目前,电力负荷峰谷差不断增大、社会对电网安全可靠性和电能质量要求越来越高、可再生能源利用程度的快速发展以及进行智能电网的建设等,都对大规模储能技术提出了新的要求,储能技术已成为实现这些应用目标的主要支撑技术。钠硫电池是一种倍受关注的电化学储能技术,其系统能量转化效率高达80%以上,安全性高、成本较低。
2006年,中国科学院上海硅酸盐研究所(下称上海硅酸盐研究所)开始与上海市电力公司合作,以储能为目标开发大容量钠硫电池,在关键材料、电池技术、储能系统等方面开展了一系列研究工作。
我国钠硫电池技术的发展简况
我国对电动汽车应用的钠硫电池研究与国际几乎同步,1968年上海硅酸盐研究所已经开始了相关的研究,并在1977年4月成功组装并示范运行了国内第一辆6kW功率的钠硫电池电动车。20世纪末,我国的车用钠硫电池研究也与国际同样陷入困境,研究工作几乎停止,国内也仅有上海硅酸盐研究所仍保留了研究队伍,并开展相关的工作,打下了较好的技术基础。
2006年8月,上海市电力公司与上海硅酸盐研究所合作,联合投资开发储能钠硫电池。2007年1月制备成功650A.h的单体钠硫电池,并在2009年3月建成了我国第一条产能达2MW的储能钠硫电池中试生产线,可以小批量化制备容量为650A.h的单体电池。中试生产线涉及各种工艺和检测设备100余台套,其中有近2/3为自主研发,拥有多项自主知识产权。
国外钠硫电池技术发展简况
对钠硫电池早期的研究主要以电动汽车的应用为目标,但随着一些新型二次电池的出现,因钠硫电池在车用电源方面的应用优势不明显而逐步被放弃。由于钠硫电池高的比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、温度稳定性以及无自放电等方面的突出优势,钠硫电池在电力储能方面的应用开始为人们所重视。
日本在1992年进行了第一个示范储能电站,2002年实现了商业化,至今已有200座以上功率大于500kW、总容量逾300MW的储能电站在运行中,分别用于电网峰谷差平衡、电能质量改善、应急电源、风力发电等可再生能源的稳定输出等,最大功率的电站达到34MW,用于风力发电站的稳定输出,运行中的储能电站一半以上用于电力的平衡。储能电站覆盖了商业、工业、电力、水处理等各个行业。钠硫电池储能系统的效率可达到80%以上,寿命可达15a
安全寿命成本 钠硫电池五大关键问题
问题一:安全问题
“安全问题更准确地说应该是运行可靠性的问题。”
质疑:钠硫电池的运行温度在300~350℃之间,如果陶瓷电介质一旦破损形成短路,高温的液态钠和硫就会直接接触,发生剧烈的放热反应,产生2000℃的高温,相当危险。
温兆银:NGK公司从1992年示范运行至今,在日本已经运行了100多座钠硫电池储能电站,18年期间只发生过一次起火事故,并在消防队到达之前自行熄灭,被评定为轻微事故。
从钠硫电池实现商用之后,日本媒体进行了大量的宣传报道,希望改变公众的观念,接受钠硫电池。
事实上,任何储能系统都是能量聚集系统,都存在安全隐患。由于采用陶瓷做固体隔膜,没有气体存在,因此不会爆炸。跟某些其他电池比起来,钠硫电池事故率很低。
钠和硫一旦直接接触,存在安全隐患,因此我们在结构设计上采取了很多安全措施,层层设防,保证即使陶瓷损害也不会简单接触、即使电池损坏也不会简单外溢。
硅酸盐所的钠硫电池目前没有发生过安全事故,正在进行长期运行的可靠性验证。
问题二:寿命问题
“一旦使用实用化材料和部件,产品寿命能达到10年。”
质疑:寿命短影响其性价比,难以商用。
温兆银:钠硫电池和其他电池不同,没有任何副反应,活性物质可以被可逆的利用而不被损耗。由于金属零部件在硫以及硫化物介质中高温下长时间工作会有腐蚀,影响其寿命,所以钠硫电池的金属部件都采用了特殊的防腐蚀措施进行保护。
硅酸盐所目前实验的钠硫电池的寿命期望值是8年,初期的退化衰减水平基本和日本相近。一旦到产业化阶段,材料与电池的一致性得到解决,电池寿命可达到10年以上,目前日本产品的水平是15年左右。
问题三:温度问题
“模块具有很好的保温功能,能维持一段时间的低功率运行。”
质疑:钠硫电池在300℃才能启动,存在保温耗能的问题,启动时间长在一定程度上限制了其应用。
曹佳弟:钠硫电池在充电时吸收能量,需要额外的电能加热,在放电的同时放热,足以维持运行所需的温度。
同时,硅酸盐所研发的电池模块具有很好的保温功能,在没有供电加热的情况下也能长时间保温。目前NGK公司的产品从运行温度冷却到室温大约需要半个月时间,在断电后的一个星期还能维持低功率运行。
问题四:废电池处置问题
“日本已经形成一套相当成熟的回收技术。”
质疑:损坏的电池难以处置,这也是钠硫电池的软肋之一。
刘宇:钠硫电池跟其他电池不一样,是可拆分电池,因此原理上说回收再利用率会较高——陶瓷部件和钠、硫不相容,使用后可以完全分离,单独再回收;钠和硫部分的化合物可以可逆地分解形成钠和硫;其他的金属部件也可以回收再利用。
日本目前已形成一套相当成熟的回收技术和工序。而硅酸盐所目前也已初步形成一套清洁的回收技术工艺,在一些保护介质里进行拆分,钠、硫及金属都可以被回收甚至再利用。
不过,我国的钠硫电池如何真正高效回收再利用还需要再进行研究。
问题五:成本问题
“我们的价格不会比日本高。”
质疑:国产钠硫电池成本能否降低达到商用水平?
温兆银:目前在各种大容量储能电池中,除了性能低的铅酸电池,钠硫电池是最便宜的。根据日本的数据,锂离子电池的价格是钠硫电池的3倍。液流电池也比钠硫电池贵,因此钠硫电池的成本比较有优势。
而且由于钠、硫和陶瓷的原材料自然界储量丰富、成本较低,同时钠和硫都没有特殊用途,影响其价格波动的潜在因素比较少。
中国还没做到大规模应用,因此价格难以确定。未来成本下降的空间主要取决于产业化规模和制造技术。
目前NGK产品的价格在2000~2500元/千瓦时。我们的价格不会比国外高。
我国实现钠硫电池规模化应用的主要问题是成本和电池稳定性,通过产业化推进和深入的研发以及政府的政策鼓励和支持,有望使钠硫电池储能技术在我国尽快进入实用阶段。