鎳鋅電池特性及儲能技術的分析與研究

吳 田，沈建明，趙 宇，沈紅昌，錢清宇，馬福元

(1.浙江浙能技術研究院有限公司，浙江 杭州 311121； 2.浙江省太陽能利用及節能技術重點實驗室，浙江 杭州 311121；3.浙江浙能電力股份有限公司蕭山發電廠，浙江 杭州 311251)

與鉛酸電池相比，鎳鋅電池的容量和比能量相對較高，但無記憶效應較好，能夠滿足大電流功率的需求，充電、放電較快，環保性能較好。因此，在儲能系統中具有較好的應用前景，能夠逐步代替鉛酸電池，并能夠適用于各種場所。電力中斷會使數據中心的運營陷入癱瘓，這會導致數據丟失、文件損壞和設備損壞。因此，數據中心需要一個后備電源系統，以確保關鍵系統保持在線運營。

在國外技術研究中，文獻[1]在熱管熱管理系統(HPTMS)中應用了該鋰電池，并構建數值模型，通過研究HPTMS在穩態和瞬態條件下的熱性，能夠了解鋰電池的電池特性，該技術雖然在短時間內實現了快速充電的電池熱管理，但是由于低的比熱容的局限性，無法實現充電期間的熱量管理。文獻[2-4]為國內的代表性技術，鎳鋅電池作為后備電源，雖然能夠及時補充該電源的應用，然而傳統后備電源中的儲能電池以工藝成熟的鉛酸電池為主，其可浮充的特點大大降低了充電管理成本。由于鉛酸電池具有高倍率性能差、能量密度低以及環境污染等問題，隨著國家政策的推進，鉛酸電池逐漸退出歷史舞臺。鎳鋅電池不僅彌補了鉛酸電池的缺陷，同時也具有可浮充特性，在后備電源領域中是鉛酸電池良好的替代品[2-3]。2020年以來，國家不斷出臺政策鼓勵推動電儲能建設，以促進清潔能源高質量發展，鎳鋅電池如何在儲能系統中應用已經成為當前亟待研究的技術問題。下文對電化學儲能技術進行討論。

1 鎳鋅電池類型及其優缺分析

電化學儲能的基本原理是借助于電化學反應實現電能與化學能之間的能量轉換，繼而實現電能的應用[4]。鎳鋅電池和鉛酸電池、液流電池、鈉硫電池、鋰電池、水系金屬離子電池、超級電容及混合電容等都是能源的一種形式，如何區分該能源與其他能源之間的差距，需要進行對比分析。在應用鎳鋅電池時，需要對不同電池的特性進行分析，才能因地制宜地合理利用。研究針對代表性電池類型的特性進行分析和研究，以滿足不同情況下的應用。

1.1 鉛酸電池

鉛酸電池在早期頗受儲能市場歡迎，其工藝成熟、價格低廉、安全可靠，在儲能系統中的應用以免維護的閥控鉛酸蓄電池為主。鉛酸電池結構示意如圖1所示。鉛酸電池具有循環使用功能，尤其是在高倍率部分荷電狀態(HRPSOC)下，該功能效果發揮得最好，這使得應用過程中能夠源源不斷地為用戶提供可持續能源。其具有的缺點是：該電池的負極在持續應用過程中容易造成不可逆硫酸鹽化[5]，這使得鉛酸電池的應用壽命較短，在重要場合需要使用多個電池備用，以備不時之需。在應用過程中，鉛酸電池還容易發生氧化還原反應，其反應的產物很容易污染環境，回收成本較高。

圖1 鉛酸電池結構示意

1.2 液流電池

液流電池是另一種形式的鎳鋅電池，其內部結構主要是全釩液流電池。該電池的優點是具有較高的能力效率，儲能也高。該電池放電性能較好，在某些時候能夠實現100%的深度放電，該電池也能夠實現快速充電、放電。與鉛酸電池不同，該電池壽命比較長，因此，用戶在使用過程中，能夠與鉛酸電池相得益彰。全釩液流電池在結構上包括電堆和2個電解液儲罐[6]，其結構如圖2所示。

圖2 全釩液流電池結構

與其他儲能電池相比，全釩液流電池還具有的優點為，該電池可以分別獨立設計、具有的能量效率比較高。該電池無自放電，在應用過程中具有較好的安全性，維護起來也方便。但是該電池體積較大，攜帶不方便，在較大的儲能環境下不容易使用。

1.3 鈉硫電池

鈉硫電池作為另一種形式的電池，在結構上，其正、負極分別應用熔融鹽鈉和熔融硫充當，以構成充電、放電的閉合回路，其中充電和放電的固體電解質應用β-氧化鋁。鈉硫電池結構如圖3所示。

圖3 鈉硫電池結構

鈉硫電池在應用過程中，為了保持熔鹽處于熔融狀態，加快反應速度，熔鹽電池的工作溫度相對較高(>300 ℃)。鈉硫電池的優點是能量密度高、成本低、循環壽命長。其缺點是為了保持電池的運行溫度，需要消耗電池的部分能量[7]。當鈉硫電池在運行過程中，由于正負極的材料熔融鹽鈉和熔融硫為熔融態，當β-Al2O3固體電解質出現故障或者意外時，容易出現事故，充放電工作可能會終止。這將大大衰減電池的充、放電特性，在具體應用過程中，需要考慮該方面的特性。

1.4 鋰離子電池

鋰離子電池在應用過程中，其儲能材料大部分是磷酸鐵鋰電池(LiFePO4)，在硬件結構上，主要包括正極材料、負極材料、隔膜、電解液等，其結構如圖4所示。

圖4 磷酸鐵鋰電池內部結構

磷酸鐵鋰電池的優點是具有較高的電壓平臺，自我充電和放電的效率不高，但循環壽命比較長，并且具有較好的耐高溫特性等。磷酸鐵鋰電池的梯次利用在儲能領域具有較大的前景。電池梯次利用指的是將容量不足80%的電池重新改造以再次應用于儲能領域[8]。磷酸鐵鋰電池在國內電動汽車行業占據較大的份額，通過梯次利用完成整個電池的生命周期，能夠合理并有效地避免資源浪費。

1.5 超級電容及混合電容

超級電容器(Supercapacitors)具有高倍率、長循環壽命、高安全性等特點，其能量密度與功率密度填補了電池和平板電容器之間的空白[9]。超級電容器是新能源環境下的新型儲存裝置，在結構上有包括正極、負極、電解液、隔膜等。超級電容器結構如圖5所示。

圖5 超級電容器結構示意

該電池的優點是：壽命較長，使用、維護方便，低溫性能較好，容易得到普遍應用。該電池的缺點是：發展較慢，成本相對其他電池較高[10]。該技術目前仍舊不是十分成熟，在應用過程中仍舊會出現很多瓶頸。

2 鎳鋅電池儲能技術特性分析

基于上述分析，下面對鎳鋅電池儲能技術進行分析，以更好地利用該電池[11-12]。

2.1 容量特性

研究通過對比的方式，分析2種鎳鋅電池的容量，分別以某1 200 mAh鎳鋅電池容量和某1 500 mAh鎳鋅電池容量進行分析。2種不同的鎳鋅電池容量曲線如圖6所示。

圖6 2種鎳鋅電池的容量特性

假設在放電倍率為0.1 C～10 C范圍內試驗(倍率性能一般用C來衡量，若電池的容量為1 000 mAh，1 C 就是用1 000 mA 的電流給它放電、1 h放完)，首先以容量標稱值為1 200 mAh的電池進行放電，試驗表明電池在10 C高倍率條件下剩余容量為1 020 mAh左右。然后試驗容量增大到1 500 mAh的情況下，將放電倍率提高到50 C時，觀察電池容量放電情況，可以看到電池仍具有1 142 mAh(76%)的容量，容量波動也基本保持在15%內。傳統鉛酸電池的放電倍率一般在1C以下，而試驗測試的鎳鋅電池倍率性能更加優異，放電倍率可以做到50 C，因此鎳鋅電池更加適用于電網的調峰調頻場景[13]。

2.2 內阻特性

在進行內阻特性分析時，應當從電池的總內阻上進行分析，在結構上分別為歐姆內阻、活化極化內阻和濃差極化內阻[14]。阻值與溫度之間的關系曲線如圖7所示。

圖7 不同溫度下電池歐姆內阻

根據圖7可知，電池阻值大小與溫度高低呈反比關系。在20 ℃與50 ℃的環境溫度下，該電池歐姆內阻在放電過程中變化幅度不大；而在-20 ℃與0 ℃的環境溫度下，該電池歐姆電阻在SOC較低處有顯著的增幅[15]。

2.3 溫度特性

2節鎳鋅電池在不同溫度下以1 C電流進行充放電，充放電曲線如圖8所示。結合充放電曲線，探討電池充放電情況與溫度之間的影響。

圖8 不同溫度下充放電曲線

通過圖8可以看出，溫度與電池的放電性能的影響呈反比關系。溫度越高，對電池的放電性能影響越大，對電池的電化學反應速度也影響越大，對于電池的功率和能量的輸出影響也越大。

在不同溫度下，電池容量變化如圖9所示。不同類型的電池的充電快慢與溫度呈正比，溫度越高，充電越快，容量也越大。其中在-20 ℃下，充電容量不高，隨著溫度的升高，容量越來越大，但是在25 ℃以下時，充電的容量僅僅為整個充電容量的1/4。說明在低于25 ℃時，電化學反應不好；在高于25 ℃時，電化學反應越來越好。因此在實際應用中，應通過熱管理控制電池在最佳充放電溫度區間內，最大限度地利用電池性能[16]。

圖9 不同溫度下容量特性

2.4 開路電壓

在研究電池的特性時，電池的開路電壓也是非常重要的特性，該特性通過穩定值來衡量。該值反映電池斷電后的電壓能夠達到的穩定情況，充放電過程OCV-SOC曲線如圖10所示。

圖10 充放電過程OCV-SOC曲線

通過圖10可以看出，當充放電過程SOC為20%～80%時，充放電電壓與壽命之間的影響關系不大；當充放電過程SOC為0～20%以及80%～100%時，OCV與SOC具有顯著的關系[17]。在開路電壓不同的情況下，放電特性均不同。這種關系能夠幫助用戶衡量開路電壓與電池壽命之間的關系。

2.5 充電效率及能量效率

下面再對充電效率及能量效率之間的關系進行分析。以0～0.7 C的容量為范圍，分別觀察充電效率。假設采用1號電池，在4 h進行充電、放電試驗，觀察在不同的容量范圍內的效率，如圖11所示。

在充電試驗時，假設以完全放電的1號電池為例，發現在0～0.2 C容量下，充電效率猛然增多，隨后逐步降低；在0.3 C～0.7 C時，充電容量逐步上升，整體充電效率為上升趨勢。能量效率曲線如圖11(b)所示。

圖11 放電倍率下的充電效率及能量效率

能量效率也是隨著放電倍率的增加而增加，在0～0.2 C容量下，放電猛然增加，這與電池起初的放電不穩定有關。隨著時間的延長以及放電倍率的增加，能量效率逐步提高，電池充電效率在0～1 C區間均在95%以上[18]。說明鎳鋅電池儲能效率比較高。

3 鎳鋅電池SOC估算

容量修正算法是電池放電過程中，通過溫度、放電倍率、放電循環次數來修正容量的算法，其在電池恒流放電工況中有良好的實際應用。

通過電池的放電曲線來反映鋰電池的容量特征曲線。在 25 ℃下，通過圖12(a)可以看出，該電池的恒流放電情況與該鋰電池的容量放電時間呈反比[19]。通過圖12(b)可以看出，鋰電池的容量與溫度高低呈反比，溫度越低，阻抗變化小，其容量也越小。

圖12 某鋰電池容量特征曲線

通過上述特性分析，在應用過程中，遇到這種情況時，需要通過建模的方式，實現對鎳鋅電池SOC的估算。下面引用了修正公式：

(1)

(2)

式(1)是電池經過n次充放電循環后，在環境溫度T下以D放電倍率的電流I進行恒流放電的容量修正值ΔCT，D，n的計算公式。其中，kT是溫度補償系數，Toff是溫度閾值；kD為放電倍率系數；d為容量變化系數，假設在理想狀態下，比如電池充放點循環次數對壽命影響為0時，則可以令d為0。式(2)為在進行容量修正之后，對安時進行求解的積分法算法，通過式(1)和式(2)能夠提高容量補償，進而實現了計算修正。對圖11中的電池放電數據進行容量修正模型建模，其模型修正效果如圖13所示。結果表明，容量修正算法模型簡單，便于工程應用，可以描述描述鎳鋅電池在不同溫度和電流下放電的容量變化[20]。

圖13 容量修正模型容量修正效果

將該研究的模型修正效果與未應用該模型以及常規的基于卡爾曼濾波修正算法進行對比，試驗以1 200 mAh的電池為例，假設在4 h內進行充電和放電，并分別利用上述3種不同的方法，分別觀察修正前的電池容量和充電后的電池容量以及應用3種方法前后電池容量情況(表1)。

表1 準確率對比

通過充放電試驗可以看到，研究的方法能夠提高在電池充電或者放電過程中的電池修正效率，以進一步優化電池性能。

4 結語

為了給鎳鋅電池在儲能系統中的應用提供保障，本文針對估算鎳鋅電池SOC的安時積分法，提出了一種容量修正模型，減小因為溫度、電流變化而產生的累計誤差。在電池梯次利用政策的鼓勵下，由于成本低、環保能力好、適用范圍廣，將越來越被廣泛使用，研究為鎳鋅電池下一步的分析和應用奠定了理論基礎。