中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：鋰電池想必大家都不陌生，三元鋰電池、磷酸鐵鋰電池、錳酸鋰電池等品類還能說(shuō)道一二，但要提起他的“孿生兄弟”鈉電池，相信大多數(shù)人可能就不那么熟悉了。
那么在鋰電池如日中天的當(dāng)下，冷落了許久的“鈉電池”為何又開(kāi)始受到業(yè)界關(guān)注了呢？
正好借著近日100千瓦/200千瓦時(shí)水系鈉離子儲(chǔ)能系統(tǒng)在金華投運(yùn)的機(jī)會(huì)，小e帶大家一探究竟。
首先，我們先搞明白什么是水系鈉離子電池。
“水系”顧名思義就是用水作為電解質(zhì)，由鈉離子在正負(fù)極之間來(lái)回移動(dòng)，從而完成充放電的一種電池。
水系鈉離子電池原理圖
和鋰電池的工作原理如出一轍，都屬于“搖椅式”二次電池（即可反復(fù)充放電），但差別就在于介質(zhì)不同和電解液不同，一個(gè)用鋰離子，一個(gè)用鈉離子，一個(gè)用有機(jī)溶劑，一個(gè)直接用水。
相較鋰電池，水系鈉離子電池有什么突出的優(yōu)勢(shì)呢？
電池性能更加優(yōu)秀
鈉離子的溶劑化能比鋰離子更低，即具有更好的界面離子擴(kuò)散能力。同時(shí)鈉離子的斯托克斯半徑（離子在溶液中受到水分子阻礙的程度）小于鋰離子，那么同等濃度鈉鹽的電解液具有更高的離子導(dǎo)電率，這就意味著鈉離子電池具有更強(qiáng)的功率輸出和接收能力。
耐候性更具優(yōu)勢(shì)
鈉離子電池的工作溫度范圍-40℃～80℃，目前商業(yè)化產(chǎn)品可以做到-20℃時(shí)容量保持率80%的水平，相較于鋰電池60%～70%的容量保持率具有明顯優(yōu)勢(shì)。
有了這個(gè)電池，即使在寒冷的北方以及高溫環(huán)境都能運(yùn)行良好，對(duì)于一些儲(chǔ)能項(xiàng)目，也能降低空調(diào)系統(tǒng)的功率配額。
安全性更具競(jìng)爭(zhēng)力
在大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用中，鋰電池單體差異性隨著充放電可能會(huì)出現(xiàn)過(guò)充過(guò)放導(dǎo)致電芯內(nèi)部溫度發(fā)熱失控，進(jìn)而引發(fā)有機(jī)電解液燃爆風(fēng)險(xiǎn)。
但水系鈉離子電池就不存在這個(gè)問(wèn)題，由于電池內(nèi)阻相對(duì)較高，發(fā)生短路時(shí)的熱量較小，溫升相對(duì)較低，再加上鈉電池的電解液為水，因此在安全性上，水系鈉離子電池更勝一籌。
據(jù)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人介紹，通過(guò)在項(xiàng)目中開(kāi)展電芯穿刺等破壞性實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了鈉離子電池實(shí)際安全性更高。
制造成本優(yōu)勢(shì)明顯
鋰元素在地殼豐度僅為0.0065%，而鈉元素的地殼豐度為2.64%，且資源分布廣泛、提煉簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉。
活性材料（正極、電解質(zhì)）中的鋰化合物被鈉化合物替代，這就可以用鐵、錳等廉價(jià)金屬大量替代正極中較貴的鈷、鎳等金屬。
由于金屬鈉不與金屬鋁形成低共熔合金，正負(fù)極集流體均可采用廉價(jià)的鋁箔，替代鋰電池中較貴的銅制負(fù)極集流體。
水系鈉電池和同等容量的鋰電池相比，成本可以降低一半以上。
既然相比鋰電池，鈉電池有那么多優(yōu)勢(shì)，為何會(huì)姍姍來(lái)遲呢？
這就得說(shuō)到鈉電池的缺點(diǎn)了。
能量密度較低：鈉電池的能量密度較低，如果要制造相同容量的電池，鈉電池的體積較鋰電池，體積更大重量較重，這就導(dǎo)致它不適用于小型電子產(chǎn)品。
技術(shù)不成熟：相比鋰電池，鈉電池的技術(shù)還不成熟，需要更多的研發(fā)和改進(jìn)，以提高其性能和可靠性。
首先電池本身的電極材料是當(dāng)前水系鈉離子推廣發(fā)展的主要障礙。原因就在于水系電解質(zhì)存在水解導(dǎo)致析氫和析氧副反應(yīng)，因此正極材料要考慮抑制水分解的材料，而在負(fù)極材料選擇同樣要考慮負(fù)極枝晶效應(yīng)，枝晶堆集容易刺穿隔膜從而引起電池短路，降低電池容量和循環(huán)壽命。而在儲(chǔ)能應(yīng)用中，發(fā)揮儲(chǔ)能系統(tǒng)的最大能力并能維持盡量長(zhǎng)的生命周期的技術(shù)難點(diǎn)，就在于每一個(gè)水系鈉離子電池單體在生命周期內(nèi)能否保持如一的性能。同時(shí)如何構(gòu)建適應(yīng)水性鈉離子電池特性的系統(tǒng)堆疊方式和工作策略也是一大難點(diǎn)。
當(dāng)然，如果是建設(shè)大型儲(chǔ)能站，鈉電池能量密度較低的缺點(diǎn)就顯得不那么扎眼了，畢竟不像是手機(jī)、相機(jī)等小型電子產(chǎn)品和電動(dòng)汽車等，需要兼顧體積和續(xù)航，對(duì)電池的能量密度有很高的要求，大型儲(chǔ)能站在安全性和使用壽命上的權(quán)重更重。
為了讓水系鈉離子電池和電網(wǎng)順利“牽手”，國(guó)家電網(wǎng)的研究人員著實(shí)費(fèi)了一番周折：
1.移花接玉：優(yōu)化設(shè)計(jì)單體電池
研究人員在長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的實(shí)驗(yàn)對(duì)比中，最終敲定鈉鹽水溶液的配比參數(shù)，錳基金屬氧化物為正極材料，聚陰離子型鈉基化合物為負(fù)極的包覆材料，通過(guò)借鑒鋰電池的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)其電化學(xué)性能和安全性能進(jìn)行測(cè)試與評(píng)估，最終發(fā)現(xiàn)研制的水系鈉離子電池單體的電化學(xué)性能和安全性能基本達(dá)到了電網(wǎng)儲(chǔ)能要求。
2.摸石頭過(guò)河：獨(dú)創(chuàng)儲(chǔ)能集成系統(tǒng)
電池單體試驗(yàn)的成功只是第一步，能量管理策略的優(yōu)化，是電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的重中之重。
研究人員介紹，“目前200千瓦時(shí)級(jí)別項(xiàng)目中，沒(méi)有參照的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，完全是摸著石頭過(guò)河?！?
在系統(tǒng)集成技術(shù)的試驗(yàn)中，研究人員發(fā)現(xiàn)一個(gè)非常有意思的現(xiàn)象，水系鈉離子電池的放電曲線和鋰電池基本吻合，依照這一特性，研究人員直接將鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)“拿來(lái)”，并將之與水系鈉離子電池做了必要的優(yōu)化和適配，一個(gè)全新的儲(chǔ)能管理系統(tǒng)就此出爐！
同時(shí)，100千瓦/200千瓦時(shí)水系鈉離子儲(chǔ)能系統(tǒng)項(xiàng)目還擯棄傳統(tǒng)直流側(cè)電池簇并聯(lián)方式，而采用更加高效的電池簇交流耦合方式。交流耦合儲(chǔ)能系統(tǒng)通過(guò)逆變器將電池存儲(chǔ)的直流電轉(zhuǎn)換為交流電，從而可以直接與交流電網(wǎng)連接。同時(shí)，交流耦合方式可以根據(jù)每個(gè)電池簇的荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)、溫度狀態(tài)調(diào)整充放電倍率，從而延長(zhǎng)電池壽命，提高系統(tǒng)能力轉(zhuǎn)換率。
這就意味著系統(tǒng)也可以根據(jù)電價(jià)、電池狀態(tài)、預(yù)測(cè)的負(fù)載和發(fā)電量等因素動(dòng)態(tài)調(diào)整電池的充放電行為，起到削峰填谷的作用。
以金華儲(chǔ)能項(xiàng)目為例，電池單體達(dá)到了40瓦時(shí)/千克的能量密度，循環(huán)放電次數(shù)來(lái)到了5000次，且容量衰減可逆，可以保證10年間都維持在較高的充放電水平。
作為百千瓦時(shí)級(jí)水系鈉離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)首次實(shí)地應(yīng)用，金華儲(chǔ)能項(xiàng)目為未來(lái)水系鈉離子電池技術(shù)的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用提供了實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)用前景廣泛：
實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)負(fù)荷優(yōu)化管理。通過(guò)接入調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)與配網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)施光儲(chǔ)充+負(fù)荷側(cè)管理場(chǎng)景應(yīng)用示范，可以形成各方互利共贏的局面。
滿足臨時(shí)性儲(chǔ)能備電的需求。如在分布式數(shù)據(jù)中心、大型活動(dòng)保供電現(xiàn)場(chǎng)，水系鈉離子電池不但高效穩(wěn)定，而且更加安全可靠。
擴(kuò)大離網(wǎng)微電網(wǎng)適用場(chǎng)景。由于系統(tǒng)耐候性強(qiáng)，可基于風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電和智慧路燈系統(tǒng)交流耦合，這就意味著在高寒地區(qū)、高溫環(huán)境下的離網(wǎng)微電網(wǎng)有了更強(qiáng)的適應(yīng)能力。
突出的應(yīng)用性能、低廉的設(shè)備成本、穩(wěn)定的安全性能，水系鈉離子電池未來(lái)可期！
