钠硫电池及其储能应用.doc

钠硫电池及其储能应用钠硫电池及其储能应用中国科学院上海硅酸盐研究所温兆银摘要:钠硫电池是以Nabeta一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.钠硫电池已经成功的用于削峰填谷,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.目前在国外已有100余座钠硫电池储能电站在运行中,涉及工业,商业,交通,电力等多个行业,是各种先进二券电池中最为成熟的一种.也是最具有潜力的一种先进储能电池.关键词:钠硫电池;储能:应用SodiumSulfurCellanditsenergystorageapplicationWenZhaoyinAbstract:Sodiumsulfurcellwassecondarybatteries.ItusedNabetaaluminaastheirelectrolytes,sodiummetalascathode,andsodiumpolysulfideasanode.Ithadthespecialadvantageofenergystorageandreflectedinlowproductioncost,l1ighefficiency,easymaintenanceandSOon.Ithadbeensuccessfullyusedinsteadilyoutputtingrenewableresourceandimprovingpowerqualitysuchasloadshifting,emergencypower,andwindpowergeneration.Atpresent,thereweremorethan100sodiumsulfurcellenergystoragestation,involvedinindustry,commerce,trac,andelectricity.ItWasthe却estandthemostpotentialadvancedenergystoragecellamongthesecondarybaReries.Keywords:Sodiumsulfurcell;Energystorage;Application1储能的迫切性在未来的15年中,我国的电力需求的年增长率预计达到每年5.8%-7.2%,2005年电力消耗为2469TWh,到2010年预计达到3000TWh,2020年则将达到5000TWh.与此同时,电力消耗的昼夜峰谷差也在日益扩大,以上海市为例,2006年的最高用电负荷近2000万kW,峰谷差高达40%.在低谷电力平衡时,上海电网内的大型火电机组低谷出力大多要减至最低,小型机组更是需要视情况而日开夜停.为此需要付出巨大的代价.大力发展可再生能源是全球未来电力生产的大方向.目前,我国的可再生能源仅占电力生产总量的0.25%,但到2010年预计将达到8.63%,2020年则将增长到15%20%.风力发电是近几年发展和增长ShanghaIEnergyConservation27.N.2圜豳I7最快的一种可再生能源.目前,全球风电装机容量已达25000MW以上.我国近几年风力发电增长很快.发展潜力巨大.由于可再生能源的电力输出随着风,光照等资源的强度同步变化和波动,因此无法直接向电网输出或向用户出售.需要经过稳定后方可和电网安全对接输出.要解决国家电力紧缺和稳定可再生电力输出.储能是最有效的途径.它在用电需求小于发电量时将多余的电能储存起来.在需求大于供给时补充电能.利用分布式的储能系统可以在关键时刻辅助供电或者传输电能:将对供电负荷需求从峰值时刻转移到负荷低谷时刻或在强制停电或者供电中断的情况下提供电能.2各种储能技术的比较目前,电力储能技术大致分三类:直接储存电磁能,如超导储能技术;把电能转化为机械能储存,如抽水储能和压缩空气储能是将电能转变为势能储存,飞轮储能则是将电能转化为动能储存;把电能转化为化学能储存,如电池,超级电容器等;电池储能是将低荷时的电力经整流充入电池中,峰荷时再逆变送入交流系统.各种大容量电池.配以大容量晶闸管.以电子计算机为中心控制系统和监视系统即组合成电池储能系统.各种储能方式具有各自的优缺点.表1比较了各种储能技术的优势,劣势及其适用的范围.由上表可见.钠硫电池是目前唯一的一种同时完全适用于功率型储能和能量型储能的储能电池.由于钠硫电池以金属钠和单质硫分别为阳极和阴极,以beta一氧化铝为电解质,原材料丰富,价格低廉.和目前的各种液流电池以及锂离子电池等各种可能的储能电池相比.钠硫电池的原材料价格是最低廉的.而且相关的元素储量很高.不存在价格不稳定的因素.3钠硫电池的基本原理钠硫电池(SodiumSulfurbattery,简称NAS)以钠和硫分别用作阳极和阴极.Beta-氧化铝陶瓷同时表1各种储能系统的比较储能技术优势劣势功率型应用能量型应用蓄水储能高容量,低成本场地特殊要求压缩空气储能高容量,低成本需要特殊场地和气体燃料液硫电池:多硫化液溴高容量能量密度低全钒溴化锌金属/空气电池电池极高的能量密度充电困难NaS电池高的能量和功率密度,高效率制造成本高.安全性需提高锂离子电池高的能量和功率密度.高效率制造成本高.需要特殊的充电电路O镍镉电池高的能量和功率密度及效率寿命短其它先进电池高的能量和功率密度及效率高的制造成本O铅酸电池低价格深充时寿命短O飞轮高功率低能量密度O超导储能高功率能量密度低,制造成本高超级电容器长寿命,高效率能量密度低注:完全可行.有合理性.o有可能但实用性或经济性不强.不可行8口圜8hanghaiEnergyConservation2007?No.2起隔膜和电解质的双重作用.它的电池形式如下:(一)Na(1)/beta一氧化铝/Na2Sx(1)/C(+)基本的电池反应是:2Na+xS=Na2Sx钠硫电池的理论比能量高达760Wh/kg,且没有自放电现象.放电效率几乎可达100%.图1是钠硫电池的结构示意图.相应的设计为中心负极设计.即钠装载在beta-氧化铝电解质陶瓷管中形成负极.除此之外,还有将硫装入电解质陶瓷管内形成正极的中心正极设计.钠硫电池的基本单元为单体电池,用于储能的负极引出帽钠负极电解质陶瓷管硫正极电池壳体正极集流电极)图1钠硫电池的结构示意图单体电池最大容量达到650安时,功率120W以上.将多个单体电池组合后形成模块.模块的功率通常为数十kW,可直接用于储能.图2为模块的示意图.根据电力输出的具体要求再将模块进行叠加就可形成不同功率大小的储能站.钠硫电池在国外已是发展相对成熟的储能电池.其寿命可以达到使用115年.4钠硫电池储能应用的发展概况钠硫电池最早发明于上世纪6O年代中期.早期的研究主要针对电动汽车的应用目标,美国的福特,日本的YUASA,英国的BBC以及铁路实验室,德单体电池保温箱引出电极柱图2钠硫电池模块的示意图国的ABB,美国的Mink公司等先后组装了钠硫电池电动汽车.并进行了长期的路试.但长期的研究发现.钠硫电池作为储能电池更具有优势,而用作电动汽车或其它移动器具的电源时,不能显示其优越性.且早期的研究并没有完全解决钠硫电池的安全可靠性问题,因此钠硫电池在车用能源方面的应用最终被人们放弃.钠硫电池高的比功率和比能量,低的原材料成本和制造成本,温度稳定性以及无自放电等方面的突出优势,使得钠硫电池成为目前最具市场活力和应用前景的储能电池.日本NGK公司是国际上钠硫储能电池研制,发展和应用的标志性机构.上世纪8O年代中期,NGK公司开始与日本东京电力公司合作开发储能钠硫电池,1992年第一个钠硫电池储能系统开始在日本示范运行,至2002年有超过5O座钠硫电池储能站在日本示范运行中.2002年NGK公司开始了钠硫电池的商业化生产和供应.200l2年9月,在美国AEP主持下,由NGK提供的钠硫电池储能站在美国示范运行.2003年4月开始,NGK开始了储能钠硫电池的大规模商业化生产,产量达到30MW,2004年即达到65MW.2004年7月世界上最大的NAS储能站(9.6MW/57.6MWh)在日本正式投入运行.设计中最大钠硫电池储能站的功率达到20MW.是目前全球最大的化学电源储能站.一家新的生产钠硫电池的公司一经建成,年生产能力可达到65MW.NGK公司近期的发展计划是年产160MW.目前.NGK已有100余座钠硫电池储能站在全球运行中.按应用类型分类,钠硫电池可用于负荷平衡,应shanghaiEnergyc0nservation.2007?N.?2口圈I9急电源以及不间断电源等.目前钠硫电池主要应用于负荷平衡,表2是几种应用的分布情况.表2钠硫电池的储能应用分布情况应用类型比例)负荷平衡63负荷平衡+应急电源24负荷平衡+不间断电源13钠硫电池的应用覆盖了商业,工业,电力,水处理等.表4是按照行业分布的应用情况.表4钠硫电池的应用行业分布情况行业应用实例比例(0/0)商业数据处理29工业制造22电力地铁站等26水处理污水治理236500蔓.,2001000100一加0300削IPaMRT0TI.PRI几|1以.,IkLL.上,Ll乙7VV,_吖,?f1jII.f,r,J,.Y,IN暑卧丌1加180240Time(SE0)图3用于日本八仗岛风力发电站的钠硫电池储能系统及其稳定输出的效果0f口嘲shanghaiEne叼yConservati.n2o07No.2此外,钠硫电池还能成功用于风力发电的稳定输出,图3是日本NEDO支持的八仗岛风力发电的钠硫电池储能系统,由图可见,经过钠硫电池的稳定后,风电输出得到了十分令人满意的稳定效果.目前,钠硫电池已被日本列为政府资助的风力发电储能电源,并有具体的推进计划.国内钠硫电池的研究始于上世纪六十年代末,在初期其发展几乎与国外先进水平同步,研究单位也很多,在随后的二十余年中,国内钠硫电池的研究仅局限于电动车动力用蓄电池.自八十年代起,上海硅酸盐所成为国内唯一的钠硫电池的研制机构,我国七五,八五期间钠硫电池的研制列为863,攻关以及科学院重点项目,十五后在电解质陶瓷管的制备技术方面开展了大量的研究工作.上海硅酸盐所先后研制了30-100安时容量的钠硫电池,并组装了各种功率规格的电池组.用于驱动各种电动车辆,包括面包车,电动三轮车,摩托车等.2005年起上海硅酸盐研究所与上海市电力公司合作,开展大容量钠硫电池的研究.储能钠硫电池已被列为国家和上海市的重点发展方向.5储能钠硫电池展望总上所述,储能用钠硫电池具有广阔的应用前景和巨大的市场潜力.钠硫电池大规模推广应用的最大障碍在于其价格,目前的水平是2000美元/千瓦.要推动在储能方面的大规模应用,一靠其价格的迅速下降,二靠政府的政策鼓励.根据NGK公司