电池存储

 铅酸蓄电池

铅酸电池用于储能的历史可以追溯到 1800 年代中期，用于铁路车辆的照明应用。电池技术在对成本敏感的应用中仍然很普遍，在这些应用中，低能量密度和有限的循环寿命不是问题，但需要坚固性和耐滥用性。此类应用包括汽车启动照明和点火 (SLI) 以及电池供电的不间断电源 (UPS)。

铅酸电池由海绵状铅为负极活性物质，二氧化铅为正极活性物质，浸入稀硫酸电解液中，以铅为集电体：

在放电期间，PbSO ₄在负电极和正电极上产生。如果电池过度放电或保持放电状态，硫酸盐晶体会变大并且在充电过程中更难分解。此外，大尺寸的硫酸铅晶体会导致活性材料与极板分离。

由于正极会产生氢气，铅酸电池在过充电时会失水。为了解决这个问题，可以像通常对富液式铅酸电池所做的那样，将蒸馏水添加到电池中。此外，免维护版本可用于解决此问题，其中插入一个阀门将气体保持在电池内，并最大限度地减少重组造成的水损失。

铅酸电池中的集电器由铅制成，导致能量密度低。此外，铅在硫酸电解液中容易腐蚀。SLI 应用使用平板栅格设计作为集流器，而更先进的电池使用管状设计。最近的进展旨在用更轻的材料（例如碳）代替铅，以减轻系统重量。

46.2.1.2 镍镉 (Ni-Cd) 和镍金属氢化物 (Ni-MH) 电池

镍镉 (Ni-Cd) 电池是 1970 年至 1990 年间广泛高性能应用的化学选择。最近，它们被锂离子 (Li-ion) 和镍金属氢化物 (Ni- MH) 化学品在大多数应用中。镍镉电池正极使用羟基氧化镍，负极使用金属镉。化学反应如下：

从这个化学反应可以看出，反应平衡意味着电解质始终具有相同的浓度。这导致放电期间相对稳定的性能。此外，反应的平衡导致非常好的过充电特性，其中额外的功率以热量而不是水分损失的形式消耗掉。

Ni-Cd 电池比铅酸电池具有更高的能量密度和更长的循环寿命，但不如锂离子和 Ni-MH 等化学电池，后者也变得比 Ni-Cd 电池便宜。与镍氢电池相比，使用镍镉电池的其他缺点包括循环寿命更短、“记忆效应”更明显、镉的毒性需要复杂的回收程序以及能量密度较低。此外，平坦的放电曲线和负温度系数可能导致电压控制充电中的热失控。

由于上述原因，最近，Ni-MH 电池比 Ni-Cd 电池更受欢迎。镍氢电池的正极使用羟基氧化镍，负极使用金属镉。化学反应如下：

这里，M代表金属基团。在负极，氢从它暂时附着的金属中释放出来，并发生反应，产生水和电子。请注意，负极的反应类似于燃料电池的反应，这将在本章后面讨论。

Ni-MH 电池在 1990 年代和 2000 年代分别成为电动和混合动力电动汽车（EV 和 HEV）应用的首选化学物质，因为它们具有相对较高的功率密度、经过验证的安全性、良好的耐滥用性以及非常长的使用寿命部分充电状态。缺点之一是自放电率相对较高，但新型隔膜的引入缓解了这一问题。

过度充电时，镍氢电池会使用多余的能量来分解和重​​组水。因此，电池是免维护的。但是，如果电池以过高的充电速率充电，氢气的积累会导致电池破裂。如果电池过度放电，电池可能会反极化，从而降低电池容量。

46.2.1.3 锂离子 (Li-Ion) 电池

由于其高比能和低成本生产的潜力，锂离子电池有望在未来的电力推进应用中广泛取代镍氢电池。锂离子电池由正极上的氧化钴材料、负极上的碳和作为电解质的有机溶剂中的锂盐组成。尽管这种化学物质的广泛使用相当新颖，但值得注意的是，与其他化学物质相比，电池中的过程建模起来相当简单。

锂离子电池在提高电池性能标准方面发挥了重要作用，最近甚至在预测电池劣化方面发挥了重要作用。有希望的方面锂基电池化学包括低记忆效应、近 100 Wh/kg 的高比能量、300 W/kg 的高比功率以及至少 1000 次循环的电池寿命。主要障碍包括日历寿命、成本、极端温度下的操作和滥用容忍度。进一步提高比能量需要在先进电极的开发上取得突破[ 1 ]。表 46.1列出了一些被考虑用于推进、存储和可再生能源系统的主要电池化学物质的特性。