储能电池有哪些特点？碳纳米管和石墨烯在储能电池中有哪些应用？
来源：宝鄂实业
2019-04-13 17:21
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一、用于锂离子电池复合电极材料
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基于碳纳米管的复合电极材料
由于碳纳米管自身导电性能优异且易于构筑完善的电子传导网络，因而可将其作为导电结构与锂离子电池电极材料结合，以获得具有良好电化学性能的复合电极材料。碳纳米管与电极材料的复合方法灵活多变，通过凝胶-溶胶法、水热法、化学沉积法、气相沉积法以及物理研磨等方法均可获得碳纳米管在其中均匀分布的复合电极材料。
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以石墨烯为基底的复合电极材料
随着条件温和、低成本和大批量的石墨烯制备技术的不断发展，以石墨烯为基底的复合锂离子电池材料得到了广泛的研究，其应用涵盖了负极材料如Si、Ge、Sn、Mn3O4、SnO2、Co3O4、Fe3O4、CuO、TiO2、MoO2，正极材料如Li3V2(PO4)3、V2O5、LiFePO4、LiMn2O4及LiNi1/3Mn1/3Co1/3O2等。石墨烯基复合材料的制备通常有两种方法:一种是通过物理混合将已制备的活性电极材料直接沉积于石墨烯或氧化石墨烯基底。另一种是将活性电极材料原位反应生长于石墨烯或氧化石墨烯基底
二、用作锂离子电池负极活性材料
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碳纳米管负极活性材料
假设锂离子可扩散并稳定的存储于单壁碳纳米管的内外表面，甚至多个紧密堆积的碳纳米管的间隙位，则能够获得的理论储锂容量可高达1116mAh/g。为了能将如此巨大的理论容量转化为实际可应用的稳定的可逆容量，研究者们采用了如优化碳纳米管制备方法与电极结构以及通过机械与化学后处理的方法来增加碳纳米管的导电能力与可逆嵌锂缺陷位数量的设计思路，不断对碳纳米管负极活性材料的性能加以改进。此外，通过杂原子掺杂的方法，不但可在碳纳米管上引入大量缺陷位，同时由于氮原子拥有1对孤对电子可为电子导带提供额外的电子与电子载体，因而也可提升含氮碳纳米管的导电能力，从而提升电极的倍率性能与循环寿命。
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石墨烯类负极活性材料
石墨烯类材料根据其官能团化程度的不同，可划分为石墨烯、还原氧化石墨烯以及氧化石墨烯材料。这些材料虽然在物理与化学性质上都多有差异，但在用作锂离子电池负极活性材料时均表现出远高于传统石墨的容量性能。
三、用作新型锂硫电池复合导电载体
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碳纳米管/硫复合结构
通过简单的共热处理或者原位液相反应即可将硫均匀地负载在碳纳米管上，获得具有良好导电性能的碳纳米管/硫复合结构。根据负载形式与载体的不同，可分为硫包覆碳纳米管的复合结构、硫封装入碳纳米管的复合结构以及碳纳米管与其他导电材料组成的复合载体。
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石墨烯类材料/硫复合结构
不同的石墨烯类材料在锂硫电池中用作导电支撑结构时能够发挥出不同的作用，但其一般都具有以下优点：首先，石墨烯类材料本身具有极高的导电能力，将硫单质与其复合，可以显著降低硫电极的电阻抗、提升活性材料的利用效率并有效提高倍率性能；其次，石墨烯类材料比表面积较高，可以通过将硫包覆在两个临近的石墨烯片层内，均匀负载较大质量的硫单质并有效抑制多硫化物的流失。另外，石墨烯独特的弹性物理结构还可为硫电极在脱嵌锂过程中巨大的体积变化提供缓冲空间，从而有效提高锂硫电池的循环稳定性。
(a)扫描电镜图；(b) 透射电镜图
储能电池在人们的日常通信及绿色出行等领域发挥着日益重要的作用，这就对先进的锂离子电池与锂硫电池电极制备技术提出了更高的要求。大量研究成果表明以碳纳米管与石墨烯为代表的纳米碳材料因其优异的导电能力、良好的机械性能以及独特的形貌与结构特征，可在不同的应用模式下显著提高储能电池的容量性能、倍率性能以及循环寿命。一、电池储能地位
从外部来看，我国是一个能源进口大国，60%的一次能源依赖进口，这给能源安全战略带来很大风险;从内部来看，我国电源结构体系中，煤电消耗占比60%以上(2016年以前)，改善能源结构，积极发展新能源和清洁绿色能源无疑成当务之急。
风能和太阳能是新能源发电的绝对主力，但均具有波动大、难预测等特点，而电池储能具有调度响应快、配置灵活、控制精准、环境友好等特点，成为新能源发电的最佳搭档，这已是行业共识并得到了国家相关部门认可。
虽然燃气发电和抽水蓄能电站也能完成一部分新能源调峰工作，但平滑输出和调频效果远不及电池储能。集中在同一个地方的风电与光伏发电虽然可自然平衡一部分输出波动(如风光互补效应)，不过既无风又无光的时刻也会时有发生，因此配套一定规模的电池储能电站是新能源电站实现跟踪计划发电的终极选择。
据国家权威部门预测，到2030年，我国风光发电装机容量将达到8.33亿千瓦。假设按2%的比例来配套储能，新能源发电配套用储能装机将至少达到1600万千瓦。
与新能源发电配套的储能电站有多种存在形式，光储一体、风储一体、风光储一体等，从使用效果、利用效率、调度方便和商业模式等几方面综合考量，笔者认为百兆瓦以上规模的独立储能电站将占主流位置。
二、电池储能价值
电池储能既有经济价值，更有社会价值(经济价值以外的各种价值)，从某些角度来看，其社会价值远超过其经济价值，比如其军事价值、电力安全价值、能源战略价值等。仅从经济价值来说，主要看其规模大小和使用场合，如充电宝只能解决一两个手机用户一天的移动使用问题;家庭储能或备电应急储能电源，只能解决一家一户的部分用电或临时停电问题;用户侧储能通常只考虑利用峰谷电价差削峰填谷以及需求侧响应等问题。
上述列举的几种储能应用的经济回报期都比较长或者没有，甚至还存在一定的投资风险(比如用户侧储能就有可能因为峰谷差价变小而延长预估回报期)。
相比之下，大规模储能(100MWh以上)因响应速度快和控制精准以及具有双向调节等特性，如能被电网调度使用在调频调峰等电网安全策略领域，社会价值巨大，同时回报也丰厚(主要是调频服务费、容量服务费等)，然而前提是要有开放的电力市场(包括电力辅助服务市场)。
三、未来电池储能的主战场
尽管新能源微电网、分布式光伏发电以及用户侧调峰(削峰填谷)都会用到储能技术，笔者认为电池储能大规模应用领域将是电网侧输配电等方面。百兆瓦以上规模的、独立的、可被电网直接调度的电池储能电站，不仅可以保证电网的供电安全，还可以提高局部地区电能质量，电池储能甚至还将颠覆传统的电网设计理念和设计规则，提高设备利用率，减少资源浪费，延缓增容建设周期。
随着未来电力市场的逐步放开，电力现货交易和电力辅助服务市场必将催生大批储能电站的诞生。
四、储能电池选择
作为配合光伏发电接入，实现削峰填谷、负荷补偿，提高电能质量应用的储能电站，储能电池是非常重要的一个部件，必须满足以下要求：
容易实现多方式组合，满足较高的工作电压和较大工作电流;电池容量和性能的可检测和可诊断，使控制系统可在预知电池容量和性能的情况下实现对电站负荷的调度控制;高安全性、可靠性：在正常使用情况下，电池正常使用寿命不低于1--5年;在极限情况下，即使发生故障也在受控范围，不应该发生爆炸、燃烧等危及电站安全运行的故障;具有良好的快速响应和大倍率充放电能力，一般要求5-10倍的充放电能力;较高的充放电转换效率;易于安装和维护;具有较好的环境适应性，较宽的工作温度范围。
从初始投资成本来看，锂离子电池有较强的竞争力，钠硫电池和全钒液流电池未形成产业化，供应渠道受限，较昂贵。从运营和维护成本来看，钠硫需要持续供热，全钒液流电池需要泵进行流体控制，增加了运营成本，而锂电池几乎不需要维护。根据国内外储能电站应用现状和电池特点，建议储能电站电池选型主要为磷酸铁锂电池。不建议使用铅酸电池的原因是电池寿命问题，大品牌铅酸蓄电池在频繁充放电的情况下大约只有2.5-3年的寿命，锂电池的寿命会长很多。
