简便，运行成本低。
缺点:
• 环保问题 • 落后技术 • 循环寿命短 • 比能量低
铅炭电池在美国电网中的应用（15MW，10MWh ）
夏威夷欧胡岛 风能
斜坡控制 平滑 电压提供
24
先进铅炭电池储能系统
铅炭电池在美国电网中的应用（10MW，20MWh ）
夏威夷毛伊岛 风能
斜坡控制，缩短捕获， 响应准备，电压提供， 频率响应
25
先进铅炭电池储能系统
1.5 MW, 1.0 MWh 500kW，2.8MWh 36MW，24MWh ~100 MW, ~200 MWh 3MW，1-4MWh
2011 2011 预计2012 预计2013 2011始建 19
先进铅炭电池储能系统
• 削峰填谷
• 配电存储
• 功率品质
• 可再生供应
• 传输服务
• 负荷平衡
20
50%
碱污染 低 较少 10000 中
10%
低 中 较少 50000F 难
备注：1、传统铅酸指现有绝大部分厂家采用的传统浇注方式生产的AGM或胶体阀控密封铅酸蓄电池；
2、改性铅酸指采用冲压、拉网、卷绕等新技术的新型阀控电池 3、先进铅酸指目前国际先进铅酸蓄电池联合体（ALABC）重点研制的采用铅炭、双极性、泡沫炭等新技术的下一代铅酸电池
- CSIRO, Furukawa, East Penn
c) 采用3D结构的炭取代或部分取代负极集流体 - 高比能量和比功率，良好的循环寿命
- Warsaw University, Firefly Energy, CEA-INES
d) 负极活性物质中添加特殊的炭 - 特殊的铅炭配方、合膏工艺，板栅优化等 - 优异的HRPSoC循环寿命，更易产业化 - ALABC引导的最新铅炭技术
铅酸储能技术在当前以及未来仍将占据绝对的市场份额
9
提 纲
微网储能的机遇与挑战 铅炭电池原理与特点 铅炭电池储能系统
南都铅炭储能技术与应用案例
10
什么是铅炭电池？
a) 负板全部由高比表面的炭取代 - 长循环寿命，高比功率
- Axion Power
b) 负板部分由高电容活性的炭取代 - 超长循环寿命，高比功率
6
不同储能技术的经济性对比
电池名称 普通铅酸电池 改性铅酸电池 高能超级电池 钠硫电池 锂电池 循环次数 800 1500 2500 2500 2000 电池价格 （元/KW） 1000 1000 1300 4200 4000 总固定投资 （元/KW） 4000 4000 4300 7200 7000 寿命期内投资 （元/KW） 6040 10375 10104 收益/投资 1.24 约1.6 约 2.0 0.72 0.74 经济性 好 好 很好 差 差
11
铅炭电池原理
常规铅酸电池 铅炭电池
g
低倍率放电
高倍率放电
再充电
by Dr. D. Pavlov, 2008
负板表面形成粗大致密硫酸铅，不能可逆转化
抑制硫酸盐化，提高充电接受能力
12
炭材料的作用机制
P.T.Moseley. J. Power Sources,191,2009,134.
• 提高电导率
地点：Clovis, NM 容量：~100 MW / ~200 MWh 时间：预计2013 • Ancillary Services • Wind Firming • Shaping
通过3个AC/DC换流站以及3个换流站之间的超导体输电线路把东、西互联系统 和得克萨斯电力系统联系起来。
23
先进铅炭电池储能系统
电池价格 （元/KW）
1000 4200 4000 4200
总固定投资 （元/KW）
4000 7200 7000 7200 3500 4000 5100
寿命期内投资 （元/KW）
6040 10375 10104 100375 5983 6000 8000
收益/投资 1.24 0.72 0.74 0.72 2.51 1.25 0.93
哥伦比亚的Aurora 夏威夷的Lanai
1.0 MW, 1.0 MWh
1.125 MW, 0.5 MWh
Lanai岛光伏可持续发展研究
2011
Kaua’i岛光伏电站 新墨西哥太阳能光伏电站 Duke Notrees风能储能电站 北美超导体输电 电网辅助能量存储（铅炭技术）
夏威夷的Kaua’i 美国新墨西哥州的 Albuquerque 美国德克萨斯州西 部的Goldsmith 美国新墨西哥州的 Clovis 美国宾夕法尼亚州 的Lyon Station
4
铅酸电池技术的不断发展
铅酸电池工作模式随市场需求发展不断变化
启动 电池 市场 规模 充电状态 动力 电池 市场 规模 后备 电池 市场 规模 超级电池
新型铅酸市场
新兴市场要求铅酸电池在PSOC模式下工作，荷电态在20%-80%范围内以确 保该应用场景下的功率输出及良好的充电接受能力。
5
先进铅酸蓄电池主要优点
与传统电池相比，先进铅酸蓄电池性能将有更大的突破：
600
60 35 95
2000
800
新技术 双极性铅酸蓄电池 双极耳卷绕式电池 陶瓷隔膜电池 泡沫石墨铅蓄电池 超级电池 铅炭电池
主要特征 减少用铅量50%、寿命延长、容量提高 超高倍率放电、能量密度高、高低温性能好 隔膜材料突破，循环寿命长、充放电效率高 板栅材料新突破，泡沫石墨代替铅板栅，用铅量减少70% 电池与超级电容内并，兼顾容量和功率特性 负极材料新突破，用炭代替部分铅，循环寿命延长、可快 速充电、重量轻、无硫酸盐化
8
化学储能技术的市场预测
2011
Lead Lithium Nickel
应用于储能的铅酸、锂电和镍镉电池对比 Pb, Li and Ni batteries for energy storage
100% 80%
90.6%
82.8%
2011 2016
Percentage
Total: 405 GWh
60% 40% 20%
模拟功率平滑循环测试
铅酸电池 超级电池 磷酸铁锂
功率型模式
8 times longer
*Data is updated by September 28 2012
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模拟削峰填谷循环测试
光伏混合循环寿命测试
能量型模式
初始 容量
> 12 times longer
循环天数
*Data is updated by September 28 2012
钒液流电池
抽水蓄能 压缩空气 超导
13000
4200
7200
3500
100375
5983 6000 8000
0.72
2.51 1.25 0.93
差
好 好 差
30000 100000
4000 5100
资料来源：中国电科院新能源研究所
根据经验，容量电价取500元/(KW*年)，使用寿命按15年计算，寿命期内收益=容量电价*运行年限 寿命期内投资=初始总投资+运行维护成本
经济性 好 差 差 差 好 好 差
资料来源：中国电科院新能源研究所
根据经验，容量电价取500元/(KW*年)，使用寿命按15年计算，寿命期内收益=容量电价*运行年限 寿命期内投资=初始总投资+运行维护成本
3
铅酸蓄电池主要优缺点
综合各类电池性能，铅酸蓄电池具有以下突出优点： • 安全性高，可靠性好；
资源循环回收利用率（%）
环境污染 技术成熟Hale Waihona Puke Baidu 应用领域 单体容量范围（Ah） 成组难度 高 广泛 3000 容易
95%
铅、酸污染 高 广泛 1000 容易 中 广泛 1000 容易
10%
镉污染 高 一般 500 中
10%
低 高 一般 200 中
10%
低 中 广泛 300 难
10%
低 低 较少 700 难
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提 纲
微网储能的机遇与挑战 铅炭电池原理与特点 铅炭电池储能系统
南都铅炭储能技术与应用案例
18
2009年以后新建的铅酸电池储能系统（不全）
蓄电池储能系统
Kaheawa I & II, Kahuku风力发 电站
地点
夏威夷的Maui和 Oahu
系统容量
1.5 MW, 1.0 MWh 10 MW, 20 MWh 15 MW, 10 MWh
应用
•斜波控制 •滤波 •电压调节 •频率校正 •斜波控制 •辅助服务 •整形 •斜波控制 •辅助服务 •斜波控制 •辅助服务 •相应余量 •削峰 •稳定功率 •削峰 •稳定功率 •辅助服务 •稳定风能 •削峰 •调节频率 •管理能源需求
日期
2009 2011 2011 2011
太阳能技术加速中心SolarTAC
• 电渗泵效应
Electro-osmotic pumping
Particle Size (mm)
13
储能循环寿命测试及评估方法
高倍率浅循环
低倍率深放电
循环 寿命
放电深度
高倍率浅循环 功率型模式
低倍率深放电 能量型模式
14
储能循环寿命测试及评估方法
调频 堆叠应用
负载均衡
随机应用模式
美国Sandia国家实验室采用的几种波形测试，包括 调频、负载均衡、随机应用模式。
Reactions involving oxidation of the carbon surface
16000 12000 8000 4000 0 0 50 100 150
• 析氢
Hydrogen over-potential-impurities
• 石墨结构中氢的插入
Intercalation of hydrogen into the graphite structure
典型储能系统架构
3MW调频系统
3MW调频安装在EPM
主控制器 4组超级电池 900KW逆变器 3.6MWBES系统用于3MW调频
21
典型储能系统通讯框架
包括系统总控、子系统分控、储能超级电池组、电池管理及监控系统 （可反馈电池温度、荷电态、电压等参数）
22
先进铅炭电池储能系统
先进储能电池在北美超导体输电中的应用
2016
Lead
Lithium
15.0% 7.9% 1.5% 2.4%
Nickel
0%
Lead 铅酸
Total: 552 GWh
Lithium 锂电
Nickel 镍镉
**Source: John Craig, BCI, State of the Industry, 124 BCI Convention, Phoenix, AZ (USA), 2012
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铅酸蓄电池与同类产品的比较
性能指标 传统铅酸 比能量（Wh/Kg) 比功率（W/Kg） 循环寿命（次） 工作电压（V） 使用温度范围 安全性 能量转换效率（%） 低温性能 高温性能 成本（￥/Wh) 维护费用 原材料资源 35 95 500 2 －20～45 高 80 差 差 0.6 中 改性铅酸 45 300 1000 2 －40～55 高 85 中 好 0.8 低 资源丰富 先进铅酸 60 600 2000 2 －40～75 高 90 优 好 1 低 40 170 400 1.2 －40～70 中 80 中 差 3 低 资源中 70 225 500 1.2 －20～60 中 85 优 中 4 低 资源中 120 750 2000 3.2 －20～60 低 90 差 中 3 中 资源中 160 124 2000 2 300 低 85 差 好 6 高 资源丰富 20 166 13000 1.2 －10～35 低 70 差 差 10 中 资源丰富 5 1000 50000 1 －40～65 中 95 优 中 8 中 资源丰富 铅酸电池 镉镍电池 镍氢电池 锂离子电 池 钠硫电池 钒液流电 池 超级电容 器
南都研究院
顾杏根
2012.12.12 深圳
1
提 纲
改型铅酸电池 铅炭电池原理与特点 铅炭电池储能系统
南都铅炭储能技术与应用案例
2
不同储能技术的经济性对比
电池名称 普通铅酸电池 钠硫电池 锂电池 钒液流电池 抽水蓄能 压缩空气 超导 30000 100000 循环次数 800 2500 2000 13000
Electronic conductivity
• 电容贡献
Capacitive contribution
• 限制晶体生长
Restriction of crystal growth
• 增加形核位置
HRPSoC Cycling Number
Additional nucleation sites
• 炭表面的氧化
• 单体容量大（最大可达到10000Ah），适用温度泛围宽（－40～ 55），高低温性能好，使其广泛适用于通信、动力、储能等领域；
•成本低，性价比高
•原材料资源丰富，可回收利用率高（95%），远高于其他电池
• 技术成熟，已拥有100多年的发展历史 • 成组性好，使用、维护简便，运行成本低。
缺点:
• 环保问题 • 落后技术 • 循环寿命短 • 比能量低
铅炭电池在美国电网中的应用（15MW，10MWh ）
夏威夷欧胡岛 风能
斜坡控制 平滑 电压提供
24
先进铅炭电池储能系统
铅炭电池在美国电网中的应用（10MW，20MWh ）
夏威夷毛伊岛 风能
斜坡控制，缩短捕获， 响应准备，电压提供， 频率响应
25
先进铅炭电池储能系统
1.5 MW, 1.0 MWh 500kW，2.8MWh 36MW，24MWh ~100 MW, ~200 MWh 3MW，1-4MWh
2011 2011 预计2012 预计2013 2011始建 19
先进铅炭电池储能系统
• 削峰填谷
• 配电存储
• 功率品质
• 可再生供应
• 传输服务
• 负荷平衡
20
50%
碱污染 低 较少 10000 中
10%
低 中 较少 50000F 难
备注：1、传统铅酸指现有绝大部分厂家采用的传统浇注方式生产的AGM或胶体阀控密封铅酸蓄电池；
2、改性铅酸指采用冲压、拉网、卷绕等新技术的新型阀控电池 3、先进铅酸指目前国际先进铅酸蓄电池联合体（ALABC）重点研制的采用铅炭、双极性、泡沫炭等新技术的下一代铅酸电池
- CSIRO, Furukawa, East Penn
c) 采用3D结构的炭取代或部分取代负极集流体 - 高比能量和比功率，良好的循环寿命
- Warsaw University, Firefly Energy, CEA-INES
d) 负极活性物质中添加特殊的炭 - 特殊的铅炭配方、合膏工艺，板栅优化等 - 优异的HRPSoC循环寿命，更易产业化 - ALABC引导的最新铅炭技术
铅酸储能技术在当前以及未来仍将占据绝对的市场份额
9
提 纲
微网储能的机遇与挑战 铅炭电池原理与特点 铅炭电池储能系统
南都铅炭储能技术与应用案例
10
什么是铅炭电池？
a) 负板全部由高比表面的炭取代 - 长循环寿命，高比功率
- Axion Power
b) 负板部分由高电容活性的炭取代 - 超长循环寿命，高比功率
6
不同储能技术的经济性对比
电池名称 普通铅酸电池 改性铅酸电池 高能超级电池 钠硫电池 锂电池 循环次数 800 1500 2500 2500 2000 电池价格 （元/KW） 1000 1000 1300 4200 4000 总固定投资 （元/KW） 4000 4000 4300 7200 7000 寿命期内投资 （元/KW） 6040 10375 10104 收益/投资 1.24 约1.6 约 2.0 0.72 0.74 经济性 好 好 很好 差 差
11
铅炭电池原理
常规铅酸电池 铅炭电池
g
低倍率放电
高倍率放电
再充电
by Dr. D. Pavlov, 2008
负板表面形成粗大致密硫酸铅，不能可逆转化
抑制硫酸盐化，提高充电接受能力
12
炭材料的作用机制
P.T.Moseley. J. Power Sources,191,2009,134.
• 提高电导率
地点：Clovis, NM 容量：~100 MW / ~200 MWh 时间：预计2013 • Ancillary Services • Wind Firming • Shaping
通过3个AC/DC换流站以及3个换流站之间的超导体输电线路把东、西互联系统 和得克萨斯电力系统联系起来。
23
先进铅炭电池储能系统
电池价格 （元/KW）
1000 4200 4000 4200
总固定投资 （元/KW）
4000 7200 7000 7200 3500 4000 5100
寿命期内投资 （元/KW）
6040 10375 10104 100375 5983 6000 8000
收益/投资 1.24 0.72 0.74 0.72 2.51 1.25 0.93
哥伦比亚的Aurora 夏威夷的Lanai
1.0 MW, 1.0 MWh
1.125 MW, 0.5 MWh
Lanai岛光伏可持续发展研究
2011
Kaua’i岛光伏电站 新墨西哥太阳能光伏电站 Duke Notrees风能储能电站 北美超导体输电 电网辅助能量存储（铅炭技术）
夏威夷的Kaua’i 美国新墨西哥州的 Albuquerque 美国德克萨斯州西 部的Goldsmith 美国新墨西哥州的 Clovis 美国宾夕法尼亚州 的Lyon Station
4
铅酸电池技术的不断发展
铅酸电池工作模式随市场需求发展不断变化
启动 电池 市场 规模 充电状态 动力 电池 市场 规模 后备 电池 市场 规模 超级电池
新型铅酸市场
新兴市场要求铅酸电池在PSOC模式下工作，荷电态在20%-80%范围内以确 保该应用场景下的功率输出及良好的充电接受能力。
5
先进铅酸蓄电池主要优点
与传统电池相比，先进铅酸蓄电池性能将有更大的突破：
600
60 35 95
2000
800
新技术 双极性铅酸蓄电池 双极耳卷绕式电池 陶瓷隔膜电池 泡沫石墨铅蓄电池 超级电池 铅炭电池
主要特征 减少用铅量50%、寿命延长、容量提高 超高倍率放电、能量密度高、高低温性能好 隔膜材料突破，循环寿命长、充放电效率高 板栅材料新突破，泡沫石墨代替铅板栅，用铅量减少70% 电池与超级电容内并，兼顾容量和功率特性 负极材料新突破，用炭代替部分铅，循环寿命延长、可快 速充电、重量轻、无硫酸盐化
8
化学储能技术的市场预测
2011
Lead Lithium Nickel
应用于储能的铅酸、锂电和镍镉电池对比 Pb, Li and Ni batteries for energy storage
100% 80%
90.6%
82.8%
2011 2016
Percentage
Total: 405 GWh
60% 40% 20%