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Comparação de baterias em sistema de armazenamento de energia
O armazenamento de energia por bateria é um armazenamento de energia química. De acordo com o tipo de bateria selecionado, pode ser dividido em bateria de chumbo-ácido, bateria de lítio, bateria de níquel-hidrogênio, bateria de fluxo líquido (bateria de vanádio), bateria de sódio-enxofre, bateria de chumbo-carbono, etc.

1. Bateria de chumbo-ácido
As baterias de chumbo-ácido incluem as coloides e as líquidas (as chamadas baterias de chumbo-ácido comuns). Esses dois tipos de baterias são utilizados de acordo com diferentes regiões. A bateria coloide possui forte resistência ao frio e sua eficiência energética operacional é muito superior à da bateria líquida em temperaturas abaixo de 15 °C, além de seu excelente desempenho de isolamento térmico.

A bateria coloidal de chumbo-ácido é um aprimoramento da bateria comum de chumbo-ácido com eletrólito líquido. O eletrólito coloidal é usado para substituir o eletrólito de ácido sulfúrico, que é superior às baterias comuns em termos de segurança, capacidade de armazenamento, desempenho de descarga e vida útil. A bateria coloidal de chumbo-ácido utiliza eletrólito em gel e não possui líquido livre em seu interior. Sob o mesmo volume, o eletrólito possui grande capacidade, alta capacidade térmica e forte capacidade de dissipação de calor, o que pode evitar o fenômeno de fuga térmica das baterias comuns. A corrosão da placa do eletrodo é fraca devido à baixa concentração de eletrólito. A concentração é uniforme e não há estratificação do eletrólito.

Uma bateria de chumbo-ácido comum é um tipo de bateria cujo eletrodo é composto principalmente de chumbo e seu óxido, e o eletrólito é uma solução de ácido sulfúrico. No estado de descarga, o principal componente do eletrodo positivo é o dióxido de chumbo, e o principal componente do eletrodo negativo é o chumbo. No estado de carga, os principais componentes dos eletrodos positivo e negativo são o sulfato de chumbo. A tensão nominal de uma bateria de chumbo-ácido de célula única é de 2,0 V, podendo ser descarregada para 1,5 V e carregada para 2,4 V. Em aplicações práticas, seis baterias de chumbo-ácido de célula única são frequentemente usadas em série para formar uma bateria de chumbo-ácido de 12 V, bem como 24 V, 36 V, 48 V, etc.

Suas vantagens incluem principalmente: vedação segura, sistema de liberação de ar, manutenção simples, longa vida útil, qualidade estável, alta confiabilidade e livre de manutenção; A desvantagem é que a poluição por chumbo é grande e a densidade de energia é baixa (ou seja, muito pesada).

2. Bateria de lítio
"Bateria de lítio" é um tipo de bateria com metal de lítio ou liga de lítio como material catódico e solução eletrolítica não aquosa. Ela é dividida em duas categorias: bateria de metal de lítio e bateria de íons de lítio.

Baterias de lítio metálico geralmente utilizam dióxido de manganês como material catódico, lítio metálico ou sua liga metálica como material catódico e utilizam solução eletrolítica não aquosa. Baterias de íons de lítio geralmente utilizam óxidos metálicos de liga de lítio como materiais catódicos, grafite como materiais catódicos e eletrólitos não aquosos. Baterias de íons de lítio não contêm lítio metálico e podem ser recarregadas. A bateria de lítio que usamos para armazenamento de energia é uma bateria de íons de lítio, também conhecida como "bateria de lítio".

As baterias de lítio utilizadas em sistemas de armazenamento de energia incluem principalmente: baterias de fosfato de ferro-lítio, baterias de lítio ternárias e baterias de manganato de lítio. A bateria única possui alta tensão, ampla faixa de temperatura de operação, alta energia específica e eficiência, além de baixa taxa de autodescarga. A segurança e a vida útil podem ser melhoradas com o uso de circuitos de proteção e equalização. Portanto, considerando as vantagens e desvantagens de diversas baterias, as baterias de lítio tornaram-se a primeira escolha para usinas de armazenamento de energia devido à sua cadeia industrial relativamente madura, segurança, confiabilidade e respeito ao meio ambiente.

Suas principais vantagens são: longa vida útil, alta densidade de energia de armazenamento, peso leve e forte adaptabilidade; as desvantagens são baixa segurança, fácil explosão, alto custo e condições limitadas de uso.

Fosfato de ferro e lítio
Bateria de fosfato de ferro-lítio refere-se à bateria de íons de lítio que utiliza fosfato de ferro-lítio como material catódico. Os materiais catódicos das baterias de íons de lítio incluem principalmente cobalto de lítio, manganato de lítio, óxido de níquel-lítio, materiais ternários, fosfato de ferro-lítio, etc. O cobalto de lítio é o material catódico utilizado pela maioria das baterias de íons de lítio.

O fosfato de ferro-lítio como material para baterias de lítio surgiu apenas nos últimos anos. Em 2005, uma bateria de fosfato de ferro-lítio de grande capacidade foi desenvolvida na China. Seu desempenho de segurança e ciclo de vida são incomparáveis ​​com outros materiais. O ciclo de vida de carga e descarga de 1C chega a 2.000 vezes. A tensão de sobrecarga de uma única bateria é de 30 V, o que a impede de queimar e não explodir em caso de perfuração. Baterias de íons de lítio de grande capacidade, feitas de materiais catódicos de fosfato de ferro-lítio, são mais fáceis de usar em série para atender às necessidades de carga e descarga frequentes de veículos elétricos.

O fosfato de ferro-lítio é uma matéria-prima atóxica, livre de poluição, segura, amplamente utilizada, barata, com longa vida útil e outras vantagens. É um material catódico ideal para baterias de íon-lítio de nova geração. A bateria de fosfato de ferro-lítio também apresenta desvantagens. Por exemplo, a densidade de compactação do material catódico de fosfato de ferro-lítio é pequena, e o volume da bateria de fosfato de ferro-lítio com capacidade equivalente é maior do que o das baterias de íon-lítio, como o cobalto de lítio, portanto, não apresenta vantagens em microbaterias.

Devido às características inerentes do fosfato de ferro-lítio, seu desempenho em baixas temperaturas é inferior ao de outros materiais catódicos, como o manganato de lítio. Em geral, para uma única célula (observe que se trata de uma única célula e não de uma bateria), o desempenho medido em baixas temperaturas da bateria pode ser ligeiramente superior.

Isso está relacionado às condições de dissipação de calor, sua taxa de retenção de capacidade é de cerca de 60 a 70% a 0 °C, 40 a 55% a -10 °C e 20 a 40% a -20 °C. Esse desempenho em baixas temperaturas obviamente não atende aos requisitos de uso da fonte de alimentação. Atualmente, alguns fabricantes têm aprimorado o desempenho em baixas temperaturas do fosfato de ferro-lítio, aprimorando o sistema eletrolítico, a fórmula do eletrodo positivo, o desempenho do material e o design da estrutura da célula.

Bateria de lítio ternária
Bateria de polímero de lítio ternária refere-se à bateria de lítio cujo cátodo é feito de manganato de lítio-níquel-cobalto (Li(NiCoMn)O2). O cátodo composto ternário é feito de sal de níquel, sal de cobalto e sal de manganês como matérias-primas. A proporção de níquel, cobalto e manganês na bateria de polímero de lítio ternária pode ser ajustada de acordo com as necessidades reais. A bateria com cátodo ternário apresenta alta segurança em comparação com a bateria de lítio-cobalto, mas sua tensão é muito baixa.

Suas principais vantagens são: bom desempenho de ciclo; a desvantagem é que seu uso é limitado. No entanto, devido ao endurecimento das políticas nacionais sobre baterias ternárias de lítio, o desenvolvimento de baterias ternárias de lítio tende a desacelerar.

Bateria de manganato de lítio
A bateria de manganato de lítio é um dos materiais catódicos de íons de lítio mais promissores. Comparado aos materiais catódicos tradicionais, como o cobalato de lítio, o manganato de lítio apresenta as vantagens de recursos ricos, baixo custo, ausência de poluição, boa segurança, bom desempenho de multiplicação, etc. É um material catódico ideal para baterias de energia. No entanto, seu baixo desempenho de ciclo e estabilidade eletroquímica limitam bastante sua industrialização. O manganato de lítio inclui principalmente manganato de lítio espinélio e manganato de lítio em camadas. O manganato de lítio espinélio possui uma estrutura estável e é de fácil produção industrial. Os produtos do mercado atual são todos dessa estrutura. O manganato de lítio espinélio pertence ao sistema cristalino cúbico, grupo espacial Fd3m, e a capacidade específica teórica é de 148 mAh/g. Devido à estrutura de túnel tridimensional, os íons de lítio podem ser desempregues reversivelmente da rede espinélio sem causar o colapso da estrutura, apresentando excelente desempenho de ampliação e estabilidade.

3. Bateria NiMH
A bateria NiMH é um tipo de bateria com bom desempenho. A substância ativa positiva da bateria de níquel-hidrogênio é Ni(OH)2 (chamada eletrodo de NiO), a substância ativa negativa é hidreto metálico, também chamado de liga de armazenamento de hidrogênio (chamada eletrodo de armazenamento de hidrogênio), e o eletrólito é uma solução de hidróxido de potássio a 6 mol/L.

A bateria de níquel-hidreto metálico é dividida em bateria de níquel-hidreto metálico de alta tensão e bateria de níquel-hidreto metálico de baixa tensão.

A bateria de níquel-hidreto metálico de baixa tensão tem as seguintes características: (1) A tensão da bateria é de 1,2 a 1,3 V, o que é equivalente à bateria de níquel-cádmio; (2) Alta densidade de energia, mais de 1,5 vezes a da bateria de níquel-cádmio; (3) Carregamento e descarregamento rápidos, bom desempenho em baixas temperaturas; (4) Selável, forte resistência à sobrecarga e descarga; (5) Nenhuma geração de cristais dendríticos, o que pode evitar curto-circuito na bateria; (6) Seguro e confiável, sem poluição ao meio ambiente, sem efeito memória, etc.

A bateria de níquel-hidrogênio de alta tensão possui as seguintes características: (1) Alta confiabilidade. Possui boa proteção contra sobrecarga e sobrecarga, suporta altas taxas de descarga e não forma dendritos. Possui boas propriedades específicas. Sua capacidade de massa específica é de 60 A · h/kg, cinco vezes maior que a de uma bateria de níquel-cádmio. (2) Longa vida útil, até milhares de vezes maior. (3) Totalmente selada, com menos manutenção. (4) Excelente desempenho em baixas temperaturas, sem alteração significativa da capacidade a -10 ℃.

As principais vantagens da bateria NiMH são: alta densidade de energia, alta velocidade de carga e descarga, peso leve, longa vida útil, sem poluição ambiental; as desvantagens são leve efeito memória, mais problemas de gerenciamento e fácil derretimento do separador de bateria única.

4. Célula de fluxo
Bateria de fluxo líquido é um novo tipo de bateria. Trata-se de uma bateria de alto desempenho que utiliza eletrólitos positivos e negativos para separar e circular separadamente. Possui características de alta capacidade, amplo campo de aplicação (ambiente) e longa vida útil. É um novo produto energético atualmente.

A bateria de fluxo líquido é geralmente usada no sistema de estação de armazenamento de energia, que consiste em unidade de pilha, solução eletrolítica e unidade de armazenamento e fornecimento de solução eletrolítica, unidade de controle e gerenciamento, etc. O núcleo é composto de uma pilha (a pilha é composta de dezenas de células para reação de oxirredução) e uma única célula para carga e descarga de acordo com requisitos específicos em série, e sua estrutura é semelhante à de uma pilha de células de combustível.

A bateria de fluxo de vanádio é um novo tipo de armazenamento de energia e equipamento de armazenamento de energia. Ela pode ser usada não apenas como um dispositivo de armazenamento de energia de suporte para processos de geração de energia solar e eólica, mas também para redução de picos de energia na rede elétrica, melhorando a estabilidade e garantindo a segurança da rede. Suas principais vantagens são: layout flexível, longa vida útil, tempos de resposta rápidos e ausência de emissões nocivas. A desvantagem é que a densidade de energia varia muito.

5. Bateria de sódio e enxofre
A bateria de sódio e enxofre é composta por polos positivo e negativo, eletrólito, diafragma e invólucro. Ao contrário das baterias secundárias comuns (baterias de chumbo-ácido, baterias de níquel-cádmio, etc.), a bateria de sódio e enxofre é composta por um eletrodo fundido e um eletrólito sólido. A substância ativa do polo negativo é o sódio metálico fundido, e a substância ativa do polo positivo é o enxofre líquido e o polissulfeto de sódio fundido. A bateria secundária possui sódio metálico como eletrodo negativo, enxofre como eletrodo positivo e um tubo cerâmico como separador de eletrólitos. Sob um certo grau de trabalho, os íons de sódio podem reagir reversivelmente com o enxofre através da membrana eletrolítica para gerar liberação e armazenamento de energia.

Como um novo tipo de fonte de energia química, esse tipo de bateria evoluiu bastante desde o seu surgimento. A bateria de sódio-enxofre é pequena em tamanho, grande em capacidade, longa vida útil e alta eficiência. É amplamente utilizada em armazenamento de energia elétrica, como em picos de energia e preenchimento de vales, fornecimento de energia de emergência e geração de energia eólica.

Suas principais vantagens são as seguintes: 1) Possui maior energia específica (ou seja, a energia elétrica efetiva por unidade de massa ou volume da bateria). Sua energia específica teórica é de 760 Wh/kg, que na verdade excede 150 Wh/kg, 3 a 4 vezes a de uma bateria de chumbo-ácido. 2) Ao mesmo tempo, pode descarregar com alta corrente e alta potência. Sua densidade de corrente de descarga pode geralmente atingir 200-300 mA/cm², e pode liberar 3 vezes sua energia inerente em um instante; 3) Alta eficiência de carga e descarga.

A bateria de sódio e enxofre também apresenta deficiências. Sua temperatura de trabalho é de 300-350 ℃, portanto, a bateria precisa ser aquecida e mantida aquecida durante a operação. No entanto, esse problema pode ser resolvido de forma eficaz com o uso da tecnologia de isolamento térmico a vácuo de alto desempenho.

6. Bateria de chumbo-carbono
A bateria de chumbo-carbono é um tipo de bateria de chumbo-ácido capacitiva, uma tecnologia desenvolvida a partir da bateria de chumbo-ácido tradicional. Ela pode aumentar significativamente a vida útil da bateria de chumbo-ácido adicionando carbono ativo ao polo negativo da bateria.

A bateria de chumbo-carbono é um novo tipo de superbateria que combina a bateria de chumbo-ácido e o supercapacitor: ela não só aproveita as vantagens da carga instantânea de alta capacidade do supercapacitor, como também aproveita a vantagem energética específica da bateria de chumbo-ácido, apresentando excelente desempenho de carga e descarga — pode ser totalmente carregada em 90 minutos (se a bateria de chumbo-ácido for carregada e descarregada dessa forma, sua vida útil será inferior a 30 vezes). Além disso, devido à adição de carbono (grafeno), o fenômeno de sulfatação do eletrodo negativo é evitado, o que reduz o fator de falha da bateria no passado e prolonga sua vida útil.

A bateria de chumbo-carbono é uma mistura de supercapacitor assimétrico e bateria de chumbo-ácido na forma de conexão paralela interna. Como um novo tipo de superbateria, a bateria de chumbo-carbono é uma combinação das tecnologias de bateria de chumbo-ácido e supercapacitor. É uma bateria de armazenamento de energia de dupla função com características capacitivas e características de bateria. Portanto, não só aproveita ao máximo as vantagens do carregamento instantâneo de energia do supercapacitor com grande capacidade, mas também aproveita ao máximo as vantagens energéticas das baterias de chumbo-ácido, que podem ser totalmente carregadas em uma hora. Tem um bom desempenho de carga e descarga. Devido ao uso da tecnologia de chumbo-carbono, o desempenho da bateria de chumbo-carbono é muito superior ao da bateria de chumbo-ácido tradicional, que pode ser usada em veículos de nova energia, como veículos elétricos híbridos, bicicletas elétricas e outros campos; Também pode ser usado no campo de novo armazenamento de energia, como geração de energia eólica e armazenamento de energia.