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Vergleich von Batterien in Energiespeichersystemen
Batteriespeicher sind chemische Energiespeicher. Sie können je nach gewähltem Batterietyp in Blei-Säure-Batterien, Lithium-Batterien, Nickel-Wasserstoff-Batterien, Flüssigkeits-Durchflussbatterien (Vanadium-Batterien), Natrium-Schwefel-Batterien, Blei-Kohlenstoff-Batterien usw. unterteilt werden.

1. Blei-Säure-Batterie
Blei-Säure-Batterien umfassen Kolloid- und Flüssigbatterien (die sogenannte gewöhnliche Blei-Säure-Batterie). Diese beiden Batterietypen werden je nach Region eingesetzt. Die Kolloidbatterie ist sehr kältebeständig und ihre Arbeitsenergieeffizienz ist bei Temperaturen unter 15 °C deutlich besser als die der Flüssigbatterie. Zudem ist ihre Wärmedämmleistung hervorragend.

Kolloidale Blei-Säure-Batterien sind eine Verbesserung gegenüber herkömmlichen Blei-Säure-Batterien mit flüssigem Elektrolyt. Der kolloidale Elektrolyt ersetzt den Schwefelsäureelektrolyten und bietet im Vergleich zu herkömmlichen Batterien bessere Sicherheit, Speicherkapazität, Entladeleistung und Lebensdauer. Kolloidale Blei-Säure-Batterien verwenden einen Gelelektrolyten und enthalten keine freie Flüssigkeit. Bei gleichem Volumen verfügt der Elektrolyt über eine hohe Kapazität, hohe Wärmekapazität und eine starke Wärmeableitung, wodurch das thermische Durchgehen herkömmlicher Batterien vermieden wird. Die Korrosion der Elektrodenplatte ist aufgrund der geringen Elektrolytkonzentration gering; die Konzentration ist gleichmäßig und es kommt zu keiner Elektrolytschichtung.

Gewöhnliche Bleiakkumulatoren bestehen hauptsächlich aus Blei und Bleioxiden. Der Elektrolyt ist eine Schwefelsäurelösung. Im entladenen Zustand besteht die positive Elektrode hauptsächlich aus Bleidioxid und die negative aus Blei. Im geladenen Zustand besteht die positive und negative Elektrode hauptsächlich aus Bleisulfat. Die Nennspannung eines einzelligen Bleiakkumulators beträgt 2,0 V. Er kann auf 1,5 V entladen und auf 2,4 V geladen werden. In der Praxis werden häufig sechs einzellige Bleiakkumulatoren in Reihe geschaltet, um einen Bleiakkumulator mit 12 V Nennspannung, aber auch mit 24 V, 36 V, 48 V usw. zu bilden.

Zu seinen Vorteilen zählen vor allem: sichere Abdichtung, Entlüftungssystem, einfache Wartung, lange Lebensdauer, stabile Qualität, hohe Zuverlässigkeit und Wartungsfreiheit; der Nachteil besteht in der hohen Bleiverschmutzung und der geringen Energiedichte (d. h. zu hohen Belastung).

2. Lithiumbatterie
Eine Lithiumbatterie ist eine Batterie mit Lithiummetall oder einer Lithiumlegierung als Kathodenmaterial und einer nichtwässrigen Elektrolytlösung. Sie wird in zwei Kategorien unterteilt: Lithiummetallbatterie und Lithiumionenbatterie.

Lithium-Metall-Batterien verwenden üblicherweise Mangandioxid als Kathodenmaterial, metallisches Lithium oder dessen Legierung als Kathodenmaterial und eine nichtwässrige Elektrolytlösung. Lithium-Ionen-Batterien verwenden üblicherweise Lithiumlegierungsmetalloxide als Kathodenmaterial, Graphit als Kathodenmaterial und nichtwässrige Elektrolyte. Lithium-Ionen-Batterien enthalten kein metallisches Lithium und sind wiederaufladbar. Die Lithiumbatterie, die wir zur Energiespeicherung verwenden, ist eine Lithium-Ionen-Batterie, die als „Lithiumbatterie“ bezeichnet wird.

Zu den in Energiespeichersystemen verwendeten Lithiumbatterien gehören hauptsächlich Lithium-Eisenphosphat-Batterien, ternäre Lithiumbatterien und Lithium-Manganat-Batterien. Die Einzelbatterie zeichnet sich durch hohe Spannung, einen breiten Betriebstemperaturbereich, hohe spezifische Energie und Effizienz sowie geringe Selbstentladung aus. Sicherheit und Lebensdauer können durch Schutz- und Ausgleichsschaltungen verbessert werden. Unter Berücksichtigung der Vor- und Nachteile verschiedener Batterien sind Lithiumbatterien aufgrund ihrer relativ ausgereiften industriellen Kette, Sicherheit, Zuverlässigkeit und Umweltfreundlichkeit die erste Wahl für Energiespeicherkraftwerke.

Seine Hauptvorteile sind: lange Lebensdauer, hohe Speicherenergiedichte, geringes Gewicht und starke Anpassungsfähigkeit; die Nachteile sind mangelnde Sicherheit, leichte Explosion, hohe Kosten und eingeschränkte Einsatzbedingungen.

Lithiumeisenphosphat
Lithium-Eisenphosphat-Batterien sind Lithium-Ionen-Batterien mit Lithium-Eisenphosphat als Kathodenmaterial. Die Kathodenmaterialien von Lithium-Ionen-Batterien umfassen hauptsächlich Lithiumcobalat, Lithiummanganat, Lithiumnickeloxid, ternäre Materialien und Lithiumeisenphosphat. Lithiumcobalat ist das Kathodenmaterial der meisten Lithium-Ionen-Batterien.

Lithiumeisenphosphat als Material für Lithiumbatterien ist erst seit wenigen Jahren verfügbar. Bereits 2005 wurde in China eine Lithiumeisenphosphatbatterie mit hoher Kapazität entwickelt. Ihre Sicherheitsleistung und Zyklenlebensdauer sind mit anderen Materialien nicht vergleichbar. Die Zyklenlebensdauer bei 1C-Laden und -Entladen beträgt 2000 Zyklen. Die Überladespannung einer einzelnen Batterie beträgt 30 V, sodass sie weder brennt noch bei einem Durchschlag explodiert. Lithiumionenbatterien mit hoher Kapazität und Lithiumeisenphosphat-Kathodenmaterial lassen sich leichter in Reihe schalten und erfüllen so die Anforderungen des häufigen Ladens und Entladens von Elektrofahrzeugen.

Lithiumeisenphosphat ist ungiftig, schadstofffrei, sicher, ein weit verbreiteter Rohstoff, günstig, langlebig und bietet weitere Vorteile. Es ist ein ideales Kathodenmaterial für Lithium-Ionen-Batterien der neuen Generation. Lithiumeisenphosphat-Batterien haben jedoch auch Nachteile. Beispielsweise ist die Stampfdichte des Kathodenmaterials aus Lithiumeisenphosphat gering, und das Volumen von Lithiumeisenphosphat-Batterien gleicher Kapazität ist größer als das von Lithium-Ionen-Batterien wie Lithiumcobalat. Daher bietet es in Mikrobatterien keine Vorteile.

Aufgrund der inhärenten Eigenschaften von Lithiumeisenphosphat ist seine Tieftemperaturleistung anderen Kathodenmaterialien wie Lithiummanganat unterlegen. Im Allgemeinen kann die gemessene Tieftemperaturleistung eines einzelnen Akkupacks (beachten Sie, dass es sich um eine einzelne Zelle und nicht um einen Akkupack handelt) etwas höher sein.

Dies hängt mit den Wärmeableitungsbedingungen zusammen. Die Kapazitätserhaltungsrate beträgt bei 0 °C etwa 60–70 %, bei -10 °C 40–55 % und bei -20 °C 20–40 %. Eine solche Leistung bei niedrigen Temperaturen kann den Anforderungen der Stromversorgung offensichtlich nicht gerecht werden. Einige Hersteller haben die Leistung von Lithiumeisenphosphat bei niedrigen Temperaturen bereits verbessert, indem sie das Elektrolytsystem, die positive Elektrodenformel, die Materialleistung und das Design der Zellstruktur verbessert haben.

Ternäre Lithiumbatterie
Ternäre Polymer-Lithiumbatterien sind Lithiumbatterien mit ternärem Lithium-Nickel-Kobalt-Manganat (Li(NiCoMn)O₂) als Kathodenmaterial. Das ternäre Verbundkathodenmaterial besteht aus Nickel-, Kobalt- und Mangansalzen. Der Nickel-, Kobalt- und Mangananteil in der ternären Polymer-Lithiumbatterie kann je nach Bedarf angepasst werden. Batterien mit ternärem Kathodenmaterial sind im Vergleich zu Lithium-Kobalt-Batterien zwar sicherer, weisen jedoch eine zu niedrige Spannung auf.

Seine Hauptvorteile sind: gute Zyklenleistung; Der Nachteil ist, dass die Verwendung begrenzt ist. Aufgrund der Verschärfung der nationalen Richtlinien für ternäre Lithiumbatterien verlangsamt sich jedoch tendenziell die Entwicklung ternärer Lithiumbatterien.

Lithium-Manganat-Batterie
Lithiummanganat-Batterien zählen zu den vielversprechendsten Lithiumionen-Kathodenmaterialien. Im Vergleich zu herkömmlichen Kathodenmaterialien wie Lithiumcobalat bietet Lithiummanganat die Vorteile reichhaltiger Ressourcen, geringer Kosten, geringer Umweltverschmutzung, hoher Sicherheit und guter Multiplikationsleistung. Es ist ein ideales Kathodenmaterial für Hochleistungsbatterien. Seine schlechte Zyklenbeständigkeit und elektrochemische Stabilität schränken seine industrielle Nutzung jedoch stark ein. Lithiummanganat umfasst hauptsächlich Spinell-Lithiummanganat und geschichtetes Lithiummanganat. Spinell-Lithiummanganat hat eine stabile Struktur und lässt sich leicht industriell produzieren. Die heutigen Marktprodukte weisen alle diese Struktur auf. Spinell-Lithiummanganat gehört zum kubischen Kristallsystem, Raumgruppe Fd3m, und die theoretische spezifische Kapazität beträgt 148 mAh/g. Aufgrund der dreidimensionalen Tunnelstruktur können Lithiumionen reversibel aus dem Spinellgitter gelöst werden, ohne dass die Struktur zusammenbricht. Dadurch weist das Material eine hervorragende Vergrößerungsleistung und Stabilität auf.

3. NiMH-Akku
NiMH-Akkus sind Akkus mit guter Leistung. Der positive Wirkstoff von Nickel-Wasserstoff-Akkus ist Ni(OH)2 (NiO-Elektrode), der negative Wirkstoff ist Metallhydrid, auch Wasserstoffspeicherlegierung genannt (Wasserstoffspeicherelektrode), und der Elektrolyt ist eine 6 mol/l Kaliumhydroxidlösung.

Nickel-Metallhydrid-Batterien werden in Hochspannungs-Nickel-Metallhydrid-Batterien und Niederspannungs-Nickel-Metallhydrid-Batterien unterteilt.

Niederspannungs-Nickel-Metallhydrid-Batterien haben die folgenden Eigenschaften: (1) Die Batteriespannung beträgt 1,2 bis 1,3 V, was einer Nickel-Cadmium-Batterie entspricht. (2) Hohe Energiedichte, mehr als 1,5-mal so hoch wie bei einer Nickel-Cadmium-Batterie. (3) Schnelles Laden und Entladen, gute Leistung bei niedrigen Temperaturen. (4) Versiegelbar, hohe Überlade- und Entladebeständigkeit. (5) Keine Bildung dendritischer Kristalle, wodurch ein Kurzschluss in der Batterie verhindert werden kann. (6) Sicher und zuverlässig, keine Umweltverschmutzung, kein Memory-Effekt usw.

Hochspannungs-Nickel-Wasserstoff-Batterien zeichnen sich durch folgende Eigenschaften aus: (1) Hohe Zuverlässigkeit. Sie bieten guten Schutz vor Überladung und Überladung, halten hohen Lade-/Entladeraten stand und bilden keine Dendriten. Sie zeichnen sich durch gute spezifische Eigenschaften aus. Ihre spezifische Kapazität beträgt 60 A·h/kg und ist damit fünfmal höher als die einer Nickel-Cadmium-Batterie. (2) Lange Zyklenlebensdauer von bis zu tausend Zyklen. (3) Vollständig versiegelt, geringer Wartungsaufwand. (4) Hervorragendes Tieftemperaturverhalten, und die Kapazität ändert sich bei -10 °C nicht signifikant.

Die Hauptvorteile von NiMH-Akkus sind: hohe Energiedichte, schnelle Lade- und Entladegeschwindigkeit, geringes Gewicht, lange Lebensdauer, keine Umweltverschmutzung; die Nachteile sind ein leichter Memory-Effekt, mehr Verwaltungsprobleme und die Möglichkeit, dass einzelne Batterieseparatoren schmelzen.

4. Durchflusszelle
Die Flüssigkeitsflussbatterie ist ein neuer Batterietyp. Sie ist eine Hochleistungsbatterie, die positive und negative Elektrolyte trennt und separat zirkuliert. Sie zeichnet sich durch hohe Kapazität, ein breites Anwendungsspektrum (Umgebung) und eine lange Lebensdauer aus. Sie ist ein neues Energieprodukt.

Flüssigkeitsdurchflussbatterien werden im Allgemeinen in Energiespeicherkraftwerkssystemen verwendet und bestehen aus einer Stapeleinheit, einer Einheit zur Speicherung und Versorgung der Elektrolytlösung sowie einer Steuer- und Verwaltungseinheit usw. Der Kern besteht aus einem Stapel (der Stapel besteht aus Dutzenden von Zellen für die Oxidations-Reduktions-Reaktion) und einer einzelnen Zelle zum Laden und Entladen entsprechend den spezifischen Anforderungen in Reihe, und seine Struktur ähnelt der eines Brennstoffzellenstapels.

Vanadium-Redox-Batterien sind ein neuartiger Energiespeicher. Sie eignen sich nicht nur als unterstützender Energiespeicher für Solar- und Windkraftanlagen, sondern auch zur Spitzenlastkappung im Stromnetz, um dessen Stabilität zu verbessern und dessen Sicherheit zu gewährleisten. Ihre Hauptvorteile sind: flexibles Layout, lange Lebensdauer, schnelle Reaktionszeiten und keine Schadstoffemissionen. Der Nachteil ist die stark schwankende Energiedichte.

5. Natrium-Schwefel-Batterie
Die Natrium-Schwefel-Batterie besteht aus Pluspol, Minuspol, Elektrolyt, Membran und Gehäuse. Im Gegensatz zu herkömmlichen Sekundärbatterien (Blei-Säure-Batterien, Nickel-Cadmium-Batterien usw.) besteht die Natrium-Schwefel-Batterie aus einer geschmolzenen Elektrode und einem festen Elektrolyten. Der Wirkstoff des Minuspols ist geschmolzenes metallisches Natrium, der des Pluspols flüssiger Schwefel und geschmolzenes Natriumpolysulfid. Die Sekundärbatterie besteht aus metallischem Natrium als Minuselektrode, Schwefel als Pluselektrode und einem Keramikrohr als Elektrolytabscheider. Unter einem bestimmten Betriebsgrad können Natriumionen durch die Elektrolytmembran reversibel mit Schwefel reagieren und so Energie freisetzen und speichern.

Als neuartige chemische Energiequelle wurde diese Batterieart seit ihrer Einführung stark weiterentwickelt. Natrium-Schwefel-Batterien sind klein, haben eine hohe Kapazität, eine lange Lebensdauer und einen hohen Wirkungsgrad. Sie werden häufig zur Speicherung elektrischer Energie eingesetzt, beispielsweise zur Spitzenlast- und Talausgleichung, zur Notstromversorgung und zur Windkrafterzeugung.

Die Hauptvorteile sind: 1) Die spezifische Energie (d. h. die effektive elektrische Energie pro Masse- oder Volumeneinheit der Batterie) ist höher. Die theoretische spezifische Energie beträgt 760 Wh/kg und liegt damit tatsächlich über 150 Wh/kg – das Drei- bis Vierfache der Leistung einer Blei-Säure-Batterie. 2) Gleichzeitig kann mit hohem Strom und hoher Leistung entladen werden. Die Entladestromdichte erreicht in der Regel 200–300 mA/cm², und die Batterie kann in einem Augenblick das Dreifache ihrer inhärenten Energie freisetzen. 3) Hohe Lade- und Entladeeffizienz.

Auch die Natrium-Schwefel-Batterie weist Nachteile auf. Ihre Betriebstemperatur beträgt 300–350 °C, daher muss die Batterie während des Betriebs erwärmt und warmgehalten werden. Dieses Problem lässt sich jedoch durch den Einsatz leistungsstarker Vakuum-Wärmedämmtechnologie effektiv lösen.

6. Blei-Kohle-Batterie
Blei-Kohlenstoff-Batterien sind kapazitive Blei-Säure-Batterien, deren Technologie aus herkömmlichen Blei-Säure-Batterien weiterentwickelt wurde. Durch die Zugabe von Aktivkohle zum Minuspol der Batterie kann deren Lebensdauer deutlich verlängert werden.

Die Blei-Kohle-Batterie ist eine neuartige Superbatterie, die Blei-Säure-Batterien und Superkondensatoren kombiniert. Sie nutzt nicht nur die Vorteile der sofortigen Aufladung großer Kapazitäten, sondern auch die spezifischen Energievorteile der Blei-Säure-Batterien und bietet eine sehr gute Lade- und Entladeleistung – sie ist in 90 Minuten vollständig aufgeladen (bei einer solchen Ladung und Entladung beträgt die Lebensdauer der Blei-Säure-Batterie weniger als das 30-Fache). Darüber hinaus wird durch die Zugabe von Kohlenstoff (Graphen) die Sulfatierung der negativen Elektrode verhindert, was einen Faktor früherer Batterieausfälle verringert und die Batterielebensdauer verlängert.

Die Blei-Kohle-Batterie ist eine Mischung aus einem asymmetrischen Superkondensator und einer Blei-Säure-Batterie in Form einer internen Parallelschaltung. Als neuer Superbatterietyp ist die Blei-Kohle-Batterie eine Kombination der Technologien von Blei-Säure-Batterie und Superkondensator. Sie ist eine Energiespeicherbatterie mit Doppelfunktion und sowohl kapazitiven als auch batterietechnischen Eigenschaften. Daher nutzt sie nicht nur die Vorteile der sofortigen Aufladung durch Superkondensatoren mit großer Kapazität voll aus, sondern auch die Energievorteile von Blei-Säure-Batterien, die in einer Stunde vollständig aufgeladen werden können. Sie verfügt über eine gute Lade- und Entladeleistung. Durch den Einsatz der Blei-Kohle-Technologie ist die Leistung der Blei-Kohle-Batterie der von herkömmlichen Blei-Säure-Batterien weit überlegen und kann in Fahrzeugen mit alternativer Energie, wie Hybridfahrzeugen, Elektrofahrrädern und anderen Bereichen, eingesetzt werden; sie kann auch im Bereich der Speicherung alternativer Energien, wie beispielsweise zur Erzeugung und Speicherung von Windkraft, verwendet werden.