3 能量存儲系統

本節回顧全部儲能形式的結構，電能轉換過程，性能特點，應用的優點和缺點。

3.1 機械存儲系統

機械存儲系統（MSS）通常用于發電過程。三個典型的機械儲能系統包括抽水蓄能（PHS），壓縮空氣儲能（CAES），以及飛輪儲能（FES）。應用最廣的MSS是PHS，用于抽水電站。在水量大的季節，將一部分水泵送到高處，儲存水勢能，利用水自高而低的勢能，帶動渦輪機發電。這個存儲系統貢獻了世界大約99％的電力存儲容量，大約是全球發電容量的3％ [34]。CAES，壓縮空氣與天然氣混合，膨脹，并進一步轉化成混合氣體，輸送到燃氣渦輪發電機以產生電力 [35] 。CAES的實時需要等溫、絕熱和非絕熱儲存系統 [33]。CAES適用于大容量電力生產。

3.1.1 飛輪儲能

由于電力電子和材料工程的進步，飛輪儲能系統（FES）適用于電動汽車和動力系統[36]。能量效率在90-95％和功率規模0-50 MW [36 - 43] 。飛輪系統包括在腔室中旋轉的圓柱形本體，聯接軸承，以及能量傳遞裝置，發電機/電動機一起安裝在一個共同的軸上[15,30,36,37] 。保持飛輪不斷旋轉的能量被轉換成推動傳動裝置的電能。

圖4. 基本FES系統結構：（a）兩個機械系統和（b）雙向能量流 的單一機械系統 [30,33] 。

圖4示出了雙向能量流和一個機系統的的基本FES系統結構形式[30,33] 。飛輪上的能量都是以動能的形式存在的，由公式（1）定義如下：

其中E是動能，I是慣性矩，ω，m和r分別是飛輪的速度，質量和半徑。

從公式（1）可以看出，該能量可以通過增加飛輪的慣性或轉速增加。FES系統的主要優點是高的能量和功率密度，理論上無限的充電和放電循環，成本低，壽命長，并且沒有放電（DOD）的深度影響 [33,36,37] 。但是，由于風阻和軸承摩擦損失，FES具有很高的自放電特性。FES可以分成高速和低速系統[36 - 39]。高速FES系統通過發電機傳輸能量來驅動負載，而低速FES系統通過電機接收來自電源的電能。先進的材料技術、設計、幾何形狀、構建先進的超高速飛輪（UHSF）和無摩擦軸承[36 - 39]，FES系統被應用于混合動力電動汽車的儲能應用[40-43]。

3.2 電化學儲存系統

所有傳統的可再充電電池都屬于電化學存儲系統（EcSSs）[44]，特別地指，液流電池（ FB ）和次級充電電池 EcSSs 。在 EcSSs ，能量從電到化學能 ， 反過來再從化學能到電能，能量效率高，物理變化小[44] 。但是，化學 反應可能會 損耗電池壽命，消耗部分能量 [45] 充放電過程 ，沒有 有害的輻射和維護工作量小[46]。

3.2.1 液流電池（FB）

FB是可充電的，在FB中，能量儲存在電活性物質中。電活性物質溶解在罐中的液體電解質中，通過電池將化學能轉化為電能，再將液體泵出反應室。氧化還原流（RFB）和混合流（HFB）是FB的具體實施方式[30] 。 RFB 罐的總大小 反應出電池的總能量的多少[30] 。

RFB表現出高的生命周期穩定性，高效率，靈活 的功率和容量要求 ，這使 液流電池在自主 和獨立電網系統中得到應用[47] 。圖5 顯示了 釩RFB（VRFB）的 結構[47]。在VRFBs中，兩種液體帶有溶解的金屬離子的電解質被泵送到電池塔里面反應。多孔電極，稱為陰極和陽極，通過膜分離彼此分隔，電能傳遞過程，只允許質子通過隔膜。在充電時，活性物質在電極表面反應產生電流；放電期間，溶解的活性物質從反應罐提供電荷給電極 [30] 。RFB的典型實例是鐵-鈦，鐵-鉻，以及聚S-溴系統 [48 - 50] 。參考文獻提供了幾種RFB模型[48 -50] 。

圖5釩氧化還原液流電池系統[47] 。

HFB有兩個富于活性物質的部分; 一個存儲在電池中，另一個留在槽中的液體電解質中。HFB電池是二次電池（SB）和RFB的組合。在RFB中，容量是通過電化學電池的尺寸定義。HFB遵循Zn-Ce和Zn-Br體系特性。在充電時，鋅被沉積在電極上，并在放電過程中，鋅離子流回到溶液[30] 。FB預期壽命15-20年，4 – 10h放電范圍，和60 -70％E FFI ciency 效率范圍[51]。目前，RFB和HFB正在設計用于社區能源存儲和公用事業規模應用的電力存儲，用于提高電能質量，UPS，調峰，增加供電安全以及與可再生能源系統集成[52,53 ]。

3.2.2 二次（可充電）電池

SBs主導著便攜式儲能設備市場，電動汽車和其他電力和電子應用。這些電池以化學能的形式儲存電力，并通過電化學反應過程產生電力[30]。通常，SB由兩個電極組成，即陽極和陰極; 電解質、隔膜 和一個外殼[24,32,53]。SB具有良好的特性，如高能量，高功率密度，平坦的放電曲線，低電阻，無記憶，和寬范圍的溫度性能[24] 。但是，大多數電池含有有毒物質。因此，電池處置過程中的生態影響必須考慮[54]。由于其先進的技術和合理的成本，在EV應用中，主要由蓄電池提供具有高能量密度，高功率密度的蓄電系統 [55-58] 。各種類型的電動車主要包括鉛酸（LA），鎳基（Ni-Fe，Ni-Zn，Ni-Cd，Ni-MH，Ni-H 2），鋅 - 鹵素（Zn-Cl 2，Zn-Br 2），金屬空氣基（Fe-Air，Al-Air，Zn-Air），鈉-β（Na-S，Na-NiCl 2），高溫鋰（Li-Al-FeS ，Li-Al-FeS 2）和一般環境鋰[鋰聚合物（鋰聚合物），鋰離子（鋰離子）]電池[14,30,45]。

3.2.2.1 鉛酸電池。自1860年以來，鉛酸電池一直被用作商業能源 [45]。LA電池常見的用法是每臺內燃機（ICE）車輛起動電源，由于其堅固耐用，運行安全，溫度耐受性好和低成本，通?？捎糜趹彪娫矗稍偕茉磧Υ婧碗娋W調峰 [15,30]。電池由Pb作為負極，PbO2 作為正極，H2SO4 作為電解質[14,58]。發生在LA電池中的電化學反應，如方程 （2）。

圖6顯示了放電和充電過程中的LA化學特征。在放電期間，產生PbSO4，在充電時水被釋放。電池日歷壽命6 - 15年，在80％DOD最多2000的循環壽命， 70 - 90％充放電效率[14,30] 。起動點火（SLI）電池和UPS電池是LA電池的常見應用，具有較小的額定電壓6V,8 V和12 V [58,59]。最近，閥控式LA（VRLA）由于其高功率，低的初始成本和快速充電能力，無需保養的要求[14] ，已經成為鉛酸電池的主流。目前的研究主要集中在通過先進VRLA電池材料，降低電池的尺寸和重量，保持高能量密度方面[60,61]。普通VRLA電池包括玻璃纖維電池（AGM）和GEL電池。

圖 6. 鉛酸電池化學：（ a ）放電期間，（ b ）充電期間和（ c ） LA 電池原型 [14,30] 。

AGM電池由含有玻璃纖維的電解液組成，該電解液是一種固體材料，可以吸收并容納酸液而不會泄漏。這些類型的電池體積小巧，占用空間少，抗振性比標準電池高。這種電池類型的特殊之處在于它在充電過程中將氫氣和氧氣重新結合到裝置內部的水中，從而限制了水的損失 [45,58] 。GEL電池由凝膠態電解質制成，其不完全固態電解質形態，可以包含酸液而沒有泄漏。與其他電池相比，GEL電池需要較慢且可控的充電。然而，凝膠電解質可能會出現氣泡問題，這可能造成電池的永久損壞 [58 - 61] 。

3.2.2.2 鎳基電池。

鎳基電池利用氫氧化鎳作為正極，負極材料。根據有多種。根據負極材料額種類不同，鎳基電池可以分為：鎳-鐵，鎳-鎘，鎳-鋅，鎳氫，和Ni-H2 [3,14,30,45,62] 。通常，在鎳基電池中，活性材料羥基氧化鎳作為正極，氫氧化鉀作為電解質，金屬Fe/Cd/Zn，MH或H2 材料作為負極 [14]。發生在鎳基電池中的整體電化學反應式（3）：

圖7顯示了放電和充電過程中鎳基電池的化學成分。在放電和充電時，形成Ni（OH）2 和Fe/Cd/Zn（OH）2，M可以有不同成分組成。鎳-鐵和鋅電池，之所以不太實用于電動汽車，是由于它們功率性能低，成本高，循環壽命短，和維護需求高[14] 。的Ni-Fe和Ni-Zn系電池能量效率75％左右。鎳鎘和金屬氫化物目前用于驅動電動汽車，因為它們具有很高的壽命周期（2000次或更多）和能量密度。然而，鎳鎘具有高的記憶特性，并且價格高，是LA電池的10倍以上 [14,62 -67]。雖然這種類型電芯的所有鎳基電池中全部的優點，需要考慮回收問題和材料有毒性問題 [64 - 67]。與此相反，鎳氫具有低記憶效應，微小的環境影響性，和大的工作溫度范圍[14,30,45,62] 。盡管在運行過程中產生熱量，并且需要復雜的算法和昂貴的充電器，但環境友好性和其免維護性確保了鎳氫電池比電源電池更適用于電動汽車[14] [3]。Ni-H2具有高容量率，長壽命周期，并且容忍過度充電或過度放電而不受損害。然而，這種類型電池價格昂貴，具有與H2 壓力成正比的自放電，低體積能量密度，是特別為太空探測生產的電源類型[45,62]。

圖 7. 鎳基電池化學。（ a ）放電期間，（ b ）充電期間，和（ c ）鎳基電池原型 [14,30,45,62] 。

3.2.2.3 鋅鹵電池。

鋅鹵電池包括Zn-Cl2 和Zn-Br2，這些電池在EV能源存儲方面是可行的。1970年開發了用于電動汽車和靜態儲能的Zn-Cl2 [14]。Zn-CL2能量密度約90Wh/ L，功率密度約60瓦/千克。Zn-Br2電池適合用于EV能量儲存，其能量密度70瓦時/千克，具有快速充電能力，和低的材料成本 [14,45,70,71]。然而，這種電池類型由于具有較低的比功率（90 W / kg），溴的高反應性以及電解液循環和溫度控制系統尺寸較大，因此近年來在EV中的應用已經很少[14,45,70]。仍然有研發正在推進用于車輛的Zn-Br2 電池 [71]。Zi-Br2 電池的整體電化學反應用方程 （4）。

在Zn-Br2電池，能量通過Zn和Br組成的系統的電化學反應進行存儲和放出，該系統由如下部分組成：鋅，溴，鋅溴水溶液電解質和電解質存儲裝置和微孔塑料的隔膜。圖8顯示了Zn-Br2電池系統[14,45]。在該系統中，鋅溴溶液的電解液通過泵在兩個電極之間循環。在充電時，反應在負極上沉積鋅而在正極上沉積溴；而在放電期間，在其各自的電極上形成鋅離子和溴離子。

Fig. 8. Zn-Br2 電池系統 [14,45]

3.2.2.4 金屬空氣電池。

金屬電極作為陽極，從取之不盡空氣供應氧氣作為陰極 [30,45,72 - 76] 。在金屬空氣電池中，鋰，鈣，鎂，鐵，鋁，和Zn被用作陽極的金屬 [72 - 76] 。在這些元素中，鋰-空氣（Li-空氣）電池是最具EV應用前景的。因為它的理論能量密度非常高，11.14kWh /kg，不考慮空氣，它的比能量超過其他類型電池的100倍以上 [30,74,77-80] 。然而，這種類型電池的起火風險很高，含有水汽的空氣就可能造成起火 [30]。

鈣-空氣（CA-空氣）電池具有高能量密度，但它容量衰減非常快，并且比較昂貴[72] 。通常，鎂-空氣（MG-空氣）電池具有高比能量700Wh kg，設計用Mg合金取代Mg單質，在海底車輛上應用[45] 。電化學的可充電鐵-空氣（鐵-空氣）電池具有低的比能量75Wh/ kg和與其它金屬-空氣電池相比更低的成本 [45,72,73]。其全壽命周期成本較低，并且活性材料或形狀不會因長時間的電氣循環而變形[45,73]。

鋁空氣（鋁-空氣）電池具有高比能量，端電壓，和安培-小時容量。然而，由于放電期間的水消耗，這些優點減少[45,72]。鋁空氣電池可機械充電，利用水系電解質，在沒有條件電氣充電的環境，每次放電后更換鋁電極即可實現充電 [45]。先進的Al -空氣電池技術用的鋁合金制造電極，以避免腐蝕，并且在大的電流密度范圍內可以獲得98％或以上的庫侖效率[46] 。這種類型的電池通常用于為船舶或水下車輛提供動力。鋁氧（Al-O2）電池也可以在其他形式下使用，Al-O2 的輔助使得氫-FC 電池獲得了幾乎雙倍的比能量[45,72-76] 。

鋅空氣（鋅空氣）電池在技術上是可行的。該電池具有多種FC和常規電池的特性，并且可以進行電氣和機械充電。鋅-空氣電池的反應速率是通過改變氣體流量實現的[30,45,72-74,81,82] 。先進的可充電鋅空氣電池使用雙功能空氣電極以獲得更好的使用壽命，并且可機械充電的鋅空氣電池的設計方式可以更換放電陽極以避免形變[45,81,82 ]。高性能應用中，設計考慮利用鋅-空氣電池的高比能量特性，和LA 電池的高功率特性，構成鋅-空氣混合LA電池存儲系統[45,81,82] 。

圖9 顯示了在放電和充電過程中鋅-空氣電池的化學成分。在放電時，鋅電極通過釋放電子而被氧化，并且空氣電極產生氫氧根離子。在電池充電過程中，鋅沉積在鋅電極上，氧氣釋放到空氣電極中 [83] 。

圖 9. 鋅空氣電池化學成分：（ a ）放電期間，（ b ）充電期間和（ c ）鋅空氣電池原型 [83] 。

總體而言，金屬-空氣電池，因為它們的低材料成本和高性能，為可再充電的電能存儲應用提供了一種選擇[61,73] 。在金屬 - 空氣電池中，整體電化學反應在方程 （5）。

其中Me是金屬，例如Li，Ca，Mg，Fe，Al和Zn; n是取決于金屬氧化的價態變化的值。