鈉離子電池在變電站的應用前景展望

李明遠

摘要：鈉和鋰具有類似的物化性質，且鈉資源儲量豐富、分布廣泛、成本較低，因此在變電站儲能領域具有良好的應用前景?，F首先分析鈉離子電池工作原理，然后介紹鈉離子電池在變電站的應用場景及優勢，最后重點探討鈉離子電池應用于變電站所面臨的挑戰，并對未來技術發展方向進行了展望。

關鍵詞：電力系統;變電站;鈉離子電池

0 引言

目前，鋰離子電池發展狀況良好，但是受鋰資源儲量的限制，難以同時支撐電子產品和電網儲能的發展。因此，成本低廉、資源豐富、性能良好的鈉元素受到了一定的關注，鈉離子電池能夠滿足電網儲能領域成本低、安全性高、使用壽命長的要求，有望在變電站工程領域逐步替代鉛酸電池，扮演重要角色。

1 鈉離子電池簡介

1.1 ? ?鈉離子電池原理介紹

正極、負極、電解液、隔膜和集流體等部件構成了鈉離子電池[1]，正負極之間由隔膜隔開以防止短路，電解液浸潤正負極以確保離子導通，集流體起到收集和傳輸電子的作用。充電時，Na+從正極出發，在電解液里穿過隔膜進入負極，使正極處于高電勢，負極處于低電勢;放電時，Na+從負極出發，經電解液穿過隔膜進入正極，恢復原本態勢。若以NaxMO2為正極材料，硬碳為負極材料，則反應式可表示為：

正極反應：NaxMO2？圳Nax-yMO2+yNa++ye-

負極反應：nC+yNa++ye-？圳NayCn

電池反應：NaxMO2+nC？圳Nax-yMO2+NayCn

1.2 ? ?鈉離子電池優勢

1.2.1 ? ?資源儲量

鈉資源的地殼豐度是鋰資源的423倍，因此鈉資源的價格遠遠低于鋰資源，僅為后者的1.33%。并且鈉資源在全球范圍內均有分布，而鋰資源的分布非常不均勻，75%分布在美洲。目前我國80%以上的鋰資源需要進口，因此在地緣政治博弈中，儲能電池使用鈉資源比使用鋰資源更能保證國家的能源安全。

1.2.2 ? ?材料成本

碳酸鋰（99.5%電池級/國產）2021年均價為8.7萬元/t，而無水碳酸鈉2021年均價為0.3萬元/t，并且鈉離子電池其他材料也可選用低成本材料制作。因此，鈉離子電池是電網儲能更好的選擇[2]。

1.2.3 ? ?使用性能

1.2.3.1 ? ?鈉離子電池與鋰離子電池的比較

雖然鈉離子電池能量密度比鋰離子電池低，按照鈉離子電池80～100 W·h/kg、磷酸鐵鋰電池120～150 W·h/kg計算，前者能量密度僅為后者的2/3。但是鈉離子的溶劑化能力更低，界面去溶劑化能力更強;鈉離子的斯托克斯直徑比鋰離子電池的小，電解液濃度可以更低;鈉離子電池具有優異的充放電倍率性能和高、低溫性能，根據中科海鈉公布的數據，鈉離子電池循環壽命達4 000次以上，高、低溫性能優異，安全性高，具備快充能力。這些優點足以彌補鈉離子能量密度的不足[1]。

1.2.3.2 ? ?鈉離子電池與鉛酸電池的比較

鉛酸電池循環壽命平均達450次，鈉離子電池循環壽命更長;鉛酸電池產業鏈存在較高的鉛污染風險，而鈉離子電池產業鏈污染風險較低;鉛酸電池能量密度僅為40 W·h/kg，鈉離子電池能量密度更高。

1.2.4 ? ?安全性能

鈉離子電池安全性能好，體現在測試環節，鈉離子電池能在針刺、擠壓、過充、過放等安全項目測試中做到不起火、不爆炸。鋰離子電池中鋰枝晶的形成和發展，往往會導致鋰離子電池短路自燃，而鈉離子電池中，由于鈉本身具有更高的活性，鈉枝晶的化學穩定性不如鋰枝晶，在準零電化學場下，在某些電解液中，鈉枝晶會自消溶。因此，在對安全穩定運行要求異常嚴格的電力系統中，鈉離子電池更具有優勢。

2 鈉離子電池在變電站中的應用場景

2.1 ? ?替代鉛酸蓄電池

變電站直流系統如圖1所示[3]。直流系統蓄電池組正常處于浮充電狀態，由若干鉛酸蓄電池串聯起來。鉛酸蓄電池在日常維護工作中主要有以下缺點：（1）質量、體積較大，需要考慮放置問題及承重問題，難以滿足簡化蓄電池組結構的要求。（2）密封蓄電池的使用壽命一般為4～5年，更換成本高。（3）蓄電池容量檢測時，因為電池組數量多，放電時間長，放電后又要及時進行充電，就會損耗蓄電池本體，且耗費人力、物力。鈉離子電池具有使用壽命長、成本較低、維護工作量少、質量較輕、體積較小的優點，能夠替代鉛酸蓄電池，增強直流系統性能。

2.2 ? ?替代應急發電機，降低變電站線損率

變電站站用電系統如圖2所示[3]。

變電站站用電負荷采用輻射狀供電和環形供電相結合的供電方式，接有Ⅰ類負荷、Ⅱ類負荷、Ⅲ類負荷，主變壓器冷卻系統、變電站消防系統負荷屬于Ⅰ類負荷。

發電機廣泛用作變電站應急電源。當變電站發生故障，站用電全停的時候，往往需要變電站值班員人工將發電機接入交流系統，并且需要手動啟動發電機。假如在這段時間空隙中，變電站主變壓器冷卻系統、變電站消防系統不能工作，可能會擴大事故范圍，影響電網運行穩定性。

當前變電站線損率仍然處于較高水平，隨著降低變電站線損率工作的常規化開展，降低變電站線損率的潛力逐步減小。因此，提出一個構想，即利用光伏發電+鈉離子電池儲能的方式，在站用電系統中并聯由鈉離子電池、光伏電池板組成的光儲一體化系統，經逆變器并入交流系統。

正常狀態下鈉離子電池組處于浮充電狀態，并聯于光伏專用直流系統，光伏電能通過光伏專用直流系統，經逆變器并聯于站用電系統，為站用電系統提供清潔能源，降低變電站線損率，起到節能、環保的作用。當站用電系統因外部故障而全停的時候，鈉離子電池組能夠瞬時響應，為站用電重要負荷提供電源。因此，光儲一體化系統可以替代當前的柴油發電機，增強站用電系統的供電可靠性。