王江林，徐學(xué)良，丁青青，朱軍平，馬永泉，趙 磊，劉孝偉

（超威電源有限公司，浙江 長(zhǎng)興 313100）

1 技術(shù)原理及簡(jiǎn)介

新能源產(chǎn)業(yè)已經(jīng)成為世界各個(gè)國(guó)家大力推廣的領(lǐng)域，而動(dòng)力及儲(chǔ)能電池作為這個(gè)領(lǐng)域的重要組成部分，其開發(fā)及新型電池的出現(xiàn)將是這個(gè)行業(yè)大發(fā)展的重要保證。鋅鎳二次電池的正極材料為Ni(OH)2和NiOOH，負(fù)極材料為ZnO 和Zn，電解液為ZnO 飽和的KOH 水溶液。鋅鎳電池具有比能量高（約80 W·h/kg）、比功率高、工作電壓高（鋅負(fù)極為-1.24 V，鎳正極為0.49 V，總電壓約1.7 V）、低溫性能良好（可在-40 ℃以下條件下工作）、方便適用和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，其次鋅作為電池負(fù)極，價(jià)格低廉，適合大批量生產(chǎn)。在鋅鎳電池的體系中，Ni(OH)22NiOOH 理論容量為289 mA·h/g，ZnZnO 為659 mA·h/g，電池理論比能量為334 mA·h/g[1-5]。鋅鎳電池的電極反應(yīng)如下

2 電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用簡(jiǎn)介

在電力系統(tǒng)中儲(chǔ)能主要應(yīng)用有可再生能源發(fā)電、削峰填谷、調(diào)峰、智能電網(wǎng)建設(shè)、提升供電及提升供電穩(wěn)定性等[6-7]。儲(chǔ)能很多情況下十分必要，僅是儲(chǔ)能并不產(chǎn)生能量，因此可應(yīng)用的儲(chǔ)能技術(shù)必須是低成本、高效率的技術(shù)。目前，較為成熟的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)有鉛酸電池（鉛炭電池）、鋰離子電池、超級(jí)電容器、液流電池等[8-10]。

根據(jù)全球儲(chǔ)能項(xiàng)目庫（CNESA）的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分析，截至2017年底，全球已經(jīng)投運(yùn)的項(xiàng)目中，累計(jì)裝機(jī)規(guī)模的儲(chǔ)能項(xiàng)目同比增長(zhǎng)4%，達(dá)到了175.4 GW[10]。從圖1 可以看出，在2017年，抽水蓄能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模占有量巨大，是整個(gè)儲(chǔ)能規(guī)模的96%，較上一年同期的97%相比，下降1 個(gè)百分點(diǎn)；緊隨其后的就是電化學(xué)儲(chǔ)能，規(guī)模達(dá)到了2926.6 MW，同比增長(zhǎng)45%，但是只占全球儲(chǔ)能市場(chǎng)的1.7%。在電化學(xué)儲(chǔ)能規(guī)模中，鋰離子電池作為儲(chǔ)能市場(chǎng)的領(lǐng)軍力量，裝機(jī)占比超過75%。其他還有鉛蓄電池（主要以鉛炭電池為主）、液流電池（包含全釩液流電池、鋅鎳單液流電池等）、鈉硫電池、超級(jí)電容器及其他新型的電化學(xué)儲(chǔ)能電池技術(shù)[11-13]。

圖1 全球儲(chǔ)能市場(chǎng)累計(jì)裝機(jī)規(guī)模（2000—2017）[10]Fig.1 Cumulative installed capacity of the global energy storage market(2000—2017) [10]

圖2 2018年上半年全球已投運(yùn)行電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的地區(qū)分布（MV） [13]Fig.2 Regional distribution of electrochemical energy storage projects deployed globally in the first half of 2018（MV）[13]

從圖2 2018年上半年全球已投運(yùn)行電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目的地區(qū)分布可以看出，全球的電化學(xué)儲(chǔ)能中，中國(guó)已經(jīng)占有15%的比重，未來將會(huì)越來越大[14]。儲(chǔ)能系統(tǒng)的開發(fā)必須要具備以下要求：高效率（電池的輸出效率達(dá)到90%以上）、低成本、易維護(hù)、安全性好?，F(xiàn)有的的儲(chǔ)能技術(shù)大致可分為機(jī)械儲(chǔ)能（即抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)）、電化學(xué)儲(chǔ)能（新型電池儲(chǔ)能技術(shù)）與電能直接存儲(chǔ)[15-16]。

3 鋅鎳電池的技術(shù)特點(diǎn)

（1）鋅鎳電池具有較高的能量密度。鋅鎳電池的理論比能量為334 W·h/kg，實(shí)際比能量可高達(dá)80 W·h/kg[17]，而理論比能量還有很大的上升空間，見圖3。

（2）低溫性能良好。由于鋅鎳電池在放電過程中為放熱反應(yīng)，這與其他類別的電池放電模式相反，可為自身提供熱量，提高了電解液的流動(dòng)性。使得鋅鎳電池可以在-40 ℃以下的溫度下正常使用，低溫性能優(yōu)越，見圖4。

圖3 鋅鎳電池24 V/130 A·h 在-43 ℃條件下的大電流充放測(cè)試Fig.3 High current charge and discharge test of zinc nickel batteries at -43 ℃ at 24 V/130 A·h

圖4 鋅鎳電池24 V/130 A·h 低溫-43 ℃條件下0.2 C 放電曲線Fig.4 Discharge curve of 0.2 C for zinc nickel batteries at low temperature -43 ℃at 24 V/130 A·h

（3）循環(huán)壽命長(zhǎng)。鋅鎳電池在100%DOD放電下，循環(huán)壽命為1000～2000 次，在80%的DOD 充放條件下循環(huán)壽命達(dá)到5000 次以上，能量轉(zhuǎn)換率達(dá)到90%～95%[18]。

（4）電池價(jià)格低廉。鋅作為電池的負(fù)極和電解液的重要材料，鋅礦在我國(guó)資源豐富，產(chǎn)地遍布全國(guó)。主要集中在云南、內(nèi)蒙古、甘肅、廣東、湖南和廣西，探明儲(chǔ)量為8239.98 萬噸，占全國(guó)鉛合計(jì)儲(chǔ)量（12956.92 萬噸）的64%。鋅礦資源豐富，儲(chǔ)量比鋰高，價(jià)格比鋰便宜，是提供電池高比能量的重要因素，從這個(gè)角度看，鋅基電池比鋰電池在長(zhǎng)遠(yuǎn)看更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)[19]。

（5）鋅鎳電池安全性優(yōu)越。鋅鎳電池中均為金屬，電解液為半飽和或飽和ZnO 的堿性水系電解液，不會(huì)出現(xiàn)燃燒和爆炸；現(xiàn)在的電力調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)需要具備極強(qiáng)的功率特性和極高的安全性能，一般都采用超級(jí)電容器或者功率型鈦酸鋰電池，也有部分要求不高的調(diào)頻電站采用磷酸鐵鋰電池作為調(diào)頻使用。這幾種化學(xué)電源都是有機(jī)體系，如電池出現(xiàn)短路等情況將會(huì)帶來安全隱患[20-21]。

圖5 鋅鎳電池(2 V/10 A·h)3 C 放電數(shù)據(jù)Fig.5 Zinc nickel battery(2 V/10 A·h) 3 C discharge data

圖6 超威集團(tuán)200 A·h（a），100 A·h（b）鋅鎳電池實(shí)驗(yàn)樣品Fig.6 Experimental samples of zinc nickel battery,CHLWEE Power Group 200 A·h(a), 100 A·h(b)

圖7 沉積型鋅鎳單液流電池示意圖[23]Fig.7 Diagram of Zn Ni single liquid flow battery

圖8 鋅鎳單液流電池的的發(fā)展[24]Fig.8 Development of zinc-nickel single-liquid flow batteries[24]

圖9 由68 臺(tái)200 A·h 的鋅鎳單液流電池組成的50 kW·h儲(chǔ)能系統(tǒng)[25]Fig9 50 kW energy storage system consisting of 68 zinc and nickel single-liquid flow batteries[25]

圖10 300 A·h 鋅鎳單液流電池的充電/放電性能[26]Fig.10 300 A·h Zn nickel single liquid flow battery charge/discharge performance[26]

（6）鋅鎳電池的大電流性能優(yōu)越，可在1～5 C以上的大電流條件下充放。

4 鋅鎳電池的優(yōu)勢(shì)及儲(chǔ)能的應(yīng)用

對(duì)鋅鎳電池（210 A·h）進(jìn)行了大電流充放，即3 C（30 A·h）的電流進(jìn)行沖放，從圖中可以看出，電池循環(huán)了約1600 次，電池的效率仍然在95%以上，見圖5。

作為10 A·h 電池，在3 C 的條件進(jìn)行充放，且效率抑制維持在95%以上。鋅鎳電池的優(yōu)越性足以體現(xiàn)，將鉛酸蓄電池、鋰電池、鋅鎳電池進(jìn)行比較，使用相同的功率的電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，鋅鎳電池可以經(jīng)過大電流的充放，這是其他電池不能比擬的。即鋅鎳電池可將功率進(jìn)行相應(yīng)的降低仍然能夠滿足儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用。

鉛炭電池如果在這種長(zhǎng)期不充足電條件下運(yùn)行如何有待考證，而鋰電池在大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)中的安全性能也存在較大風(fēng)險(xiǎn)。開發(fā)出高能量效率、長(zhǎng)壽命鋅鎳電池，具有恒功率充放電效率高的優(yōu)點(diǎn)，安全性能也是優(yōu)于鋰電池，可以很好地適應(yīng)調(diào)峰的應(yīng)用條件，將具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。

近幾年來，以楊裕生院士、程杰等[22]為主導(dǎo)的鋅鎳單液流電池在儲(chǔ)能行業(yè)得到大力的推廣和應(yīng)用。電池的平均電壓可達(dá)1.65 V，庫侖效率為96%，模擬電池在80%DOD 充放電超過4000 次。10 W 和100 W 級(jí)電堆已基本實(shí)現(xiàn)，分別達(dá)到了2000 和1000 次循環(huán)，見圖7。

鋅鎳單液流電池的研發(fā)在基礎(chǔ)技術(shù)研究、原理驗(yàn)證、小規(guī)模中試等階段有了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)室原理電池循環(huán)壽命已經(jīng)突破了萬次以上。以楊裕生院士與超威集團(tuán)合作的浙江裕源儲(chǔ)能科技有限公司已經(jīng)開始單液流鋅鎳電池的生產(chǎn)[27-30]。現(xiàn)有的50 kW·h 儲(chǔ)能系統(tǒng)由168 個(gè)200 A·h 單體電池串聯(lián)而成，實(shí)際能效可達(dá)80%；新一代300 A·h 電池正在試機(jī)生產(chǎn)中，顯示出了極好的應(yīng)用前景[31]。

5 結(jié) 語

在全球能源枯竭及環(huán)境保護(hù)的各種壓力下，儲(chǔ)能技術(shù)將是全球新能源發(fā)展的重要趨勢(shì)[32]。各國(guó)先后實(shí)施新能源政策，從項(xiàng)目規(guī)劃上看，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)將迎來蓬勃發(fā)展的階段。在用戶儲(chǔ)能系統(tǒng)的推廣、電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的建設(shè)、調(diào)頻調(diào)峰的政策指引下，電化學(xué)儲(chǔ)能將會(huì)是新能源企業(yè)的很大機(jī)遇[33-35]。目前全球裝機(jī)總量及裝基規(guī)模還是鉛炭電池和鋰離子電池為主。如何實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能技術(shù)更低的成本、更高的安全性、更快的充放電，還需要研究人員不斷的創(chuàng)新。

就鋅鎳電池而言，國(guó)內(nèi)外的企業(yè)已經(jīng)開始布局，美國(guó)PowerGenix 公司前期研發(fā)中心在美國(guó)，后來搬遷至中國(guó)深圳，已經(jīng)投入3 億美元進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。主要開發(fā)電動(dòng)工具、通訊UPS 電源、汽車起動(dòng)用鋅鎳電池等（該公司被收購(gòu)并更名“Zincfive”）[38-40]。其次，深圳倍特力公司、比亞迪、ATL、江蘇海四達(dá)公司、深圳格瑞普公司、河南環(huán)宇集團(tuán)、廣州博特、杭州新研等都進(jìn)行了大量的研究工作。中南大學(xué)、南開大學(xué)、武漢大學(xué)、浙江大學(xué)、天津十八所等高?？蒲袡C(jī)構(gòu)對(duì)鋅鎳電池也都有較為深入的研究，在很多期刊上都有相關(guān)的研究報(bào)道[41]。最近由于新材料、新工藝、新設(shè)備的發(fā)展，帶動(dòng)了鋅鎳電池研發(fā)的突破。

鋅鎳電池作為一種新型的電池，已經(jīng)初步展現(xiàn)出鋒芒，雖然在全球看來，沒有大規(guī)模出現(xiàn)儲(chǔ)能領(lǐng)域的裝機(jī)，以及國(guó)內(nèi)大批量生產(chǎn)。但是隨著該電池的優(yōu)越性體現(xiàn)，將很快出現(xiàn)在世人面前。

使用的正負(fù)極材料為鋅和錳作為主要電極材料，兩種材料在國(guó)內(nèi)儲(chǔ)藏量均很高，成本將會(huì)進(jìn)一步的降低，對(duì)電池市場(chǎng)將是巨大沖擊。該電池現(xiàn)在還處于實(shí)驗(yàn)室階段，新材料和新技術(shù)的研發(fā)將會(huì)進(jìn)一步提升電池性能，降低材料成本，實(shí)現(xiàn)更便宜的充電電池，預(yù)測(cè)會(huì)比鉛酸更便宜。

超威集團(tuán)研發(fā)中心的技術(shù)人員后續(xù)逐步研發(fā)：鋅空氣電池、鋅鐵電池等系列鋅基電池。該類電池負(fù)極均采用鋅作為負(fù)極，利用鋅基電池的高比能量，高循環(huán)壽命，低成本的優(yōu)勢(shì)，電池的優(yōu)勢(shì)將會(huì)逐漸顯現(xiàn)。

但是作為電池的生產(chǎn)商，鉛酸蓄電池近幾年初步完成了生產(chǎn)責(zé)任制，即誰生產(chǎn)誰回收的模式。隨著鋅鎳電池的量產(chǎn)和工業(yè)化儲(chǔ)能電站的建設(shè)，電池的回收將會(huì)是一個(gè)艱巨的任務(wù)。國(guó)內(nèi)外由于還沒有出現(xiàn)鋅鎳電池的大規(guī)模使用，其回收工藝和設(shè)備均沒有成熟。故在往后的時(shí)間里，鋅鎳電池的回收將會(huì)是一個(gè)機(jī)遇也是一個(gè)挑戰(zhàn)。