储能是全球经济的重要组成部分,因为它能按需释放电能。
电池在19世纪初就已问世,当时在发电机和电网系统发展之前,它们是主要的电力来源。电池技术的改进推动了电报、电话的使用,最终催生了便携式电脑、手机、电动汽车和许多其他电子设备。
在过去几个世纪,尤其是近几十年,电池在存储容量、效率和可用尺寸方面取得了巨大进步。
除了移动设备和物料搬运设备外,住宅、商业和工业应用中的储能是推动电池需求不断增长的关键因素之一。
如今,家庭和商业储能中最常用的两种电池类型是铅酸电池和磷酸铁锂电池。
SLA 与 LFP 电池对比
锂是元素周期表中具有优异电化学特性的元素。它是最轻的金属之一,其特性之一是在占用小体积的同时能产生相对较高的电压。锂电池比铅酸电池能以更快的速度充放电。
密封铅酸(SLA)电池因其低成本一直主导市场。磷酸铁锂(LFP)电池在过去十年日益流行,铅酸和磷酸铁锂已成为住宅和商业储能应用中的主流电池。
除了化学组成不同外,SLA和LFP电池在拥有成本和性能方面也存在差异。
SLA (密封铅酸)电池
铅酸电池已有100多年历史。它们是单位能量或每瓦时(Wh)成本最低的电池之一。铅酸电池主要生产两种类型:FLA(富液式铅酸)和SLA(密封铅酸)。SLA电池通常被称为VRLA(阀控式铅酸)或AGM(吸附式玻璃纤维隔板)电池。
SLA电池有两种基本配置:AGM(吸附式玻璃纤维隔板)和胶体。胶体电池的充放电速率低于AGM电池,因此需要更长的充电时间,且无法提供与同类AGM电池相同的高输出功率。这两种SLA电池类型几乎不需要维护,且防泄漏。与需要直立安装的FLA(富液式)电池不同,SLA电池几乎可以在任何位置工作。
LFP (磷酸铁锂)电池
LiFePO4是一种天然存在的矿物。磷酸铁锂电池(LFP)属于锂离子电池家族,于20世纪90年代由德克萨斯大学约翰·B·古迪纳夫研究团队发现,他们将其用作正极材料,同时利用锂离子在电极间的迁移特性。
由于其低成本、无毒、铁元素的天然丰度、优异的热稳定性、安全特性及电化学性能,这类电池自问世以来已获得显著的市场认可。这类电池自20世纪90年代末开始商业化供应。
电池特性与性能要素
能效
电池效率是选型时的重要指标。可充电电池在充电时吸收能量,放电时释放能量,过程中存在一定损耗。部分能量损耗源于电化学转换过程,部分则来自电池内阻。
电池整体能效是充电输入能量与放电可提取能量的比值。
铅酸电池充电效率为85%-90%,同规格LFP电池可达92%-100%(视充电速率而定)。充电速率越快,电池效率越低(与化学体系无关)。
铅酸电池放电效率为50%-99%,同规格LFP电池可达92%-100%(视放电速率而定)。放电速率越快,电池效率越低(与化学体系无关)。
铅酸电池典型综合能效(充放电效率合计)约70%,而LFP电池可达95%左右。
高效电池充电速度更快。对于已安装的太阳能系统,这意味着可减少太阳能板数量、缩小备用发电机规格并降低电池容量需求。
放电深度(DoD)
电池放电深度指可安全消耗能量的百分比,即电池在需要充电前可安全释放的总容量比例。
铅酸电池与LFP电池均可100%深度放电。放电深度越高,电池寿命越短(与化学体系无关)。
例如在典型50%放电深度应用中,铅酸电池可循环约500次,LFP电池可达近3500次
充放电速率
电池充放电速率由C-rate决定。
电池容量通常以1C标定,即标称1Ah的满电电池应以1A电流放电一小时。同一电池以C/2(0.5C)放电时,应能提供0.5A电流持续两小时;而以2C放电时,则能提供2A电流持续半小时。同一电池若采用0.5C(或C/2)充电速率,理论上需用0.5A充电电流两小时才能充满。
SLA电池可安全承受最高0.3C充电速率,但其常规充电速率为0.1C。常规LFP电池充电速率为1C,峰值充电速率可达10C。
得益于高C倍率充电能力和充电效率,LFP电池可在不到一小时内充满,而典型SLA电池需超过10小时才能充满。
容量、能量密度与比能量
容量或标称容量(特定C倍率下的安时数)是指电池以特定放电电流(以C倍率表示)从100%充电状态放电至截止电压时,可提供的总安时数。容量通过放电电流(安培)乘以放电时间(小时)计算,并随C倍率增加而降低。
能量密度(Wh/L)是单位体积的标称电池能量,亦称体积能量密度。比能量是电池化学体系与封装结构的特性指标。高能量密度电池比低能量密度电池占用更小体积。高能量密度电池重量更轻,因此同等LFP电池可比SLA电池减少70%体积。SLA平均能量密度为80Wh/L,而LFP为250Wh/L。
比能量(Wh/kg)是单位质量的标称电池能量,亦称质量能量密度。比能量是电池化学体系与封装结构的特性指标。高比能量电池重量更轻,因此同等LFP电池比SLA电池轻55%。SLA平均比能量为45Wh/kg,LFP为140Wh/kg。
持有成本
SLA电池初始成本虽低于同类LFP电池,但使用寿命短得多,因此更换频率远高于LFP电池。
所有类型可充电电池都会随时间老化并损失原始容量。可充电电池寿命以充放电循环次数衡量。通常,循环寿命是指电池在原始容量降至80%前可支持的完整充放电循环次数。此时电池性能已明显下降。
SLA与LFP电池的循环寿命差异显著。对比而言,典型SLA电池在80%放电深度下循环不足300次即会容量衰减至80%以下,而LFP电池在相同条件下可循环超过2000次。
磷酸铁锂(LFP)电池相比密封铅酸(SLA)电池具有更低的长期使用成本。当前LFP电池的初始购置成本约为同类SLA电池的3.5倍,但其循环寿命可达7倍。
安全性
SLA和LFP电池均设计为使用安全且对环境无害。但两种电池都可能因内部过热导致电解液泄漏。
LFP电池可能出现内部单体过热现象。通过内置保护装置采取重要措施,在发生过热时切断电池与充电系统或负载的连接。LFP电池具备过充、过流和短路保护等内置安全特性,本质安全性优于SLA电池。
环境保护
SLA电池环保性不如LFP电池,因其含大量对环境和人体危害极大的铅。
同等规格下SLA电池原材料用量更大,在原料加工环节对环境冲击更显著。铅材料加工过程能耗远高于LFP电池所用材料。
因此LFP电池碳足迹更小,所含材料可循环利用/回收且不损害环境。
如今SLA电池回收计划使其环保性较过去有所提升。
何时选用 SLA 与 LFP 电池?
商用及家用电池备份系统是传统电动/汽油备用发电机的高性价比替代方案。
SLA电池非常适合低频备用场景,如消防报警系统、离网太阳能、UPS等。SLA电池作为房车、船舶、污水泵等备用电源表现优异,这些设备多数时间处于待机状态。
磷酸铁锂(LFP)电池相较密封铅酸(SLA)电池具备诸多优势。LFP电池寿命可达同类SLA电池7倍,且能效更高、更环保。LFP电池支持快速充电,且放电深度大于SLA电池。LFP电池重量仅为同类SLA电池的45%。
LFP电池的快充能力、轻量化及长寿命特性,使其成为仓储机器人、AGV/UGV、物料搬运设备、洗地机、轮椅、代步车等移动应用的理想选择。
最终建议
密封铅酸(SLA)电池是成熟技术,已应用多年。它们是经济实惠的选择,前期成本低,适用于待机和轻载应用场景。
磷酸铁锂(LFP)电池相比铅酸电池(SLA)能提供更长期的低使用成本。其初始成本约为同类铅酸电池的3.5倍,但循环寿命可达7倍以上。LFP技术充放电能量效率接近100%,而铅酸电池效率不足70%。
ZEUS电池产品既生产标准规格的铅酸和磷酸铁锂电池,也支持特定应用场景的定制配置。ZEUS团队在设计评审阶段会根据用户应用场景提供专业建议。