中國儲能網訊：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道一二，但要提起他的“孿生兄弟”鈉電池，相信大多數人可能就不那么熟悉了。
那么在鋰電池如日中天的當下，冷落了許久的“鈉電池”為何又開始受到業(yè)界關注了呢？
正好借著近日100千瓦/200千瓦時水系鈉離子儲能系統(tǒng)在金華投運的機會，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，由鈉離子在正負極之間來回移動，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（即可反復充放電），但差別就在于介質不同和電解液不同，一個用鋰離子，一個用鈉離子，一個用有機溶劑，一個直接用水。
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散能力。同時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電率，這就意味著鈉離子電池具有更強的功率輸出和接收能力。
耐候性更具優(yōu)勢
鈉離子電池的工作溫度范圍-40℃～80℃，目前商業(yè)化產品可以做到-20℃時容量保持率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。
有了這個電池，即使在寒冷的北方以及高溫環(huán)境都能運行良好，對于一些儲能項目，也能降低空調系統(tǒng)的功率配額。
安全性更具競爭力
在大規(guī)模儲能應用中，鋰電池單體差異性隨著充放電可能會出現過充過放導致電芯內部溫度發(fā)熱失控，進而引發(fā)有機電解液燃爆風險。
但水系鈉離子電池就不存在這個問題，由于電池內阻相對較高，發(fā)生短路時的熱量較小，溫升相對較低，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。
據項目負責人介紹，通過在項目中開展電芯穿刺等破壞性實驗，驗證了鈉離子電池實際安全性更高。
制造成本優(yōu)勢明顯
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、提煉簡單、價格低廉。
活性材料（正極、電解質）中的鋰化合物被鈉化合物替代，這就可以用鐵、錳等廉價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，正負極集流體均可采用廉價的鋁箔，替代鋰電池中較貴的銅制負極集流體。
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，為何會姍姍來遲呢？
這就得說到鈉電池的缺點了。
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，這就導致它不適用于小型電子產品。
技術不成熟：相比鋰電池，鈉電池的技術還不成熟，需要更多的研發(fā)和改進，以提高其性能和可靠性。
首先電池本身的電極材料是當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存在水解導致析氫和析氧副反應，因此正極材料要考慮抑制水分解的材料，而在負極材料選擇同樣要考慮負極枝晶效應，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。而在儲能應用中，發(fā)揮儲能系統(tǒng)的最大能力并能維持盡量長的生命周期的技術難點，就在于每一個水系鈉離子電池單體在生命周期內能否保持如一的性能。同時如何構建適應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。
當然，如果是建設大型儲能站，鈉電池能量密度較低的缺點就顯得不那么扎眼了，畢竟不像是手機、相機等小型電子產品和電動汽車等，需要兼顧體積和續(xù)航，對電池的能量密度有很高的要求，大型儲能站在安全性和使用壽命上的權重更重。
為了讓水系鈉離子電池和電網順利“牽手”，國家電網的研究人員著實費了一番周折：
1.移花接玉：優(yōu)化設計單體電池
研究人員在長達數月的實驗對比中，最終敲定鈉鹽水溶液的配比參數，錳基金屬氧化物為正極材料，聚陰離子型鈉基化合物為負極的包覆材料，通過借鑒鋰電池的測試標準，對其電化學性能和安全性能進行測試與評估，最終發(fā)現研制的水系鈉離子電池單體的電化學性能和安全性能基本達到了電網儲能要求。
2.摸石頭過河：獨創(chuàng)儲能集成系統(tǒng)
電池單體試驗的成功只是第一步，能量管理策略的優(yōu)化，是電池儲能系統(tǒng)的重中之重。
研究人員介紹，“目前200千瓦時級別項目中，沒有參照的實驗數據，完全是摸著石頭過河。”
在系統(tǒng)集成技術的試驗中，研究人員發(fā)現一個非常有意思的現象，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能系統(tǒng)“拿來”，并將之與水系鈉離子電池做了必要的優(yōu)化和適配，一個全新的儲能管理系統(tǒng)就此出爐！
同時，100千瓦/200千瓦時水系鈉離子儲能系統(tǒng)項目還擯棄傳統(tǒng)直流側電池簇并聯方式，而采用更加高效的電池簇交流耦合方式。交流耦合儲能系統(tǒng)通過逆變器將電池存儲的直流電轉換為交流電，從而可以直接與交流電網連接。同時，交流耦合方式可以根據每個電池簇的荷電狀態(tài)和健康狀態(tài)、溫度狀態(tài)調整充放電倍率，從而延長電池壽命，提高系統(tǒng)能力轉換率。
這就意味著系統(tǒng)也可以根據電價、電池狀態(tài)、預測的負載和發(fā)電量等因素動態(tài)調整電池的充放電行為，起到削峰填谷的作用。
以金華儲能項目為例，電池單體達到了40瓦時/千克的能量密度，循環(huán)放電次數來到了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。
作為百千瓦時級水系鈉離子電池儲能系統(tǒng)首次實地應用，金華儲能項目為未來水系鈉離子電池技術的開發(fā)和應用提供了實踐經驗，應用前景廣泛：
實現用戶側負荷優(yōu)化管理。通過接入調度自動化系統(tǒng)與配網自動化系統(tǒng)，實施光儲充+負荷側管理場景應用示范，可以形成各方互利共贏的局面。
滿足臨時性儲能備電的需求。如在分布式數據中心、大型活動保供電現場，水系鈉離子電池不但高效穩(wěn)定，而且更加安全可靠。
擴大離網微電網適用場景。由于系統(tǒng)耐候性強，可基于風力發(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)境下的離網微電網有了更強的適應能力。
突出的應用性能、低廉的設備成本、穩(wěn)定的安全性能，水系鈉離子電池未來可期！
