铅炭电池,长时储能领域的又一匹“黑马”?

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与液流电池,谁是未来?

图片来源@视觉中国

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文 | 能链研究院

盯住锂电池储能不足够安全、时长较短这一点小“瑕疵”的,除了液流电池外,还有铅炭电池。

铅炭电池并不是新鲜事物,如果说铅酸蓄电池,很多人就不会感到陌生了。目前,大街上跑动的两轮电动车、低速电动车等绝大多数装载的是这类电池。特点是成本便宜,相对安全,缺点是续航里程不高,但体积和质量也能接受,适合在移动的带电量不高、需要频繁充电的场景下应用。但致命的问题是循环次数太低,固定型的只有300次,装车的也只有500-800次。

青出于蓝而胜于蓝,作为铅酸电池的升级版,铅炭电池通过在负极材料里增加电容活性炭,算是“逆天改命”,拥有更安全、长时储能的优势,能量密度、功率密度方面得到了优化,让其在储能领域找到了用武之地。

两个多月前并网的江苏长强钢铁液冷用户侧储能电站,采用的就是铅炭电池。该电站项目规模为25.3MW/243.3MWh,由10个储能单元构成,是国内用户侧单体最大的铅炭电池储能项目,储能时长方面甚至超过了4-8小时的全钒液流电池,以预制舱户外布置的形式建设而成,投运后的年放电量高达5720万度电。这也是国内容量最大的采用组串式储能系统的工商业储能电站。

目前,在已经实现商业化、产业化落地的电化学储能技术中,液流电池与铅炭电池已成为继锂电池后两股不可忽视的力量。

长时、安全,铅炭电池的两张王牌

任何新型储能技术的脱颖而出,都有自己的两把刷子。铅炭电池主打的就是安全性、10小时的储能时长和性价比足够高,这三点已经让其有了立足之地。

铅炭电池并没有跟磷酸铁锂、三元锂电池一样,去抢电动汽车的生意,也没有替代磷酸铁锂小时级储能的想法。毕竟未来新型电力系统需要的是不同时长、不同类别、适应不同场景需求的储能技术的最优组合,不同技术路线的储能系统,只要在经济性、安全性上能跑出来,就能拥有一席之地。

铅炭电池是“混血儿”,属于电容型铅酸电池,通过在铅酸电池的负极金属铅中掺入特种活性炭,解决了硫酸盐化问题,避免了硫酸铅结晶颗粒长大而失去充放电的可逆性,有了活性炭,衰减问题就化解了,循环性增强,电池寿命相比铅酸电池可直接提高6倍,在大规模储能领域应用就有了资格。

铅酸电池的电化学反应原理

而且功率密度也提升了3倍,可达300~400W/kg(接近锂电池),充电速度快了8倍。这与铅炭电池兼具铅酸电池和超级电容器两种技术有关,既有电容瞬间大容量放电的特性,又具备能量优势,可快速充放电。铅炭电池的能量密度可以提升到40~60Wh/kg,高于当下的液流电池,更不需要“携带”两个大储罐,这意味着体积和占地面积更小一些。而且铅炭电池储能柜的密度要求更低,1m就符合要求(锂电池需要3m),可以更密集的方式堆叠,一定程度上弥补了能量密度较低的劣势。

更关键的一点是,铅炭电池的性价比很高,成本远低于锂电池储能的1.5元/Wh的一次性初始投资,仅为0.8-1元/Wh。当然,如果与同为长时储能的钒液流电池比较,两者均刚刚跨过商业化的临界线,且电解液等都有较高的回收率和成熟的回收工艺、技术,铅炭电池的寿命只有5-8年左右,但好在成本低,单体电池容量更大,BMS成本低一些,后者的液流电池则可妥妥使用20年,但单瓦时的投建价格高。对比会发现,鱼与熊掌很难兼得,但液流电池的成本高和体积大的缺点,其实并非硬伤,后期可以逐步改进。

安全性是铅炭电池的另一张王牌,由于没有易燃物,温升过程时间较长,同时与液流电池一样,使用的是水性电解液(稀硫酸水溶液),不用担心热失控和燃料、爆炸问题。

玩家众多,铅炭电池频频落地项目

相比液流电池的姗姗来迟,铅炭电池落地项目的时间更早。只不过,过去是零散项目稀稀落落,但自去年下半年以来,铅炭电池储能项目扩产、中标、投运的消息不断,行业关注度也得到了大幅提高。

从产业链角度看,铅炭电池由于取自铅酸电池,因此参与者多为铅蓄电池领域的老牌选手,如天能股份、超微集团、圣阳股份、南都电源、双登集团,采取的技术路线较为类似。他们在铅炭领域积淀多年,比如双登集团2009年就开始在电池材料、合金配制方面研究,还推出了1.2MWh的集装箱方案,南都电源电池的循环性能已达到6000次以上,并已应用在国内多个储能示范项目中,包括临安2MWh、浙江鹿西岛4MWh微网储能、珠海万山海岛6MWh等。

天能股份也是重要的一位参与者,其铅炭电池可以进行大规模、高比例长时段储能。早在2020年,天能就参建了10千伏雉城铅炭电池储能电站,这是当时浙江省首批4个在建电网侧储能项目。2022年12月,天能股份与太湖能谷签署采购合作协议,未来三年内将采购不低于30GWh的铅炭电池电芯。而且在天能股份已投入和运营的30多个储能项目中,有超过20个以上为铅炭电池。

除铅蓄电池领域的巨头们浸淫多年外,昆工科技算是跨界者,其在2021年11月就成立新能源子公司,将独有的铝基铅合金板栅制备技术,用于大容量长时铅炭储能电池领域。今年7月25日,昆工科技年产2000万KVAh新型铅炭储能电池项目开工,总投资24亿元。

从去年开始,铅炭储能项目的投建开始加速。2022年5月,国家电投旗下吉电能谷在吉林白城投资的年产20吉瓦铅炭电池产线开工建设;同年9月,昆工科技发布公告,将在云南曲靖投资建设年产10吉瓦的铅炭电池项目;今年三月,国家电投煤山用户侧共享储能项目一期工程EPC总承包公开招标,建设规模达5.04MW/48.66MWh,选择的也是铅碳电池技术路线;2023年4月,投资100亿元的内蒙古察右中旗与太湖能谷签约铅炭储能电站项目,装机高达10GWh。

大容量、长时是已投运铅炭储能项目的两大特征。目前,单体装机规模超过100MW的铅炭储能电站很普遍,甚至有超过1GW装机的项目。

并驾齐驱,铅炭电池与液流电池共舞

今年上半年,国内新型储能投运装机量大爆发,半年增长了过去10年的总和,总装机功率接近20GW,预计今年有望新增16GW。其中,铅炭电池的增量仅次于液流电池。目前,铅炭电池储能装机容量占全部电化学储能装机的10%左右,如果按功率计算,则有不到3%的市占率,与液流电池的份额不相上下。

无论是液流电池还是铅炭电池,都在顶层及各地方省市相关储能支持政策中有“露面”,与支持和鼓励新型储能多技术路线发展的导向保持了一致性。

今年8月22日,工信部、国家发改委、商务部三部门印发《轻工业稳增长工作方案(2023—2024年)》,方案要求大力发展高安全性锂电池、铅炭电池、钠电池等产品,扩大在新能源汽车、储能、通信等领域应用,铅炭电池赫然在列。

2022年初,国家《“十四五”新型储能发展实施方案》也明确,开展包括铅炭电池、钠离子电池、新型锂离子电池、液流电池、压缩空气、氢(氨)储能、热(冷)储能等关键核心技术、装备和集成优化设计研究与应用落地,支撑构建新型电力系统,加快推动新型储能高质量规模化发展。

中国科学院大连化学物理研究所张华民认为,凭借充电接受能力强、安全可靠、制造成本低等优势,在可再生能源广泛利用和储能市场规模不断扩大的背景下,铅炭电池将成为继锂离子电池、液流电池之后,储能电池的又一发展方向。

不仅仅能满足长时储能需求,高安全性是铅炭电池、液流电池在某些场景下替代锂电池储能的重要考量因素。出于安全考虑,铅炭电池可以在人员密集区、危化场所、建筑地下空间、数据中心、电力设施等对安全性要求极高的场景下配置。这时,锂电池可能会受到限制。

未来,新型储能领域将是百花齐放的格局,有满足长时储能需求的,有强调功率响应能力的,也有主打安全等特殊场景。锂电池、压缩空气、液流电池、铅炭电池处于已经实现商业应用的第一梯队,后续装机量的快速增长不成问题。但最终谁能拿到最大的市场份额,就要看能量密度、安全性、温度适应性、经济性、循环次数等方面的持续进化能力了。

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