储能电池分类

1.储能技术与原理分析

储能技术有物理储能、电磁储能、电化学储能和相变储能等4类。物理储能主要有飞轮储能、抽水蓄能和压缩空气储能方式； 电磁储能主要有超导储能方式；电化学储能主要有蓄电池储能、超级电容器储能；相变储能主要有冰蓄冷储能等。

1.1.物理储能

1.2.电磁储能

1.3.电化学储能

1.4.相变储能

1.1物理储能：指在不改变物质组成成分的前提下，将一种能量转换成另外一种能量储存起来，在需要的时候再将储存的能量释放出来。根据工作原理的不同可以分成飞轮储能、抽水储能和压缩空气储能。

1.1.1飞轮储能：

1.1.1.1工作原理：飞轮储能系统由高速飞轮、轴承支撑系统、电动机、发电机、功率变换器、电子控制系统和真空泵、紧急备用轴承等附加设备组成。谷值负荷时，飞轮储能系统由工频电网提供电能，带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，完成电能到机械能的转换；出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，经功率变换器输出电流和电压，完成机械能到电能的转换。

1.1.1.2优势：飞轮储能具有使用寿命长、储能密度高、不受充放电次数限制、安装维护方便、对环境危害小，充放电快捷，能量密度大等优点。飞轮储能功率密度大于5 kW/kg，能量密度超过20 Wh/kg，效率在90%以上，循环使用寿命长达20年，工作温区为40℃~50℃，噪声小，无污染，维护简单，可连续工作，积木式组合后可以实现兆瓦级，输出持续时间较长，主要用于不间断电源（UPS）、应急电源（EPS）、电网调峰和频率控制。

1.1.1.3局限性：飞轮储能需要电能的持续输入，以维持转子的转速恒定。一旦断电，飞轮储能通常只能维持一两分钟。这也就是说，飞轮储能优势不在于时间的长短，而是充放的快捷。

1.1.2抽水储能：

1.1.2.1工作原理：抽水储能需要一定的地理条件，主要有两个作用：一个是日调峰作用，就是在用电低谷时用电网的电抽水，将电能转换成水的势能，到用电高峰时用水发电供应电网，缓解用电高峰时发电厂的压力。二是年调节作用，即在丰水季节电能过剩时用电把水抽到高位水库，到枯水季节时再放水发电，供应电网。

1.1.2.2优势：抽水储能目前技术成熟，容量大，是一种可靠的储能方式。

1.1.2.3局限性：受地理位置影响较大，工期巨大，效率不高，且影响生态坏境，需要可靠安全系统保证。

1.1.3压缩空气储能：

1.1.3.1压缩空气储能电站（CAES）是一种用来调峰的燃气轮机发电厂，主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在典型压力7.5 MPa 的高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。在燃气轮机发电过程中，燃料的2/3 用于空气压缩，其燃料消耗可以减少1/3，所消耗的燃气要比常规燃气轮机少40%，同时可以降低投资费用、减少排放。

1.1.3.2优势：压缩空气储能电站建设投资和发电成本均低于抽水储能电站，储气库漏气开裂可能性极小，安全系数高，寿命长，可以冷启动、黑启动，响应速度快，效率高，主要用于峰谷电能回收调节、平衡负荷、频率调制、分布式储能和发电系统备用。

1.1.3.3局限性：其能量密度低，并受岩层等地形条件的限制，需要占用大面积土地，且工程费用较高。

1.2电磁储能：

1.2.1电磁储能原理：SMES(SuperConductor Magnetics Energy System)利用超导线制成的线圈将电网供电励磁所产生的磁场能量储存起来，在需要时再将此储存量送回至电网或其他作用。即利用超导物质在一定温度下达到超导状态即电阻为0欧姆的特性。在超导线圈充电之后，超导线圈中形成短路状态，由于这一闭合回路中的电流不会减少而形成永久磁通，所以电流的能量就以永久磁通的形成储存起来了。

1.2.2优势:在整个闭合回路中没有直流阻抗，所以能量可以无损耗的保留下来;储能密度高达(10⁷-10⁸)J/m³,响应速度快(ms级)，转换效率高(>=96%),比容量(1-10Wh/kg)和比功率(104-105KWh/kg)大等优点。

1.2.3局限性：与其他储能方式相比，超导电磁储能造价昂贵，除超导物质本身价格偏高外，而且因维持系统温度导致维修频率提高所产生的费用也是颇高。

1.3电化学储能：

电化学储能原理：通过发生化学反应来储存或者释放电能量的过程即为化学储能。化学储能的实质就是化学物质发生化学反应，且反应是可逆的。根据化学物质的不同可以分为钠硫电池、全钒液流电池、铅酸电池、锂离子电池和镍氢电池等。

1.3.5镍氢电池：

1.3.5.1技术发展历程：镍氢电池的诞生应该归功于储氢合金的发现。早在20世纪六十年代末，人们就发现了一种新型功能材料储氢合金，储氢合金在一定的温度和压力条件下可吸放大量的氢，因此被人们形象地称为“吸氢海绵”。 储氢合金的主要来源是稀土，而中国的稀土资源占世界总储量的70％以上，发展镍氢电池具有得天独厚的优势。因此中国镍氢电池的研制与开发，受到了国家八六三计划的大力支持，被列为“重中之重”项目。通过该项目的实施，使中国镍氢电池的装备水平得到了大大的提高，目前中国已开发成功九个系列，32个规格的镍氢电池产品，形成了年产3000吨储氢合金材料和3亿安时镍氢电池的生产规模，年产值约30亿元人民币的镍氢电池产业。带动了一个年产值超百亿元的高技术产业群。

1.3.5.2镍氢电池原理：

镍氢电池正极活性物质为氢氧化镍(称氧化镍电极)，负极活性物质为金属氧化物，也称贮氢合金(电极称贮氢电极)，电解液为6N氢氧化钾，在电池充放电过程中的电池反应为：

其中M为储氢合金材料。

电池的开路电压为： 1.2V～1.3V、因贮氢材料和制备工艺不同而有所不同。过充电时，两极上的反应为：

氧化镍电极上：   4OH^--4e — 2H₂O+O₂

贮氢电极上； 2H₂O+O₂+4e —4OH^-

电池过充电时的总反应：0

电池在设计中一般采用负极过量的办法，氧化镍电极全充电态时产生氧气，经过扩散在负极重新化合成水，这样，既保持了电池内压的恒定，同时亦使电解液浓度不致发生巨人变化。当电池过放电时，电极反应为：

氧化镍电极上：  2H₂O+2e — H₂+2OH^-

贮氢电极上； 2OH^-+H₂-2e — 2H₂O

电池过放电时的总反应：0

虽然过放电时，电池总反应的净结果为零，但要出现反极现象。由于在正极上产生的氢气会在负极上产生新化合，同样也保持了体系的稳定。

另外，负极活性物质氢以氢原子态能以相当高的密度吸附干贮氢合金中，在这样的电极上，吸放氢反应能平稳地进行，放电性能较镉-镍电池而言得以提高。

1.3.5.3镍氢电池特性：

镍氢电池（NIMH）是现代电子产品中使用最为广泛的绿色环保电池之一。具有单体容量大、放电特性平稳、通用性强、发热量小等优点。缺点是体积大、自身重量大。镍氢电池具有接近2倍于镍镉电池的能量密度，与普通AA类碱性电池电压相近，基本上可以通用，镍氢电池的放电特性非常好，放电曲线也非常平滑，到电力快要消耗完时，电压突然跌落，这一点接近于镍铬电池，但是瞬间放电电流不如镍铬电池。另外，镍氢电池采用无汞设计，这对于环境保护具有重大意义。

1.3.5.4适用范围

   主要应用于电动车，UPS，在军用民用设施上都有广泛应用。

1.3.5.5应用业绩

1.3.5.6国家对此类电池的标准：

《2007 年度EV 用金属氢化物镍动力蓄电池性能测试规范》

科技部863能源办公室

1.3.6超级电容器：

1.3.6.1发展历程：

超级电容器的储能机理是在1879年由Helmholz发现，但是将这个原理将大量电能储存在物质表面，像电池一样运用于实际的是Becker。随后美国人Sohio公司开始利用基于高比表面的碳材料的双层电容器。Conway公司与1975～1981开发了另外一种“准电容”体系。日本NEC公司从1979年开始生产一种SuperCapacitor，并将该技术应用于电动汽车的电池启动系统，开始了超级电容的大规模使用。

   国内学者于20世纪80年代才开始注意到双层电容器的研究，但是到了90年代才开始研究超级电容器，起步相对国外较晚，但是发展势头可观.

1.3.6.2特性分析：又名双电层电容器(Electrical Doule-Layer Capacitor)、电化学电容器(Electrochemcial Capacitor, EC), 黄金电容、法拉电容，通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应，这种储能过程是可逆的，也正因为此超级电容器可以反复充放电数十万次。超级电容器可以被视为悬浮在电解质中的两个无反应活性的多孔电极板，在极板上加电，正极板吸引电解质中的负离子，负极板吸引正离子，实际上形成两个容性存储层，被分离开的正离子在负极板附近，负离子在正极板附近。

超级电容器是利用双电层原理的电容器。当外加电压加到超级电容器的两个极板上时，与普通电容器一样，极板的正电极存储正电荷，负极板存储负电荷，在超级电容器的两极板上电荷产生的电场作用下，在电解液与电极间的界面上形成相反的电荷，以平衡电解液的内电场，这种正电荷与负电荷在两个不同相之间的接触面上，以正负电荷之间极短间隙排列在相反的位置上，这个电荷分布层叫做双电层，因此电容量非常大。当两极板间电势低于电解液的氧化还原电极电位时，电解液界面上电荷不会脱离电解液，超级电容器为正常工作状态（通常为3V以下），如电容器两端电压超过电解液的氧化还原电极电位时，电解液将分解，为非正常状态。由于随着超级电容器放电 ，正、负极板上的电荷被外电路泄放，电解液的界面上的电荷响应减少。由此可以看出：超级电容器的充放电过程始终是物理过程，没有化学反应。因此性能是稳定的，与利用化学反应的蓄电池是不同的。

工作原理

电容值为：

　C = ε·A / 3.6 πd ·10^-6 (μF)

　其中A为极板面积，d为介质厚度

　所储存的能量为：

　E = 1/2 C （ΔV）2

1.3.6.2.1特性：

•体积小，容量大，电容量比同体积电解电容容量大30~40倍

•充电速度快，10秒内达到额定容量的95%

•充放电能力强

•失效开路，过电压不击穿，安全可靠

•超长寿命，可长达40万小时以上

•充放电线路简单，无需充电电池那样的充电电路，真正免维护

•电压类型：2.7v---12.0v

•容量范围：0.1F--1000F

1.3.6.2.2

•优点：具有电容的大电流快速充放电特性，同时也有电池的储能特性，在体积很小的情况下就可以达到法拉级电容量，并且重复使用寿命长，放电时利用移动导体间的电子（而不依靠化学反应）释放电流，优点：在很小的体积下达到法拉级的电容量；无须特别的充电电路和控制放电电路；和电池相比过充、过放都不对其寿命构成负面影响；从环保的角度考虑，它是一种绿色能源；超级电容器可焊接，因而不存在像电池接触不牢固等问题

•缺点 ：如果使用不当会造成电解质泄漏等现象；和铝电解电容器相比，它内阻较大，因而不可以用于交流电路

1.3.6.3适用范围：

•作为固定线路电动汽车的主电源，提供短途行驶所需要的能量

•作为燃料电池电动车的辅助动力电源，与燃料电池主电源形成混合动力，提供瞬间大功率（启动、爬坡、加速时）并回收刹车能量，起到重要的功率平衡作用

•作为车辆、机械、船舶等设备中燃油发动机的辅助电源，形成油电混合动力，大幅度降低燃油的消耗、提高发动机峰值功率并减少有害气体排放

•作为电池型电动工具的主电源，提供短时驱动的能量

•作为太阳能、风能发电系统中的永久性蓄能装置

•作为电站直流操作电源、高压环网功率补偿电源等；

•在电子电器（汽车音响、仪器仪表、家用电器、手机、电脑、数码相机……）中作为备用电池或主电池

1.3.6.4适用业绩：

1.哈尔滨巨容公司开发研制的电动车用超级电容器已应用在哈尔滨电车公司的电车供电系统中，该电容器组充电时间为10一15分钟，充电方式为停止时车载充电和行使时车载在线充电。最高时速达60公里，续驶里程为20公里。完全解决了无轨电车部分区域及全程脱线运行问题。

此外，经低温启动试验，在一40℃仍可正常启动，解决了北方地区的寒冷季节电车脱线后启动困难问题。该车稳定运行己达3个月，行驶里程5000公里，在整个试验过程中，电容器组无需维护。

哈尔滨巨容公司开发研制的电动车用超级电容器组件作为电源在哈工大电动车课题组研制的电容电动车上进行运行实验，性能良好，达到了预期效果。

1.4相变储能：

1.4.1相变储能原理：(PCM - Phase Change Material)指随温度变化而改变形态并能提供潜热的物质。相变材料由固态变为液态或由液态变为固态的过程称为相变过程，这时相变材料将吸收或释放大量的潜热。 相变材料可分为有机（Organic）和无机(Inorganic) 相变材料。亦可分为水合（Hydrated）相变材料和蜡质(Paraffin Wax)相变材料.

相变材料具有在一定温度范围内改变其物理状态的能力。以固－液相变为例，在加热到熔化温度时，就产生从固态到液态的相变，熔化的过程中，相变材料吸收并储存大量的潜热；当相变材料冷却时，储存的热量在一定的温度范围内要散发到环境中去，进行从液态到固态的逆相变。在这两种相变过程中，所储存或释放的能量称为相变潜热。物理状态发生变化时，材料自身的温度在相变完成前几乎维持不变，形成一个宽的温度平台，虽然温度不变，但吸收或释放的潜热却相当大。

　　相变材料的分类相变材料主要包括无机PCM、有机PCM和复合PCM三类。其中，无机类PCM主要有结晶水合盐类、熔融盐类、金属或合金类等；有机类PCM主要包括石蜡、醋酸和其他有机物；近年来，复合相变储热材料应运而生，它既能有效克服单一的无机物或有机物相变储热材料存在的缺点，又可以改善相变材料的应用效果以及拓展其应用范围。因此，研制复合相变储热材料已成为储热材料领域的热点研究课题。但是混合相变材料也可能会带来相变潜热下降，或在长期的相变过程中容易变性等缺点。

1.4.2优势：1）熔化潜热高，使其在相变中能贮藏或放出较多的热量；（2）相变过程可逆性好、膨胀收缩性小、过冷或过热现象少；（3）有合适的相变温度，能满足需要控制的特定温度；（4）导热系数大，密度大，比热容大；（5）相变材料无毒，无腐蚀性，成本低，制造方便。

相变储能建筑材料经过20多年的发展，其智能化功能性的特点勿容置疑。随着人们对建筑节能的日益重视，环境保护意识的逐步增强，相变储能建筑材料必将在今后的建材领域大有用武之地，也会逐渐被人们所认知，具有非常广阔的应用前景。

1.4.3局限性：在实际研制过程中，要找到满足这些理想条件的相变材料非常困难。因此，人们往往先考虑有合适的相变温度和有较大相变潜热的相变材料，而后再考虑各种影响研究和应用的综合性因素。

　　就目前来说，现存的问题主要在相变储能建筑材料耐久性以及经济性方面。耐久性主要体现在三个方面：相变材料在循环过程中热物理性质的退化问题；相变材料易从基体的泄漏问题；相变材料对基体材料的作用问题。经济性主要体现在：如果要最大化解决上述问题，将导致单位热能储存费用的上升，必将失去与其他储热法或普通建材竞争的优势。