光伏储能系统之铅酸蓄电池原理和种类

储能电池及器件是太阳能光伏发电系统*的存储能电能的部件，其主要功能是存储光伏发电系统的电能，并在日照量不足，夜间以及应急状态下为负载供电。常用的储能电池有铅酸蓄电池、碱性蓄电池、锂电池、超级电容，它们分别应用于不同场合或者产品中。目前应用是铅酸蓄电池，从19世纪50年代开发出来至今，已经有160余年的历史，目前衍生出很多种类，如富液铅酸电池、阀控密封铅酸电池、胶体电池，铅碳电池等.

一、工作原理及基本结构

铅酸电池是用铅和二氧化铅作为电池负极和正极活性物质，以稀硫酸为电解质的化学储能装置，具有电能转换效率高、循环寿命长、端电压高、安全性强、性价比高、安装维护简单等特点，目前是各类储能、应急供电、启动装置中的化学电源。铅酸电池的主要构成包括：

1.极板：正负极板均是以特殊的合金板栅涂敷上活性物质所得，极板在充放电时存储和释放能量，确保电池的容量和性能可靠。

2.隔板：是置放于电池正负极中间的一个隔离介质，防止电池正负极直接接触而短路的装置，不同类型的铅酸电池隔板材质不同，阀控类电池主要以AGM、PE、PVC为主。

3.电解液：铅酸电池的电解液是用蒸馏水配制的稀硫酸，电解液在充放电时起到在正负极间传输离子的作用，因而电解液必须要没有杂质。

4.容器（电池壳盖）：电池包覆的容器，电解液和极板均在容器内，主要起支撑作用，同时防止内部物质外溢，外部物质进入内部结构污染电池。

二、种类及优势

铅酸电池的工作原理就是通过电化学反应，电能和化学能之间相互转化，电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的一种蓄电池。英语：Lead-acidbattery。

放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅。

充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

铅酸蓄电池种类较多，应用在光伏储能系统中，比较多的有三种，富液型铅酸蓄电池、阀控式密封铅酸蓄电池、铅碳蓄电池等等。

2.1 富液型铅酸蓄电池

铅酸电池的电解液中的硫酸直接参与电池充放电反应过程，传统铅酸电池中，电池槽内除去极板、隔板及其他固体组装部件的剩余空间*充满硫酸电解液，电解液处于富余过量状态，故被称为“富液式”电池，电池极板*浸泡在硫酸电解液中。富液式蓄电池顶部有一个能够通气而又能够阻挡液体溅出的盖子，在使用过程中由于水分的蒸发和分解损失，需要定期将盖子打开补加蒸馏水及调整电解液密度，所以习惯上被称为“开口式”蓄电池。

富液型铅酸蓄电池特点是价格便宜，寿命长，缺点是需要经常维护。

2.2 阀控式密封铅酸蓄电池

阀控式密封铅酸蓄电池，又称免维护电池，分为AGM密封铅蓄电池和GEL胶体密封铅蓄电池两种。

AGM型电池使用纯的硫酸水溶液作电解液，大部分存在于玻璃纤维膜之中，同时极板内部吸有一部分电解液外。AGM式密封铅蓄电池电解液量少，极板的厚度较厚，活性物质利用率低于开口式电池，因而电池的放电容量比开口式电池要低10%左右。

AGM密封铅蓄电池与当今的胶体密封电池相比，其放电容量要小一些。与富液型相同规格蓄电池相比，价格较高，具有以下优点：

（1）循环充电能力比铅钙蓄电池高3倍，具有更长的使用寿命。

（2）在整个使用寿命周期内具有更高的电容量稳定性。

（3）低温性能更可靠。

（4）降低事故风险，减少环境污染风险（由于酸液100%密封装）。

（5）维护很简单，减少深度放电。

胶体密封铅蓄电池（即GEL型电池），胶体铅酸蓄电池是对液态电解质的普通铅酸蓄电池的改进，用胶体电解液代换了硫酸电解液，在安全性、蓄电量、放电性能和使用寿命等方面较普通电池有所改善。其电解液是由硅溶胶和硫酸配成的，硫酸溶液的浓度比AGM式电池要低，电解液的量比AGM式电池要多，跟富液式电池相当。这种电解质以胶体状态存在，充满在隔膜中及正负极之间，硫酸电解液由凝胶包围着，不会流出电池。

胶体密封铅蓄电池其优点如下：

（1）漏酸机率小。GEL型胶体电池是电解质凝胶后没有游离电液，因而漏酸的机率比AGM型电池小得多。

（2）失水少。因其灌注量比稀硫酸多，失水少，所以胶体电池不会因失水造成失效。

（3）有效延长电池寿命。胶体的灌入增加了隔板的强度，保护了极板，弥补了隔板遇酸收缩的缺陷，使装配压力不明显降低是其具有延长电池寿命的原因之一。

（4）胶体铅酸蓄电池抗过充能力强。

（5）严重放电情况下的恢复能力强。胶体填充了隔板与极板之间的空隙，降低了电池的内所以胶体电池的过放电，恢复能力和低温充放性能都比AGM型电池*。 

（6）体铅酸蓄电池的自放电性能好，在同样的硫酸纯度和水质情况下，蓄电池的存放时间可以延长2倍以上。

（7）胶体铅酸蓄电池在严重缺电的情况下，抗硫化性能很明显。

（8）胶体铅酸蓄电池后期放电性能好。

2.3 铅碳电池

铅炭电池是一种电容型铅酸电池，是从传统的铅酸电池演进出来的技术，它是在铅酸电池的负极中加入了活性炭，能够显著提高铅酸电池的寿命。

铅碳电池是一种新型的超级电池，并结合了铅酸电池和超级电容器两者的优势:

（1）既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点，也发挥了铅酸电池的比能量优势，且拥有非常好的充放电性能。

（2）电池寿命延长。由于加了碳(石墨烯)，阻止了负极硫酸盐化现象，改善了过去电池失效的一个因素，延长了电池寿命。

（3）度电成本下降。铅炭电池的度电成本可低至0.5元/kWh，在规模化生产的基础上，铅炭电池甚至有望将度电成本降至0.4元以下。

铅炭电池是铅酸蓄电池领域的技术，也是新能源储能行业的发展重点，具有非常广阔的应用前景。广泛应用于光伏电站储能、风电储能和电网调峰等储能领域。