李明遠(yuǎn)

摘要：鈉和鋰具有類似的物化性質(zhì)，且鈉資源儲(chǔ)量豐富、分布廣泛、成本較低，因此在變電站儲(chǔ)能領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景?，F(xiàn)首先分析鈉離子電池工作原理，然后介紹鈉離子電池在變電站的應(yīng)用場(chǎng)景及優(yōu)勢(shì)，最后重點(diǎn)探討鈉離子電池應(yīng)用于變電站所面臨的挑戰(zhàn)，并對(duì)未來技術(shù)發(fā)展方向進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);變電站;鈉離子電池

0 引言

目前，鋰離子電池發(fā)展?fàn)顩r良好，但是受鋰資源儲(chǔ)量的限制，難以同時(shí)支撐電子產(chǎn)品和電網(wǎng)儲(chǔ)能的發(fā)展。因此，成本低廉、資源豐富、性能良好的鈉元素受到了一定的關(guān)注，鈉離子電池能夠滿足電網(wǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域成本低、安全性高、使用壽命長(zhǎng)的要求，有望在變電站工程領(lǐng)域逐步替代鉛酸電池，扮演重要角色。

1 鈉離子電池簡(jiǎn)介

1.1 ? ?鈉離子電池原理介紹

正極、負(fù)極、電解液、隔膜和集流體等部件構(gòu)成了鈉離子電池[1]，正負(fù)極之間由隔膜隔開以防止短路，電解液浸潤正負(fù)極以確保離子導(dǎo)通，集流體起到收集和傳輸電子的作用。充電時(shí)，Na+從正極出發(fā)，在電解液里穿過隔膜進(jìn)入負(fù)極，使正極處于高電勢(shì)，負(fù)極處于低電勢(shì);放電時(shí)，Na+從負(fù)極出發(fā)，經(jīng)電解液穿過隔膜進(jìn)入正極，恢復(fù)原本態(tài)勢(shì)。若以NaxMO2為正極材料，硬碳為負(fù)極材料，則反應(yīng)式可表示為：

正極反應(yīng)：NaxMO2？圳Nax-yMO2+yNa++ye-

負(fù)極反應(yīng)：nC+yNa++ye-？圳NayCn

電池反應(yīng)：NaxMO2+nC？圳Nax-yMO2+NayCn

1.2 ? ?鈉離子電池優(yōu)勢(shì)

1.2.1 ? ?資源儲(chǔ)量

鈉資源的地殼豐度是鋰資源的423倍，因此鈉資源的價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鋰資源，僅為后者的1.33%。并且鈉資源在全球范圍內(nèi)均有分布，而鋰資源的分布非常不均勻，75%分布在美洲。目前我國80%以上的鋰資源需要進(jìn)口，因此在地緣政治博弈中，儲(chǔ)能電池使用鈉資源比使用鋰資源更能保證國家的能源安全。

1.2.2 ? ?材料成本

碳酸鋰（99.5%電池級(jí)/國產(chǎn)）2021年均價(jià)為8.7萬元/t，而無水碳酸鈉2021年均價(jià)為0.3萬元/t，并且鈉離子電池其他材料也可選用低成本材料制作。因此，鈉離子電池是電網(wǎng)儲(chǔ)能更好的選擇[2]。

1.2.3 ? ?使用性能

1.2.3.1 ? ?鈉離子電池與鋰離子電池的比較

雖然鈉離子電池能量密度比鋰離子電池低，按照鈉離子電池80～100 W·h/kg、磷酸鐵鋰電池120～150 W·h/kg計(jì)算，前者能量密度僅為后者的2/3。但是鈉離子的溶劑化能力更低，界面去溶劑化能力更強(qiáng);鈉離子的斯托克斯直徑比鋰離子電池的小，電解液濃度可以更低;鈉離子電池具有優(yōu)異的充放電倍率性能和高、低溫性能，根據(jù)中科海鈉公布的數(shù)據(jù)，鈉離子電池循環(huán)壽命達(dá)4 000次以上，高、低溫性能優(yōu)異，安全性高，具備快充能力。這些優(yōu)點(diǎn)足以彌補(bǔ)鈉離子能量密度的不足[1]。

1.2.3.2 ? ?鈉離子電池與鉛酸電池的比較

鉛酸電池循環(huán)壽命平均達(dá)450次，鈉離子電池循環(huán)壽命更長(zhǎng);鉛酸電池產(chǎn)業(yè)鏈存在較高的鉛污染風(fēng)險(xiǎn)，而鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈污染風(fēng)險(xiǎn)較低;鉛酸電池能量密度僅為40 W·h/kg，鈉離子電池能量密度更高。

1.2.4 ? ?安全性能

鈉離子電池安全性能好，體現(xiàn)在測(cè)試環(huán)節(jié)，鈉離子電池能在針刺、擠壓、過充、過放等安全項(xiàng)目測(cè)試中做到不起火、不爆炸。鋰離子電池中鋰枝晶的形成和發(fā)展，往往會(huì)導(dǎo)致鋰離子電池短路自燃，而鈉離子電池中，由于鈉本身具有更高的活性，鈉枝晶的化學(xué)穩(wěn)定性不如鋰枝晶，在準(zhǔn)零電化學(xué)場(chǎng)下，在某些電解液中，鈉枝晶會(huì)自消溶。因此，在對(duì)安全穩(wěn)定運(yùn)行要求異常嚴(yán)格的電力系統(tǒng)中，鈉離子電池更具有優(yōu)勢(shì)。

2 鈉離子電池在變電站中的應(yīng)用場(chǎng)景

2.1 ? ?替代鉛酸蓄電池

變電站直流系統(tǒng)如圖1所示[3]。直流系統(tǒng)蓄電池組正常處于浮充電狀態(tài)，由若干鉛酸蓄電池串聯(lián)起來。鉛酸蓄電池在日常維護(hù)工作中主要有以下缺點(diǎn)：（1）質(zhì)量、體積較大，需要考慮放置問題及承重問題，難以滿足簡(jiǎn)化蓄電池組結(jié)構(gòu)的要求。（2）密封蓄電池的使用壽命一般為4～5年，更換成本高。（3）蓄電池容量檢測(cè)時(shí)，因?yàn)殡姵亟M數(shù)量多，放電時(shí)間長(zhǎng)，放電后又要及時(shí)進(jìn)行充電，就會(huì)損耗蓄電池本體，且耗費(fèi)人力、物力。鈉離子電池具有使用壽命長(zhǎng)、成本較低、維護(hù)工作量少、質(zhì)量較輕、體積較小的優(yōu)點(diǎn)，能夠替代鉛酸蓄電池，增強(qiáng)直流系統(tǒng)性能。

2.2 ? ?替代應(yīng)急發(fā)電機(jī)，降低變電站線損率

變電站站用電系統(tǒng)如圖2所示[3]。

變電站站用電負(fù)荷采用輻射狀供電和環(huán)形供電相結(jié)合的供電方式，接有Ⅰ類負(fù)荷、Ⅱ類負(fù)荷、Ⅲ類負(fù)荷，主變壓器冷卻系統(tǒng)、變電站消防系統(tǒng)負(fù)荷屬于Ⅰ類負(fù)荷。

發(fā)電機(jī)廣泛用作變電站應(yīng)急電源。當(dāng)變電站發(fā)生故障，站用電全停的時(shí)候，往往需要變電站值班員人工將發(fā)電機(jī)接入交流系統(tǒng)，并且需要手動(dòng)啟動(dòng)發(fā)電機(jī)。假如在這段時(shí)間空隙中，變電站主變壓器冷卻系統(tǒng)、變電站消防系統(tǒng)不能工作，可能會(huì)擴(kuò)大事故范圍，影響電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

當(dāng)前變電站線損率仍然處于較高水平，隨著降低變電站線損率工作的常規(guī)化開展，降低變電站線損率的潛力逐步減小。因此，提出一個(gè)構(gòu)想，即利用光伏發(fā)電+鈉離子電池儲(chǔ)能的方式，在站用電系統(tǒng)中并聯(lián)由鈉離子電池、光伏電池板組成的光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)，經(jīng)逆變器并入交流系統(tǒng)。

正常狀態(tài)下鈉離子電池組處于浮充電狀態(tài)，并聯(lián)于光伏專用直流系統(tǒng)，光伏電能通過光伏專用直流系統(tǒng)，經(jīng)逆變器并聯(lián)于站用電系統(tǒng)，為站用電系統(tǒng)提供清潔能源，降低變電站線損率，起到節(jié)能、環(huán)保的作用。當(dāng)站用電系統(tǒng)因外部故障而全停的時(shí)候，鈉離子電池組能夠瞬時(shí)響應(yīng)，為站用電重要負(fù)荷提供電源。因此，光儲(chǔ)一體化系統(tǒng)可以替代當(dāng)前的柴油發(fā)電機(jī)，增強(qiáng)站用電系統(tǒng)的供電可靠性。