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Ｎａ—ｂｅｔａ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　Ｓｏｄｉｕｍ　Ｓｕｌｆｕｒ　Ｃｅｌｌ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｗｅｎ　Ｚｈａｏｙｉｎ　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｏｄｉｕｍ　ｓｕｌｆｕｒ　ｃｅｌｌ　ｗａｓ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｂａｔｔｅｒｉｅｓ．Ｉｔ　ｕｓｅｄ　Ｎａ—ｂｅｔａ—ａｌｕｍｉｎａ　ａｓ　ｔｈｅｉｒ　ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅｓ，ｓｏｄｉｕｍ　ｍｅｔａｌ　ａｓ　ｃａｔｈｏｄｅ，ａｎｄ　ｓｏｄｉｕｍ　ｐｏｌｙｓｕｌｉｄｅ　ａｆｓ　ａｎｏｄｅ．Ｉｔ　ｈａｄ　ｔｈｅ　ｓｐｅｃｉａｌ　ａｄｖａｎｔａｇｅ　ｏｆ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ａｎｄ　ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ　ｉｎ　ｌｏｗ　ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ　ｃｏｓｔ，ｌ１ｉｇｈ　ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ，ｅａｓｙ　ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ　ａｎｄ　ＳＯ　ｏｎ．Ｉｔ　ｈａｄ　ｂｅｅｎ　ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌｌｙ　ｕｓｅｄ　ｉｎ　ｓｔｅａｄｉｌｙ　ｏｕｔｐｕｔｔｉｎｇ　ｒｅｎｅｗａｂｌｅ　ｒｅｓｏｕｒｃｅ　ａｎｄ　ｉｍｐｒｏｖｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｑｕａｌｉｔｙ　ｓｕｃｈ　ａｓ　ｌｏａｄ　ｓｈｉｆｉｔｎｇ，ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ　ｐｏｗｅｒ，ａｎｄ　ｗｉｎｄ　ｐｏｗｅｒ　ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ．Ａｔ　ｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｒｅ　ｗｅｒｅ　ｍｏｒｅ　ｔｈａｎ　１００　ｓｏｄｉｕｍ　ｓｕｌｆｕｒ　ｃｅｌｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｓｔｏｒａｇｅ　ｓｔａｔｉｏｎ，ｉｎｖｏｌｖｅｄ　ｉｎ　ｉｎｄｕｓｔｒｙ，ｃｏｍｍｅｒｃｅ，ｔｒａ￣ｃ，ａｎｄ　ｅｌｅｃｔｒｉｃｉｔｙ．Ｉｔ　Ｗａｓ　ｔｈｅ却ｅｓｔ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｐｏｔｅｎｔｉｌａ　ａｄｖａｎｃｅｄ　ｅｎｅｒｙ　ｓｇｔｏｒａｇｅ　ｃｅｌｌ　ａｍｏｎｇ　ｔｈｅ　ｓｅｃｏｎｄａｒｙ　ｂａＲｅｒｉｅｓ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｏｄｉｕｍ　ｓｕｌｆｕｒ　ｃｅｌｌ；Ｅｎｅｒｙ　ｓｇｔｏｒａｇｅ；Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　１储能的迫切性　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　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　ＳｈａｎｇｈａＩ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　２∞７．Ｎ。．２圜豳Ｉ　７　维普资讯 http://www.cqvip.com

最快的一种可再生能源．目前，全球风电装机容量已　电能转化为化学能储存，如电池、超级电容器等；电　达２５０００ＭＷ以上。我国近几年风力发电增长很快．　池储能是将低荷时的电力经整流充入电池中，峰荷　发展潜力巨大。由于可再生能源的电力输出随着风、　时再逆变送入交流系统。　光照等资源的强度同步变化和波动，因此无法直接　各种大容量电池．配以大容量晶闸管．以电子计　向电网输出或向用户出售．需要经过稳定后方可和　算机为中心控制系统和监视系统即组合成电池储能　电网安全对接输出。　系统。各种储能方式具有各自的优缺点。表１比较了　要解决国家电力紧缺和稳定可再生电力输出．　各种储能技术的优势、劣势及其适用的范围。　储能是最有效的途径．它在用电需求小于发电量时　由上表可见．钠硫电池是目前唯一的一种同时　将多余的电能储存起来．在需求大于供给时补充电　完全适用于功率型储能和能量型储能的储能电池。　能。利用分布式的储能系统可以在关键时刻辅助供　由于钠硫电池以金属钠和单质硫分别为阳极和阴　电或者传输电能：将对供电负荷需求从峰值时刻转　极，以ｂｅｔａ一氧化铝为电解质，原材料丰富，价格低　移到负荷低谷时刻或在强制停电或者供电中断的情　廉．和目前的各种液流电池以及锂离子电池等各种　况下提供电能。　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　２各种储能技术的比较　定的因素。　目前，电力储能技术大致分三类：①直接储存电　磁能，如超导储能技术；②把电能转化为机械能储　３钠硫电池的基本原理　存，如抽水储能和压缩空气储能是将电能转变为势　钠硫电池（Ｓｏｄｉｕｍ　Ｓｕｌｆｕｒ　ｂａｔｔｅｒｙ，简称ＮＡＳ）以　能储存，飞轮储能则是将电能转化为动能储存；③把　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８ｈａｎｇｈａｉ　Ｅｎｅｒｇｙ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ　２００７·Ｎｏ．２　维普资讯 http://www.cqvip.com

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　１　１５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　ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｅｎｅｒｇｙ　ｃ０ｎｓｅｒｖａｔｉｏｎ．２００７·Ｎ。·２口圈　Ｉ９　维普资讯 http://www.cqvip.com

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　２３　６∞　削　ＩＰａＭ　Ｒ　Ｔ０Ｔ＾Ｉ　５∞　Ｐ　Ｒ　‘００　＾　＼　●Ｉ几　＾　｜　１　蔓。∞　以　．＾，Ｉｋ▲　ＬＬ　．　上　、，２００　、Ｌ　ｌ　乙　７　Ｖ　Ｖ　’、　·～　　，＿　吖　ｆ　１　００　ｊ　０　＾ＩＩ『　．ｆ　、，’　＾　ｒ’　＼　１００　、Ｊ　、　、　．　Ｙ　，　　Ｉ加０　Ｎ＾暑　卧丌　Ⅳ　３００　１加　１　８０　２４０　Ｔｉｍｅ　（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　０　ｆ口嘲ｓｈａｎｇｈａｉ　Ｅｎｅ叼ｙ　Ｃｏｎｓｅｒｖａｔｉ。ｎ　２ｏ０７　Ｎｏ．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　的预测，当钠硫电池的年产量达到１６００ＭＷｈ，钠硫　电池的价格将从目前的２０００美元／ｋＷ降到１０００　美元／ｋＷ。如果能实现钠硫电池在我国的自主产业　化，有望使其成本达到或接近火电水平，那么随着峰　谷电价差的逐步加大和对电能质量要求的目益提　高，实现钠硫电池的规模化应用是完全可能的。　概括地说，储能用的钠硫电池是各种先进二次　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。实现钠硫储能系统的规模化应用，可　能带来电力供应模式的根本性变革，存在着不可估　量的经济效益和社会效益。