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锂电池与铅酸电池的比较 2017-11-27
1.介绍

  固定式电力市场目前有多种储能选项可供选择; 电容器,压缩空气,抽水电,飞轮和可充电电池都在争夺储能新兴角色。每种技术都有各自的优点,基于各种应用特定的因素。本文将重点比较两种电池化学成分:铅酸电池和锂电池(锂离子)。 比较的一般结论是,虽然最具成本效益的解决方案取决于许多因素,但是与铅酸相比,锂电池具有较低的拥有成本的市场很大。下图显示了在决定给定系统选择何种电池类型时所包含的十一个变量。

  图1:电池设计注意事项

  在离网可再生能源系统的范围内,铅酸和镍基电池目前在这个行业占主导地位。 镍电池(NiCd,NiMH)由于成本和环境因素的综合作用而逐渐被淘汰。 铅酸已经存在了100多年,由于其成本低廉,已经建立起制造基地,铅酸在可预见的将来将成为市场的一支力量。 锂离子是便携式电子产品的一项成熟的技术,但在大规模应用中仍然发挥着作用; 它正成为某些固定应用的竞争者,其体积,重量,温度敏感性或低维护比初始成本更重要。 下图说明铅酸和锂离子如何适应可充电电池的世界。

  图2:可充电电池类型

电池基础知识

2.1铅酸的基础

  铅酸电池已经存在了一个多世纪。 在完全充电状态下,在阴极和阳极之间存在2V电势。 在放电期间,电子通过负载从外部通过,而在电解质和电极的界面处的内部化学反应起作用以平衡电荷平衡。 图3显示了完全充电和放电的铅酸电池的化学状态。

图3:铅酸电荷状态

  铅酸蓄电池可以分为两类:淹没式和密封式/阀门式(SLA或VRLA)。这两种类型的内部化学成分相同(如图3所示)。这两种类型之间最显着的差异是系统级设计考虑因素。

铅酸蓄电池需要VRLA不要做的三件事情:
(1)直立方向防止电解液泄漏
(2)通风的环境,以扩散在骑自行车过程中产生的气体
(3)电解液日常维护

  由于这些差异,必须平衡淹没铅酸的较低成本,而不是增加复杂性和二次成本。阀控式密封铅酸蓄电池分为两类:凝胶和吸收玻璃垫(AGM)。不同的名称反映了包含电解质的不同方法。在凝胶电池中,加入增稠剂将电解质从液体转变为凝胶。在AGM电池中,使用玻璃基体来容纳液体电解质。

  VRLA和淹没类都可以找到“深循环”和“浅循环”铅酸蓄电池。浅循环阀控式密封铅酸蓄电池通常用于汽车起动,轻载,点火(“SLI”)蓄电池,这些蓄电池必须在短时间内提供高功率脉冲。静止的电力市场使用深循环,因为电池经常在多个小时的过程中以低速率放电。

  2.2锂电池的基础知识

  锂电池的概念最初是在二十世纪七十年代构思的,并开始在二十世纪九十年代被广泛采用。 其基本机理是在充电和放电过程中,充电的锂离子在阴极和阳极之间往复运动。 图4显示了锂离子族的LiCoO2变化图。

  图4:锂离子反应[i]

  阴极,阳极和电解质中的化学差异影响电池性能,包装几何形状也如此。阴极化学成分是从电池制造商到电池制造商最常被改变的因素,诸如反映阴极化学类别的术语如LFP,NCM,NCA,钴和锰。 90%以上的锂离子阳极由石墨组成;硅和钛基材料偶尔用于获得更好的寿命和功率性能,以换取更高的成本。

  电解质以液体形式存在,但对于“锂聚合物”电池,电解质被吸收在聚合物膜中。这允许电池制造商在液晶电池存在于圆柱形和棱柱形电池中的情况下使用电池上的袋封装而不是使用的金属外壳。这些变化中的每一个影响锂离子电池的性能。

  尽管各种化学变化的,锂离子电池一般可以被分成两组:磷酸铁锂(LFP,磷酸铁)和金属氧化物(NCM,NCA,钴,锰)。表1列出了细胞水平上两种化学类别之间的差异。表中的数值反映了平均值,因为每个班级都有差异。

表1:锂离子子类别比较

  所有的锂离子电池都是“深循环”,意味着它们具有完全充电和放电的能力。 如果每次放电的深度限制在额定容量的80%,电池的寿命将显着增加。

3.比较锂离子与铅酸

  表2提供了包装级别上铅酸与锂离子(LiNCM)的简要比较。 应该指出的是,两种化学物质都有很宽的参数值范围,所以这个表格只是一个非常复杂的比较的简化表示。

表2:电池技术比较

  这个表格中有趣的一点是,不同的化学物质具有不同的典型荷电状态窗口。 这意味着铅酸系统必须具有比锂离子系统更大的铭牌能量容量以具有相同的可用能量。

  考虑到电池类型的技术和经济特性的显着差异,有理由认为,使用电池类型的“最佳”解决方案是特定于应用的。 以下是对表2中的一些主题的深入研究。

3.1循环寿命比较

  锂电池在深度放电应用中具有比铅酸更高的循环寿命。 随着环境温度的升高,差距进一步加大。 通过限制放电深度(DoD),放电速率和温度,可以增加每种化学物的循环寿命,但是铅酸通常对这些因素中的每一个都敏感得多。

  图5显示了在温和气候(平均温度77°F)下,与AGM型VRLA电池相比,锂离子电池组的循环寿命数据。 由于循环寿命受到放电深度的影响,该图显示了铅酸的多个国防部百分比。 可以看出,AGM包装必须限制在30%的放电深度,以获得与75%深度放电的锂离子相当的寿命。 这意味着AGM电池的容量必须比锂离子电池大2.5倍才能获得相同的寿命。

图5:循环寿命,温和的气候

  在平均气温为92°F的炎热气候下,锂离子和铅酸之间的差距进一步加剧。 铅酸(淹没和阀控式密封铅酸)的循环寿命下降到其中等气候等级的50%,而锂离子将保持稳定,直到温度通常超过120℉。 图6说明了这种差异。

图6:循环寿命,极端气候

3.2 价格表现

  在确定系统使用何种电池容量时,铅酸的一个重要考虑因素是系统需要放电多长时间。 放电时间越短,铅酸电池的容量越小。

  如果在4小时内放电,100Ah的VRLA电池只能提供80Ah。 相比之下,即使在30分钟的放电期间,100Ah锂离子系统也将达到超过92Ah。 如图7所示,这种情况使锂离子电池非常适用于在8小时内发生全部放电的应用。

图7:容量与放电率

3.3寒冷的天气表现

  在寒冷的天气环境中,铅酸和锂离子都会失去能力,但如图8所示,随着温度下降到-20°C范围内,锂离子的容量显着减少。 放电率影响铅酸性能,因此VRLA电池有两种不同的放电率。

图8:可用容量与温度的关系

3.4环境影响

  铅酸电池在环保方面与锂离子电池相比较差。铅酸电池需要比锂离子多出许多倍的原料才能达到相同的能量储存,在采矿过程中对环境造成更大的影响。铅处理行业也是非常耗能,导致大量的污染。虽然铅对人体健康危害很大,但制造方法和电池包装使人的风险可以忽略不计。另一方面,美国超过97%的铅酸电池被回收利用,这对环境方程造成了巨大的影响。[ii]

  锂不是没有自身的环境问题。[3]锂离子电池的主要组成部分需要开采碳酸锂,铜,铝和铁矿石。锂矿开采具体是资源密集型的,但锂仅占电池电池质量的很小一部分,因此铝和铜的环境影响更为显着。锂离子回收行业目前还处于起步阶段,但是电池材料具有很高的回收再利用能力,预计锂离子回收率将与铅酸相媲美。

3.5安全

  铅酸电池和锂离子电池都能够进入“热失控”状态,电池迅速升温,可能释放电解质,火焰和危险的烟雾。 一个事件的可能性和后果是锂离子更高,因为它在更小的体积中具有更高的能量。 采取了图9所示的多个电池和电池组安全措施来防止触发事件,如短路和过热,但仍然发生事故。

图9:锂离子安全机制

3.6电压比较

  当评估锂离子和铅酸在给定的电气系统内是否可以互换时,最重要的因素是每种化学品的电压范围。 图10显示了名义上称为“24V”电池的三个电池组的比较。 LiNMC标称电压在技术上是25.9V,LFP在技术上是25.6V。

  该图的最终结果是锂离子与铅酸体系在大部分电压范围内具有良好的一致性,但任何电气系统必须能够适应锂离子的较高充电电压以获得最佳性能。 大多数可再生能源电池充电控制器和放电逆变器能够在铅酸和锂离子之间进行调整。 充电控制器和逆变器制造商和锂离子公司可以协助确保系统兼容性。

图10:电压比较

案例分析

  鉴于铅酸和锂离子之间的技术质量差异,任何案例研究不一定适用于更广泛的应用。 研究的系统经济性和结果对环境条件,可用容量,充电/放电率,安装偏远,甚至当地法律都非常敏感。

  预计固定式储能将扮演重要角色的新兴市场是农村电气化。 运行输电线路的成本往往是高昂的(> 100万美元/英里),因此具有储能的可再生能源系统提供了一个有吸引力的选择。 巧合的是,许多未来的安装地点是在温暖的气候,这意味着对锂离子的平衡。 案例研究将分析中温和高温设备。

表3:通用系统规格

  现场准备,交付和安装成本将根据铅酸体系与锂离子的体积比为5.6:1进行计算。这个数字是基于这样的事实,即锂离子具有3.5倍的VRLA的能量密度,并且使用80%的DoD范围,而VRLA的使用率是50%。 VRLA用于此分析,因为它是用于电网储存和离网储能应用的常用电池。

  基于VRLA与锂离子电池相比的系统寿命目标和额定循环寿命,VRLA系统在中度气候项目的寿命期内将不得不被替换一次,在炎热气候下项目的寿命将被替换一次。在这两个气候中,锂离子将不必被替换。

  以美元/千瓦时衡量的寿命成本是理解系统经济性的关键数字。为了计算这个值,电池,安装和运输成本的总和乘以包括原始安装在内的项目期间需要新系统的次数。这个乘积的乘积除以电池的净能量通量(50千瓦时/周期,365周期/年,5.2年)。结果总结在表4中。

表4:VRLA与锂离子电池的使用寿命成本比较

  分析表明,与温和气候下的阀控式铅酸电池相比,锂离子电池的使用寿命成本要高18%,但是在炎热的气候条件下,锂离子电池的成本效益要高得多。 根据图11,世界上有一个重要的地区,其平均温度足以降低铅酸电池的使用寿命。 图中未表示的一个因素是,电池系统通常安装在由于太阳日晒而使内部温度比空气温度高10℃的外壳中,这将进一步降低铅酸的性能。 平均温度也不能完全代表铅酸系统中降解加速的极端温度所花费的时间(例如,在40°C下花1小时,在20°C下花1小时对电池的影响比较差 到30°C花费两个小时)。

  图11:全球年度气温[iv]

4.结论

  铅酸电池和锂电池为固定储能行业提供了利弊。 在计算特定应用的利弊平衡时,必须考虑许多因素。 初始成本,使用寿命,重量,体积,温度敏感度,维护通路和产品使用的重要性都对电池的选择起到了重要作用。

  目前在所有情况下都没有比另一种更好的单一解决方案,但锂离子系统在许多情况下提供更好的拥有成本,特别是炎热的气候,尽管初始成本较高。
相关标签: 锂电池 铅酸电池
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