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电网系统里用不完的电是如何储存的?

2021-10-11 中科院物理所 阅读:
其实在正常情况下,电网系统自身是具备自我调节的能力的,可以最大程度上平衡发电量和用电量。但如果出现了发电量远超用电量,无法通过自我调节来实现均衡的情况,就要借助储能系统将多余的电量储存起来。

18世纪工业革命的兴起,让化石燃料占据了人类经济活动的前端,但由于其带来的污染及不可再生性,人们开始将着眼点放在新能源的开发与利用上。YTBednc

在如今的21世纪,能源问题仍旧不可避免且刻不容缓。而能源的存储(简称储能),作为连接能量供给与消费的重要环节,在整个能源互联网中起着重要的作用。YTBednc

不知道大家有没有想过这样一个问题:发电站在持续不断地发电,但我们的用电需求却有高有低。那在用电低谷时,会出现发电量大于用电量而导致电能浪费的情况吗?YTBednc

其实在正常情况下,电网系统自身是具备自我调节的能力的,可以最大程度上平衡发电量和用电量。YTBednc

但如果出现了发电量远超用电量,无法通过自我调节来实现均衡的情况,就要借助储能系统将多余的电量储存起来。YTBednc

在诸多的储能方式中,有一颗冉冉升起的新星,这种储能方式所基于的元素,也是人体肌肉组织和神经组织中的重要成分之一……YTBednc

没错,它就是钠离子电池储能系统YTBednc

2021年6月28日,中科院物理所中科海钠在山西太原综改区联合推出了全球首套1MWh钠离子电池储能系统,并成功投入运行。YTBednc

1MWh钠离子电池储能系统YTBednc

该系统以自主研发的钠离子电池为储能主体,结合市电、光伏和充电设施构成一个微网系统,能够实现自我控制、保护和管理;具有灵活的运行模式和调度管理性能,既能并入大电网运行,又能独立孤岛运行;联网模式下与大电网一起分担用户的供电需求,孤岛模式下保证用户尤其是重要用户的正常用电YTBednc

此次钠离子电池储能系统的成功研制,标志着我国在钠离子电池技术及其产业化水平走在了世界前列,同时意味着钠离子电池即将步入商业化应用新阶段YTBednc

钠离子电池作为一种新型二次电池(可充电电池),近些年的发展势头可以用“迅猛”一词来形容。YTBednc

为何要大力研发钠离子电池并努力做到产业化?这背后的原因和意义究竟是什么?YTBednc

这还得从钠离子电池本身开始说起……YTBednc

钠离子电池的诞生YTBednc

早在1870年,法国著名小说家儒勒·凡尔纳就在其科幻小说《海底两万里》中描述了他心目中的钠电池。YTBednc

“将钠与汞混合形成一种合金(钠汞齐),代替本生电池(一种锌碳原电池)中所需要的锌。汞可以永久保持,而不断消耗的则可以从大海里源源不断地提取……”YTBednc

直到1968年,才出现了能在高温下运作、使用金属钠作负极单质硫作正极高温钠硫电池YTBednc

由于工作温度高,可应用的范围就非常受限,所以为了降低其工作温度拓展其应用领域,科学家们可谓煞费苦心。YTBednc

1979年,“摇椅式电池”的概念被提出。何为摇椅式电池?指的是电极材料中的离子可以在电压的驱动下于正负极间来回迁移,就像摇椅可以前后摇晃一样。YTBednc

“摇椅”模型示意图YTBednc

自此,钠离子电池的雏形开始显现,并逐渐发展成今天的模样。YTBednc

钠离子电池的工作原理YTBednc

和锂离子电池一样,钠离子电池的主要结构也包括正极负极电解质隔膜集流体等,只是电池内传导的不再是锂离子,而是钠离子。YTBednc

正负极被电解质浸润以保证离子导通,隔膜用以将正负极隔开防止内短路,集流体则起收集和传导电子的作用。YTBednc

钠离子电池结构示意图YTBednc

充电时,钠离子从正极脱出经电解质嵌入负极,电子经外电路由正极向负极迁移,实现能量的存储。放电过程与充电过程相反,实现能量的输出YTBednc

正常情况下,钠离子在正负极材料的嵌入脱出不会破坏材料的晶体结构,使得反应高度可逆,从而保证电池可以反复使用YTBednc

钠离子电池的优势YTBednc

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钠资源储量丰富YTBednc

相比锂资源的稀缺分布不均,钠资源可谓储量丰富且分布广泛如果对比一下锂元素和钠元素在地壳里的丰富度……YTBednc

嗯,一目了然YTBednc

这就使得钠离子电池的制造成本更低、且无发展瓶颈YTBednc

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更廉价的电极材料YTBednc

在锂离子电池的许多材料中,NiCo不可或缺的元素,但这却都是贵金属YTBednc

而钠离子电池却不一样。近些年来,中科院物理所胡勇胜课题组陆续研发出具有可观电压和比容量Cu基氧化物正极材料以及无烟煤基负极材料YTBednc

这使得钠离子电池在正极材料上可脱离Ni、Co等贵金属,转而使用Cu、Fe、Mn等更为廉价的金属;在负极材料上也获得了最高的性价比YTBednc

各金属产量对比图YTBednc

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低浓度电解液YTBednc

电解液是连接正极与负极的桥梁,也是离子传输的必经之路。理想的电解液需要兼顾离子电导率液态温度范围稳定性等。YTBednc

按常理来说,电解液中离子浓度越高,越有利于离子的传导。但浓度的上升也会带来黏度变大等其它问题,故不能一味地追求高浓度YTBednc

而相比锂离子,钠离子具有更小的斯托克斯半径,故低浓度的钠盐电解液也能同样具有较高的离子电导率,从而减小了黏度所带来的影响。YTBednc

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更廉价的集流体YTBednc

不会和铝发生合金化反应,故可以选用廉价的铝箔作为集流体,进一步降低了成本。(由于锂易和其它金属发生合金化反应,故只能选用略贵的铜箔做集流体)YTBednc

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更优的倍率性能、高低温性能YTBednc

所谓倍率,即充放电速率,而高倍率充电就是我们现在常见的快充。钠离子电池显示出了比锂离子电池更优的倍率性能,即可以在短时间内充满电容量保持率高YTBednc

高低温性能即电池可以正常工作的温度区间。相比锂离子电池,钠离子电池可以在低至约-30℃高至约80℃的环境中正常工作。YTBednc

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更高的安全性YTBednc

可能有的朋友会问,钠的性质比锂更为活泼,那制造出的电池安全吗?YTBednc

这点大可不必担心,为了避免枝晶带来的安全问题,钠离子电池不会选用金属钠单质作为负极材料(就像锂离子电池不用金属锂单质作为负极一样),而会选用碳类材料作为负极、钠的化合物(钠盐)作为正极。YTBednc

无论是碳类材料还是钠盐都是稳定的,在钠离子嵌入脱出时不会发生反应,同时能避免产生枝晶YTBednc

在安全性测试(加热、过充、短路、跌落、针刺、海水浸泡等)中,钠离子电池能做到不起火爆炸,展现出良好的安全性能YTBednc

针刺后的电池无起火爆炸的情况YTBednc

钠离子电池 & 中科院物理所YTBednc

由于钠离子的质量半径均要大于锂离子,这就注定了钠离子电池的能量密度无法与锂离子电池相媲美YTBednc

从目前的发展水平来看,钠离子电池可能还无法满足手机这类具有较大电量需求的电子产品。YTBednc

但由于低成本高安全长寿命等优势,钠离子电池可以与锂离子电池形成互补,并且可以逐渐取代铅酸电池,在大规模储能交通工具上大展宏图。YTBednc

钠离子电池潜在应用领域YTBednc

中科院物理所自2011年致力于低成本安全环保高性能钠离子电池技术开发,目前已在正负极、电解质、添加剂和粘接剂等关键技术方面申请了50余项发明专利(已授权30余项,其中3项获得美国、欧盟和日本授权),在Science正刊、Nature、Science 子刊及Joule学术杂志发表论文10篇,出版《钠离子电池科学与技术》专著一本。不仅如此,团队还牵头制定了国内首个钠离子电池团体标准。YTBednc

2017年,陈立泉院士提出“电动中国”构想,钠离子电池产业化势在必行。团队于同年成立中科海钠公司——一家专注于钠离子电池技术研究与生产的高新技术企业,现已建成钠离子电池百吨级材料中试线百万安时级电芯线,正在山西太原建设年产2000吨钠离子电池正、负极材料生产基地;研制生产出软包、铝壳及圆柱电芯约15万只,综合性能处于国际领先水平为钠离子电池的商业化奠定了坚实基础YTBednc

从2015年习近平总书记提出“构建全球能源互联网”,到2020年我国向世界郑重宣布“碳达峰、碳中和”的双碳目标,对可再生能源的加快推广提出了迫切要求,也为钠离子电池的持续发展提供了巨大空间。我们有理由坚信,未来钠离子电池的发展能取得更大的进步!YTBednc

拓展阅读YTBednc

[1] 钠离子电池:中国的机会YTBednc

[2]《钠离子电池科学与技术》二次印刷 | 钠离子电池:构建能源互联网关键一环YTBednc

[3] 全球首套1 MWh钠离子电池光储充智能微网系统正式投入运行YTBednc

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[10] 震惊,这种电池成分早已在人体中富集YTBednc

编辑:EricYTBednc

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