不同鉛酸電池在微網中的儲能性能對比

何海斌

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海200070)

不同鉛酸電池在微網中的儲能性能對比

何海斌

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海200070)

簡述了國內外鉛酸電池技術的研究概況，從理論上分析了普通鉛酸電池、膠體電池和鉛炭電池的區別。結合實驗分析了三種不同電池的溫度適應能力、放電深度對循環壽命的影響、自放電率以及容量恢復能力，結果顯示膠體電池和鉛炭電池性能顯著優于普通鉛酸電池，更適合應用在微網儲能系統中。對比了不同廠家的鉛炭電池，結果表明由于炭含量等工藝差別，不同廠家的鉛炭電池在性能上差別會比較大。

鉛酸電池；膠體電池；鉛炭電池；循環壽命；放電深度

隨著全球能源問題的日益突出，太陽能、風能一直作為新能源發展的主流，其勢頭越來越強勁。然而，太陽能、風能受光照時間、光照強度、風速大小等自然條件的影響，其所發電力無法平穩供給電器直接使用，通常需要使用儲能電池進行能量儲存及調節[1]。儲能電池已經成為制約太陽能、風能發展的關鍵因素，目前用于電能儲存的電池主要有鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池和鋰電池等。由于使用條件、價格、一致性等問題的制約，技術成熟的鉛酸電池一直是儲能應用中的主要產品。針對鉛酸電池在微網系統中的應用，很多學者也做了大量的研究。隨著電池材料、工藝和技術的改進，鉛酸電池從結構和特性上不斷改進以適應電能儲存的要求。

膠體電池和鉛炭電池是對普通鉛酸電池改性研制出來的先進鉛酸電池，滿足微網系統儲能高比功率、高充放電適應能力、長壽命等需求。由于其優越的性能及應用前景，一直是行業的研究熱點，其技術也在不斷成熟。郭永榔[2]分析認為簡單地將硫酸電解液替換為膠體電解液會導致電池容量的下降；陳巍等[3]對膠體電池在光伏系統中的適用性進行了分析，指出膠體電池在荷電保持能力等方面都能比較好地應用于光伏系統；Newnham等[4]研究證明了膠體電池抗欠壓能力強、充電恢復能力強；廖強強等[5]探討了鉛炭電池的性能，并認為鉛炭電池在電力儲能市場具有很好的應用前景；劉志鵬等[6]論述了不同種類的炭材料對電池性能的影響以及如何抑制析氫現象。本文在此基礎上對比了普通鉛酸電池、膠體電池與鉛炭電池在性能上的差異及在微網系統中的適用性，并通過實驗測試分析不同鉛炭電池在性能上的差異。

1 鉛酸電池原理與比較

1.1 普通鉛酸電池

不同鉛酸電池的原理基本相同，正極是二氧化鉛PbO2，負極則是金屬鉛Pb，如圖1所示。電解液是硫酸溶液，當電池電量充足時，硫酸一般占電解液質量的37%[7]，兩極的反應產物為PbSO4，式(1)～(3)分別為正極、負極以及電池反應式。在充放電過程中，硫酸電解液在電池中不僅可以傳導電流形成內回路，而且還參加正負極的電極反應。在放電過程中，正負極逐漸消耗硫酸，進入電極表面，即電解液的濃度會隨著充放電的程度而變化，當電極的活性物質耗盡，或當電解液的濃度太低不足以維持放電反應時，放電終止；在充電過程中，硫酸又從電極回到溶液，導致溶液濃度上升。

圖1 傳統鉛酸電池基本原理

正極反應：

負極反應：

電池反應：

鉛酸電池的標準電動勢為2.105 V，通常開路電壓為2.0 V，放電終止電壓為1.75 V，理論質量比能量達到250 Wh/kg。目前常用的鉛酸電池主要是：吸附式玻璃纖維(AGM)閥控式密封鉛酸電池。鉛酸電池在使用過程中由于正極活性物質的軟化脫落，負極硫酸鹽化，板柵腐蝕等問題很容易導致電池使用壽命大大降低。為解決鉛酸電池的性能問題，通過深入研究影響電池的壽命因素，對鉛酸電池進行改性而得到了膠體電池和鉛炭電池。

1.2 膠體電池

膠體閥控式密封鉛酸電池(GEL)是對液態電解質的普通鉛酸電池的改進，用膠體電解液代換了硫酸電解液，目前常用的主要有硅凝膠和氣相SiO2。因為膠體電解液是以SiO2質點作為骨架構成的三維多孔網狀結構，并將電解液包圍在里面，所以在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面較普通鉛酸電池有所改善。此外，膠體電解液能夠大大減少電解液分層現象，具有非常優異的保液性能，具有比AGM更好的深放電性能和深放電后的恢復能力，且對溫度的敏感性降低，在較高和較低的溫度下工作性能更穩定。

1.3 鉛炭電池

普通鉛酸電池和膠體電池都存在快速充放電性能差、比功率小等問題，而電容器恰好具有高比功率、快速充放電性能，將具有電容器性質的炭材料融入鉛酸電池，就是所謂的鉛炭電池。鉛炭電池是一種高級的鉛酸電池，通過在鉛酸電池中加入活性炭而改變其性能，使其同時具備了鉛酸電池和電容的功能。目前在鉛酸電池中加入活性炭主要有三種方式。

第一種是鉛炭不對稱電化學電容器，其是用高比表面積的炭完全取代鉛負極，正極仍然使用PbO2材料而構成的新的電化學裝置，原理如圖2。在充放電過程中，正極仍然發生傳統鉛酸電池的電化學反應，其負極儲能主要是通過雙電層儲存以及可能的H+贗電容儲存，負極儲能過程如式(4)[8]。在全充電狀態，H+儲存在負極中，放電時，H+移動到正極形成H2O，這樣減少了負極PbSO4的形成，也減少了酸濃度的變化，從而提高了電池的使用壽命。

圖2 鉛炭不對稱電化學電容器原理圖

第二種是由澳大利亞聯邦科學和工業研究會發展起來的負極材料由鉛和活性炭單獨制作，然后通過并聯形成負極的鉛酸電池，稱之為內并模式，其原理如圖3。該模式下，PbO2極板作為電池正極，負極是一種分裂的電極形式，即一半炭和一半鉛共同組成電池負極。在充放電過程中，負極的充放電電流有電容器電流和鉛酸負極電流兩種，電容器電極作為電流的緩沖器，分散大電流對鉛負極板的沖擊，增強了電池在高倍率下充放電的性能。

圖3 鉛炭電池內并模式

第三種是由美國Axion公司研發的，把活性炭混合到負極材料Pb中制成負極的鉛酸電池，稱之為內混模式，其原理如圖4。負極板上有少量的炭材料可以提高負極材料的比表面積，增加負極材料的電導率，減少負極硫酸鹽化。在鉛炭電池的發展過程中，內并模式存在著由于炭材料加入量較大，炭材料的析氣導致電池嚴重失水的問題，以及鉛和炭材料充放電的電位差異，炭材料和板柵間的結合，制備困難等問題，目前國內常用的主要是內混模式[9]。

圖4 鉛炭電池內混模式

2 鉛炭電池、膠體電池與普通鉛酸電池性能比較

2.1 不同工作溫度下電池容量

微網中儲能電池的工作環境與其他用途的電池有很大的差別，通常需要在－30～50℃條件下工作，有時常年需要在低溫環境下運行，這對電池的性能有很大影響，所以理想的儲能電池應該有較好的溫度適應能力，其在低溫下仍有較好的容量保持能力。圖5為國內典型廠家生產的普通鉛酸電池(12 V、200 Ah)、膠體電池(12 V、200 Ah)、鉛炭電池(12 V、150 Ah)在不同工作溫度下的10小時率容量變化情況，相較于普通鉛酸電池，膠體電池和鉛炭電池在低溫下的容量保持能力均有較大幅度提升。在－20℃條件下，普通鉛酸電池容量已經降低到50%以下，而膠體電池和鉛炭電池均保持在60%以上，其主要是因為膠體電池中的膠體電解質具有較好的溫度保持效果，而鉛炭電池負極的活性炭具有多孔結構，起到了電解液儲存的作用，并能形成電解質離子快速遷移的孔，且活性炭分子也可分隔硫酸鉛晶粒，防止電極材料表面積收縮，提高電導率，因此均具有比普通鉛酸電池更好的低溫容量。

圖5 不同鉛酸電池的10小時率容量-溫度關系圖

2.2 不同放電深度下電池壽命

微網中可再生能源發電很不穩定，發電與用電在時間上的匹配性較差，儲能系統需要經常工作在深充深放狀態，這就要求儲能電池在較大放電深度(DOD)下仍具有較長的循環壽命，循環壽命也是衡量電池優劣的一個重要性能指標。圖6為國內廠家生產的12 V普通鉛酸電池、12 V膠體電池及12 V鉛炭電池在25℃下不同DOD時的循環壽命，在100%DOD下，膠體電池和鉛炭電池的循環壽命達到了450次和600次，遠遠大于普通鉛酸電池的200次左右；在80%DOD下，膠體電池和鉛炭電池的循環壽命分別達到了600次和1 000次，遠遠大于普通鉛酸電池的300次左右。由此可見，通過對普通鉛酸電池進行改性，膠體電池和鉛炭電池在循環壽命上有了極大的提升，這在很大程度上降低了儲能電池的儲電成本。同時，由于負極板上活性炭的加入，使得極板上孔隙率大大增加，且比膠體電解液更好地抑制了硫酸鹽晶粒的生長，鉛炭電池在循環壽命上比膠體電池更具有優勢。

圖6 不同放電深度下電池循環壽命

2.3 自放電速率及容量恢復能力

儲能電池的自放電速率在微網的儲能電池配置中也是一個很重要的考量指標，自放電率影響到儲能電池長時間擱置后的電量(SOC)情況。比較小的自放電率可以有效避免長時間擱置后導致的電池電量不足，使得電池長時間處在較低的SOC狀態下，致使電池性能受到不可逆的損耗。圖7總結了國內廠家生產的鉛酸電池自放電率參數，對比了不同鉛酸電池在25℃下經過長時間擱置后的電量變化情況，可以發現，鉛炭電池和膠體電池的自放電率要低于普通鉛酸電池，普通鉛酸電池自放電率約為每月4%～5%，膠體電池約為每月2%～3%，鉛炭電池約為每月1%～3%。

圖7 不同鉛酸電池的自放電情況

圖8為儲能電池長時間擱置后放電到截止電壓，再通過恒流限壓充電后的容量恢復情況。鉛炭電池和膠體電池的容量恢復分別達到96.5%和94%，遠高于普通鉛酸電池的50%左右。同時，普通鉛酸電池的充電速率也比鉛炭電池和膠體電池要低，顯示經過長時間擱置后，普通鉛酸電池的內阻增大比較明顯，其大電流充電能力明顯降低。

圖8 長時間擱置后不同鉛酸電池充電容量恢復能力

3 鉛炭電池、膠體電池與普通鉛酸電池綜合性能比較

膠體電池和鉛炭電池在安全性、蓄電量、放電性能和使用壽命等方面都要優于普通鉛酸電池。表1為三種電池的綜合性能比較。在普通鉛酸電池的改性過程中，用膠體電解質代替硫酸電解質會導致電池內阻增加，使得膠體電池的大電流放電能力降低；而鉛炭電池中炭材料的加入也會導致電池負極板容易氧化，使負極析氫嚴重，但是由表1可知，膠體電池和鉛炭電池比普通鉛酸電池更適合作為微網系統的儲能電池使用，且鉛炭電池性能更突出。

表1 三種鉛酸電池綜臺性能對比

鉛炭電池在微網儲能上的優勢吸引了國內眾多電池廠家研發鉛炭電池，典型廠家如：南都電源、華富儲能、西恩迪和圣陽等。但是由于不同廠家在炭材料添加等生產工藝上的差別，導致所生產的鉛炭電池在性能上也有所差異。分別選取A工廠生產的12 V、200 Ah鉛炭電池和B工廠生產的12 V、200 Ah鉛炭電池通過日本菊水的測試設備進行恒流限壓充放電測試。測試條件為環境溫度(30±1)℃，電壓范圍10.8～14.5 V，測試結果如表2～表3所示。

表2 A工廠鉛炭電池充放電測試

表3 B工廠鉛炭電池充放電測試

表2中顯示A工廠生產的鉛炭電池在20 A條件下充電時，第一次只能達到額定容量的55.3%，且放電充電比為83.6%；B工廠生產的鉛炭電池在20 A條件下充電時，第一次達到額定容量的79.2%，且放電充電比為88%，即在充電過程中，A工廠電池電壓比B工廠上升更快，導致在以電池電壓為控制指標的電池系統中，A工廠電池充電容量要遠遠低于B工廠的電池，且B工廠電池放電充電比高于A工廠電池。在40、50 A充電過程中，B工廠電池的充電量衰減率低于A工廠電池，其比A工廠電池更能適應大電流充放電，也更適合在微網系統中使用，即相同型號的鉛炭電池，由于添加炭及其他生產工藝的不同，將導致不同工廠生產的電池性能會有較大差別。

4 結論

鉛炭電池和膠體電池性能優越、安全環保，作為微網系統中的儲能電池具有突出的表現，相比較于普通鉛酸電池，其是微網系統儲能電池的理想選擇，且鉛炭電池的性能更為突出。由于膠體電池中膠體電解液、注膠工藝和隔板材料差異以及鉛炭電池中炭材料的添加量、添加方式等工藝不同導致不同工廠生產的相同型號產品在性能上有較大差異。蓄電池行業應該加大儲能用膠體電池及鉛炭電池的研發投入，尤其在電池添加劑等方面的研發，開發綜合膠體電池與鉛炭電池性能的超級電池等[10],同時需要加緊制定更為詳細嚴格的微網系統用儲能電池質量標準，以進一步提高我國儲能用膠體電池和鉛炭電池的技術水平。

[1]王興鋒，黃毅，戴厚愛，等.淺談光伏系統用儲能鉛酸蓄電池[J].太陽能，2014(12)：43-45.

[2]郭永榔.膠體閥控式鉛酸蓄電池電性能研究[J].蓄電池，2004(4)：147-151.

[3]陳巍，毛羽文，毛有文，等.膠體電池在光伏系統中的適用性分析[J].能源工程，2012(3)：25-29.

[4]NEWNHAM R H,BALDSING W G A.Performance of flooded-and gelled-electrolyte lead/acid batteries under remote-area powersupply duty[J].Journal of Power Sources,1997,66:27-39.

[5]廖強強，邱琳，樓曉東，等.鉛炭電池的性能及其在電力儲能中的應用[J].發電技術，2014，35(11)：117-121.

[6]劉志鵬，顧大明，陳鋒強，等.鉛炭電池技術的研究[J].蓄電池，2014(6)：282-288.

[7]劉勝永，張興.新能源分布式發電系統儲能電池綜述[J].電源技術，2012，36(4)：601-605.

[8]陶占良，陳軍.智能電網儲能用二次電池體系[J].科學通報，2012(27)：2545-2560.

[9]陳飛，張慧，馬換玉，等.鉛炭電池的研究現狀[J].電池，2013(3)：170-173.

[10]徐冬明，張明，楊寶峰.膠體鉛炭電動自行車電池[J].電動自行車，2013，6：18-20.

Performance contrast of different lead-acid battery in micro-grid system

HE Hai-bin
(Central Academe,Shanghai Electric Group Co.,Ltd.,Shanghai 200070,China)

The domestic and foreign research status of lead-acid battery technology was briefly introduced.And the difference of conventional lead-acid battery, gel battery and lead-carbon battery were compared in theory. By combining researches with experiment,the temperature performance,the influence of the depth of discharge of cycle life, the self-discharge and the capacity of resilience were analyzed. The results illustrat that the performance characteristic of the gel battery and the lead-carbon battery are significantly better than conventional lead-acid battery,and more suitable for application in the micro-grid system.Compared the lead-carbon battery of different manufacturers,the results show that for the carbon content difference or any other process difference of the battery,the performance of the lead-carbon battery of different manufacturers are completely different.

lead-acid battery;gel battery;lead-carbon battery;cycle life;depth of discharge

TM 912.9

A

1002-087 X(2017)10-1455-04

2017-03-01

上海市科委專項資助(14DZ1203400)

何海斌(1987—)，男，湖南省人，工程師，主要研究方向為分布式能源系統、微電網系統規劃。