化学电源论文

随着新能源产业的逐渐展开，同属于电化学储能方式的三种电池系统脱颖而出。由于它们更适合可再生能源发电、分布式电源、智能小区等智能电网的新要求，前景被包括国家电网公司在内的国内和国外很多人所看好。它们是钠硫电池、液流电池和锂离子电池。

钠硫电池

钠硫电池，是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管为电解质隔膜的二次电池。在一定的工作度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。

1、基本原理

电池通常是由正极、负极、电解质、隔膜和外壳等几部分组成。一般常规二次电池如铅酸电池、镉镍电池等都是由固体电极和液体电解质构成，而钠硫电池则与之相反，它是由熔融液态电极和固体电解质组成的，构成其负极的活性物质是熔融金属钠，正极的活性物质是硫和多硫化钠熔盐，由于硫是绝缘体，所以硫一般是填充在导电的多孔的炭或石墨毡里，固体电解质兼隔膜的是一种专门传导钠离子被称为Al2O3的陶瓷材料，外壳则一般用不锈钢等金属材料。

2、主要特点

钠硫电池具有许多特色之处：一个是比能量(即电池单位质量或单位体积所具有的有效电能量)高。其理论比能量为760Wh/kg，实际已大于100Wh/kg，是铅酸电池的3-4倍。如日本东京电力公司(TEPCO)和NGK公司合作开发钠硫电池作为储能电池，其应用目标瞄准电站负荷调平(即起削峰平谷作用，将夜晚多余的电存储在电池里，到白天用电高峰时再从电池中释放出来)、UPS应急电源及瞬间补偿电源等，并于2002年开始进入商品化实施阶段，已建成世界上最大规模(8MW)的储能钠硫电池装置，截止2005年10月统计，年产钠硫电池电池量已超过100MW，同时开始向海外输出。

另一个特点是可大电流、高功率放电。其放电电流密度一般可达200-300mA/cm2，并瞬时间可放出其3倍的固有能量；再一个是充放电效率高。由于采用固体电解质，所以没有通常采用液体电解质二次电池的那种自放电及副反应，充放电电流效率几乎100%。当然，事物总是一分为二的，钠硫电池也有不足之处，其工作温度在300-350℃，

所以，电池工作时需要一定的加热保温。但采用高性能的真空绝热保温技术，可有效地解决这一问题。

但其缺点也是显而易见的，它需要工作温度在300-350℃，这让有些人对此系统存在异议，认为如果一套电池系统在工作时还需要另外加装一套加热系统，那其储能效率将大打折扣。

3、主要作用

钠与硫就会通过化学反应，将电能储存起来，当电网需要更多电能时，它又会将化学能转化成电能，释放出去，钠硫电池的“蓄洪”性能非常优异，即使输入的电流突然超过额定功率5-10倍，它也能泰然承受，再以稳定的功率释放到电网中——这对于大型城市电网的平稳运行尤其有用。太阳能、风能等新能源虽然洁净，但发电功率很不稳定。这会给整个电网带来不期而至的“洪峰”。储能电站会将这些“绿电”先照单全收，再根据电网需求输出。

钠硫电池是以Na-beta-氧化铝为电解质和隔膜，并分别以金属钠和多硫化钠为负极和正极的二次电池。钠硫电池用于储能具有独到的优势，主要体现在原材料和制备成本低、能量和功率密度大、效率高、不受场地限制、维护方便等方面。

4、重大意义

钠硫电池作为新型化学电源家族中的一个新成员出现后，已在世界上许多国家受到极大的重视和发展。由于钠硫电池具有高能电池的一系列诱人特点，所以一开始不少国家就首先纷纷致力于发展其作为电动汽车用的动力电池，也曾取得了不少令人鼓舞的成果，但随着时间的推移表明，钠硫电池在移动场合下(如电动汽车)使用条件比较苛刻，无论从使用可提供的空间、电池本身的安全等方面均有一定的局限性。所以在80年代末和90年代初开始，国外重点发展钠硫电池作为固定场合下(如电站储能)应用，并越来越显示其优越性。

钠硫电池已经成功用于削峰填谷、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出以及提高电力质量等方面。目前在国外已经有上百座钠硫电池储能电站在运行，是各种先进二次电池中最为成熟和最具潜力的一种。

液流电池

液流电池一般称为氧化还原液流电池，是一种新型的大型电化学储能装置。正负极全使用钒盐溶液的称为全钒液流电池，简称钒电池，其荷电状态 100%时电池的开路电压可达 1.5 V。是目前发展势头强劲的优秀绿色环保蓄电池之一，也是应用最多的液流电池之一。

1、工作原理

液流电池一种新的蓄电池，液流电池是利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池.具有容量高、使用领域（环境）广、循环使用寿命长的特点.是目前的一种新能源产品。氧化还原液流电池是一种正在积极研制开发的新型大容量电化学储能装置,它不同于通常使用固体材料电极或气体电极的电池,其活性物质是流动的电解质溶液,它最显著特点是规模化蓄电,在广泛利用可再生能源的呼声高涨形势下,可以预见,液流电池将迎来一个快速发展的时期。目前,液流电池普遍应用的条件尚不具备,对许多问题尚需进行深入的研究。循环伏安测试表明:石墨毡具有良好导电性、机械均一性、电化学活性、耐酸且耐强氧化性,是一种较好的电极材料,与石墨棒和各种粉体材料相比,更适合用于液流电池的研究和应用。论文对采用的石墨毡电极分别进行了未处理、热处理、酸热处理。借助于扫描电镜,观察了三种处理方式的石墨毡表面形貌的差异,热处理和酸热处理能除去石墨毡表面的杂质和影响电化学反应的污染物,使石墨毡表面干净平整,石墨毡的表面状况得到明显改善。交流阻抗实验表明,与未处理石墨毡相比,经过热处理、酸热处理石墨毡的电阻明显减小,证实了活化处理对石墨毡表面状况的改善,使石墨毡材料得到改性,降低了电阻,增强了电化学活性。

2、钒电池特点

a、寿命长——由于全钒液流电池正、负极活性物质均为钒，只是价态不同，可以避免正、负极活性物质通过离子交换膜扩散造成的元素交叉污染，使电池性能长时间保持

b、成本低——生产工艺简单，价格经济，成本与铅酸电池相近

c、大功率、支持频繁大电流充放电——可制备兆瓦级电池组，大功率长时间提供电能