铅炭电池的优缺点

在电网规模储能应用和混合动力汽车等领域，通常电池需要在高电流密度条件下循环，即高倍率充放电操作，使得铅酸电池常常由于负极硫酸盐化而失效，从而极大地影响铅酸电池的使用寿命。而铅炭电池就是在传统铅酸电池的基础上加入碳，极大地提高了铅酸电池的寿命。

铅炭电池性能

铅炭电池充电时间为铅酸电池的八分之一，循环寿命为铅酸电池的四倍以上，与锂电池相比，也具有低温性能好、成本低、生产及回收工艺成熟等优势，倍率性能也大大提高，铅炭电池在储能领域的产业化应用已经开始走向成熟。

中国科学院院士杨裕生认为凭借低成本、安全、原料易得、可靠、产业化技术成熟等显着优势，铅炭电池已经成功应用于城市微电网、风光储能电站、风电路灯等系统，还能为各种电动汽车提供动能，是符合我国产业布局和制造水平的一种储能电池。

铅炭电池的构成

铅炭电池是一种特殊的电容型铅酸电池，传统的铅酸蓄电池单体是由一个二氧化铅正极板和一个海绵状铅负极板组成，而不对称超级电容器则是由二氧化铅正极板和碳负极板组成。由于二者有共同的正极板，因此可以将二者复合在同一电池体系内，即形成所谓的铅炭电池。图1展示了从传统铅酸电池到铅炭电池两者结构上的发展与变化。

从图1可以看出，相比于传统铅酸电池，铅炭电池在负极加入了碳材料。碳材料的加入加速了转化过程中活性物质的转化，活性炭表面形成了新的活性中心，降低了极板充电过程中的极化，并抑制硫酸铅颗粒长大，有利于硫酸铅的还原。所以在铅酸蓄电池中加入适量的碳能够有效抑制硫酸铅晶体在负极表面的积累，减缓硫酸盐化的趋势，使得电池循环的寿命显著增加。

同时，与在高倍率充放电过程中，超级电容器能够快速提供和吸收电荷，发挥缓冲器的作用。因此与超级电容器的配合提高了电池的功率，延长了电池循环寿命。

储能系统构成

储能系统中，除了电池的应用以外，还涉及到了电池管理系统（BMS）以及过程控制系统（pCS）等。BMS主要用于估测动力电池组的荷电状态，即电池剩余电量；在电池充放电过程中进行动态监测等，是电池能量管理系统中的一项关键技术。图2展示了储能电站运营管理系统的示意图。

当储能电站配合光伏并网发电时，光伏组件首先利用太阳能电池板的光伏效应将光能转换为电能，之后对电池组进行充电，通过逆变器将直流电转换为交流电对负载进行供电；BMS根据日照强度与负载的变化，实时调节蓄电池组的充放电状态，使整个系统保持了连续性和稳定性。

电池组在整个储能系统中起到了能量调节和平衡负载的重大作用。它在用电低谷时将电能转化为化学能储存起来，以备供电不足时使用。而铅炭电池本身更好的充放电接收能力（100%深度放电后，以2.35V/单位恒压限流0.15C10（A）充电10小时，充电量在放出电量的98%以上）；极低的自放电；以及70%DOD预期循环寿命4000次、可回收的特性，使得铅炭电池相对于储能系统相比于传统的铅酸电池更具有优势。

铅炭电池成本分析

由第一部分分析可知，铅炭电池是由传统的铅酸电池与超级电容器结合产生的新型铅酸电池，另外，在实践中，由于因此铅炭电池的成本与价格受到一系列要素价格的影响，包括：活性炭价格与供给量、铅价格波动、电容器价格以及其他因素例如添加剂石墨烯等。

从图4中可以看到，2016年下半年，活性炭价格先有一个明显下跌，之后缓慢回升。此系列的上一篇报告中分析可以知道，近些年来铅资源的价格大体呈先较为稳定的状态，但在近半年价格有一定幅度的提升，具体走势图见图5。

从各项原材料影响程度来看，理论上铅炭电池价格很大程度是由铅价格来决定的，对于铅的需求弹性较小，铅价的波动很可能造成铅炭电池成本的增加。但另一方面，通常公司对下游客户存在价格联动，有时间差，所以铅价的波动也有可能给双方带来盈利。至于导电性、延展性能都很好的石墨烯，相比于活性炭而言，由于其高昂的价格，使得铅炭电池目前对于石墨烯的需求弹性较大，在加工过程中，更为普遍的做法是加入一定量的活性炭来对传统铅酸电池性能进行改善。

应用

由于使用了铅炭技术，铅炭电池的性能远远优于传统的铅酸蓄电池，同时又具有与传统铅酸电池相近的低廉价格优势及成熟的工业制造基础，在各种应用领域有着极强的竞争力优势。

对比

在目前的储能领域中，运用和关注度较广的化学储能方式除了铅炭电池外，还有锂离子电池。除此以外，抽水储能是当今世界上运用最广、技术最成熟的一种物理储能方式。接下来对这三种储能方式进行对比分析。

铅碳电池

由于铅炭电池是在传统的铅酸电池上发展起来的，它具有很多优势：一是充电快，提高8倍充电速度；二是放电功率提高了3倍；三是循环寿命提高到6倍，循环充电次数达2000次；四是性价比高，比铅酸电池的售价有所提高，但循环使用的寿命大大提高了；五是使用安全稳定，可广泛地应用在各种新能源及节能领域。随着产量增高，铅炭电池的成本随着规模效应提升而进一步下降，未来的应用前景更加广阔。

锂离子电池

与铅炭电池相对应的另一种化学储能方式就是锂离子电池。锂离子电池具有能量密度大，循环寿命长，自放电率低且环保等优点，主要应用于现今笔记本和手机两大产业。由于其自身的优势，锂离子电池同样也是未来大规模储能系统的一个理想选择。

在未来的应用中，锂离子电池在安全性、循环寿命、成本和工作温度范围方面仍然存在问题。与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退，与使用次数有关，也与温度有关。这种衰退的现象可以用容量减小表示，也可以用内阻升高表示。

尽管随着动力电池应用的推广，锂电池技术、成本都有很大提升，但是目前锂电池成本仍然是铅炭电池的3倍以上。在储能领域，除了高端数据中心及对储能电池重量有严格限制的使用场景外，目前运用锂电池进行储能的商业项目非常少。

抽水储能

抽水储能是当今世界上运用率最广，技术最成熟的一种储能方式，它属于物理储能。抽水储能是在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库时将电能转化成重力势能储存起来的形式，综合效率在70%到85%之间，应用在电力系统的调峰填谷、调频、调相、紧急事故备用等。但抽水储能的建立很大程度上得依靠地理位置的选择，因此，使其在未来进一步的发展应用中受到了一定的限制。

储能管理平台构想

一个12MWh的储能电站，每天谷电时间充电8小时，充放电深度按照80%计算，平均日充电量为9300kWh，累计充放电维持平稳。峰电时期放电8小时，平均日放电量为8400kWh，充放电效率达到90.51%，财务上按照85%计算。峰时电价1.05分，谷时电价0.31元，每天收益5938.03元，每年按照360天计算，年收益为2，137，691元。

实际运行的数据全面达到了设计数据标准，目前储能电池放电深度为70%，但电池完全可以满足80%DOD运行，按此计算，每天谷电时期充电8小时，平均日充电量为10666.7kWh；峰电时期放电8小时，平均日放电量为9600kWh；充放电效率为90%。结合现有峰谷电价差，平均每天收益约为6773.33元，比70%充放电，收益提高了14%；按照每年运行360天计算，年收益约为243.84万元，收益提高14%。

预期的收益提高，主要是充放电效率的提升。充电次数目前在6000次内，无明显衰减，70%的DOD已经考虑到衰减的可能性，未来缩小了之后仍然未达到极限。80%为寿命终止，满足国际标准。