一种基于熔盐电池的热电一体化储能系统及储能方法

1.本发明涉及熔盐储热及电化学储能技术领域，具体涉及一种基于熔盐电池的热电一体化储能系统及储能方法。


背景技术：

2.迫于传统化石燃料使用带来的能源危机和环境压力，以新能源发电联合储能技术构建新型电网体系对于人类社会未来可持续发展具有重大意义。在规模化储能中，成本、寿命和效率是决定储能可行性的关键因素。相比抽水蓄能等机械储能，电化学储能选址灵活，响应迅速，是当下研究和发展的热点。
3.新型的熔盐电池，得益于其独特的结构和电化学反应原理，其具有电池结构简单、储能成本低、寿命长、安全性高等优势，非常适合于规模化储能。如液态金属电池及金属-石墨电池，以碱金属或金属氯化物为负极，电负性较高的金属或石墨材料为正极，无机熔融盐为电解质，在中高温下(90-700℃)运行。因此，为保证电池稳定运行，需额外供热，这增加了能耗。此外，该类熔盐电池在运行时，由于自身电阻和电化学反应产生热量，但该部分热量并未得到收集利用，绝大部分都散失在空气中损耗了，造成了能源的浪费。


技术实现要素：

4.针对熔盐类电池在充放电过程中产生的热量大部分散失而损耗掉的问题，本发明提供一种热电一体化的储能系统及储能方法，将电池模组运行过程中产生的热量收集，一方面为其自身运行提供热量，另一方面将多余的热量输出至储热设备中备用，不仅可以实现电池的自加热，还可以同时储存热能和电能，进一步提高能源利用效率。
5.为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：
6.一种基于熔盐电池的热电一体化储能系统，包括熔盐电池储能模组、导热介质和温度管理系统；
7.熔盐电池储能模组和导热介质均位于温度管理系统中，导热介质分布在熔盐电池储能模组的周围；温度管理系统用于为熔盐电池储能模组提供运行所需的温度；
8.熔盐电池储能模组与电网和风能/太阳能发电系统连接；导热介质和储热设备通过输送管道连通。
9.进一步的，温度管理系统内包括保温层和设置在保温层中的加热元件；加热元件为熔盐电池储能模组初次启动提供热量。
10.进一步的，保温层材料为硅酸铝、高铝、氧化铝、氧化锆、多晶莫来石或纳米微孔绝热材料。
11.进一步的，熔盐电池储能模组包括液态金属电池模组或金属-石墨电池模组；熔盐电池储能模组由若干单体液态金属电池或单体金属-石墨电池连接构成。
12.进一步的，单体液态金属电池包括电池壳、负极杆、含负极金属的泡沫金属、正极金属和高温熔盐电解质；泡沫金属、正极金属和高温熔盐电解质位于电池壳内，负极金属吸
附在泡沫金属上，泡沫金属与负极杆下端相连，单体液态金属电池的运行温度为300-700℃，在该温度下，正极、负极、电解质均为液态，由于密度差异和互不相溶性，自发形成三层液态结构。
13.进一步的，高温熔盐电解质为熔点在300℃～700℃的卤化物或氢氧化物混合无机熔融盐。
14.进一步的，单体金属-石墨电池包括电池壳体、极柱和位于电池壳体内的负极、隔膜、石墨材料正极和中低温熔盐电解质；负极、石墨材料正极均与极柱连接，隔膜放置于负极和石墨材料正极之间，隔膜面积大于负极和石墨材料正极的面积。
15.进一步的，中低温熔盐电解质为熔点在90℃-150℃的卤化物混合无机熔融盐。
16.一种基于熔盐电池的热电一体化储能方法，风能/太阳能发电系统在发电高峰期时将多余的电力输入熔盐电池储能模组实现储电，储存的电力通过电网输出至用户端；温度管理系统中的加热元件为熔盐电池储能模组的中/高温运行初次启动稳定化提供热量；熔盐电池储能模组四周分布的导热介质，外部配有保温层；电池模组在大电流下运行时，自身电阻产出一部分热量以及充放电反应中产生化学热，一方面供电池模组在一定温度下正常运行，实现电池自加热；另一方面，导热介质能够收集熔盐电池储能模组运行过程中产生的多余的热量储存至储热设备，实现储热。
17.与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：
18.本发明提出的基于熔盐电池的热电一体化储能系统，凭借熔盐电池储能模组自身采用的中高温熔盐优异的传热储热特性，通过在其周围布置导热介质及温度管理系统，能够为熔盐电池储能模组初次启动提供热量，并收集电池模组运行过程中产生的热量。在温度管理系统的保温作用下，这些热量能保证电池模组的稳定运行，实现电池模组自加热，不需要额外供热，节省了能源。另一方面，多余的热量通过输送管道进行储备，可供其他用途，从而实现热电一体化，减少弃电弃热，提高能源使用效率。
19.本发明提出的基于熔盐电池的热电一体化储能系统能及时将电池模组运行过程中产生的多余热量导出电池模组外，避免电池模组热失控，提高了系统的安全性，有助于能源转型及液态金属电池等熔盐类电池的实际应用，对于实现储能高安全性具有重大意义。
20.本发明所述的方法，利用清洁能源和熔盐电池储能模组实现储电，同时温度管理系统中的加热元件为熔盐电池储能模组的中/高温运行初次启动稳定化提供热量；熔盐电池储能模组四周分布的导热介质，外部配有保温层；电池模组在大电流下运行时，自身电阻产出一部分热量以及充放电反应中产生化学热，一方面供电池模组在一定温度下正常运行，实现电池自加热；另一方面，导热介质能够收集熔盐电池储能模组运行过程中产生的多余的热量储存至储热设备，实现储热，提高能源使用效率。
附图说明
21.图1是本发明所述基于熔盐电池的热电一体化储能系统的实现原理结构图；
22.图2是本发明所述熔盐电池储能模组及温度管理系统示意图；
23.图3是本发明单体液态金属电池结构示意图；
24.图4是本发明单体金属-石墨电池结构示意图；
25.附图中：1-风能/太阳能发电系统、2-dc/ac转换器、3-熔盐电池储能模组、4-导热
介质、5-温度管理系统、6-电网、7-用户端、8-油泵、9-输送管道、10-储热设备、11-液态金属电池的壳体、12-负极密封绝缘件、13-正极金属、14-高温熔盐电解质、15-泡沫金属(负极集流器)、16-金属-石墨电池的电池壳、17-金属/金属氯化物负极、18-隔膜、19-石墨材料正极、20-中低温熔盐电解质(《300℃)、21-极柱。
具体实施方式
26.无机熔融盐类电池采用无机熔融盐为电解质，熔盐具有高沸点、低粘度、低蒸汽压力和高体积热的特点，是一种优良的传热储热介质。因此，结合太阳能发电、熔盐电池储能模组、及传热储热系统，可实现热电一体化储能，不仅能够充分利用熔盐电池产生的焦耳热和化学热，实现电池自加热，多余的热量还可以回收再利用，还可以配属风力或光伏发电站，或作为电网削峰填谷、调频调压的主要蓄电调节装置。借助熔盐电池的储热特性实现储热储电一体化为开发新一代低成本、长寿命、高安全性储能系统开辟了新思路。
27.参照图1，基于熔盐电池的热电一体化储能系统，包括太阳能风能/太阳能发电系统1、dc/ac转换器2、熔盐电池储能模组3、导热介质4、温度管理系统5、电网6以及储热设备10。
28.参照图2，熔盐电池储能模组3、导热介质4和温度管理系统5组成熔盐电池储能系统。温度管理系统5包括加热元件和保温层，加热元件可选择电加热丝，均匀布置于保温层中。
29.太阳能风能/太阳能发电系统1通过dc/ac转换器2与熔盐电池储能模组3连接，熔盐电池储能模组3通过dc/ac转换器与电网6相接，向用户端7供电。温度管理系统5中的加热元件为熔盐电池储能模组3的初次启动提供热量，温度管理系统5中的保温层使得电池模组在一定温度下运行；熔盐电池储能模组3和导热介质4位于温度管理系统5中，熔盐电池储能模组3外设置有沿熔盐电池储能模组3外壁布置的导热管，导热管中填充有导热介质4，使导热介质4分布在熔盐电池储能模组四周，使得热量均匀分布。熔盐电池储能模组大电流下运行时，一方面由于电池模组自身存在电阻，会产生部分热量；另一方面，电池进行充放电反应时会产生化学热。由于其自身熔融盐电解质具有储热传热特性，联合所述导热介质4和温度管理系统5，能够维持其运行温度，可实现模组自加热。输送管道9一端连接导热介质4，另一端连接储热设备10；输送管道9上安装有油泵8，通过油泵8驱动导热介质将多余热量输出至所述储热设备10中，构成热电一体化储能系统。导热介质4作为传热介质还能吸收熔盐电池储能模组3运行过程中产生的多余热量，并在输油泵8的驱动下通过输送管道9输出至储热设备10中，实现储热储电一体化，提高能源利用效率。
30.优选的，温度管理系统5的保温层材质可选硅酸铝、高铝、氧化铝、氧化锆、多晶莫来石或纳米微孔绝热材料等。
31.优选的，熔盐电池储能模组可为液态金属电池模组或金属-石墨电池模组；熔盐电池储能模组由对应一定数量的单体液态金属电池或单体金属-石墨电池按顺序排列，通过串联、并联或串并联结合的方式连接构成。
32.参照图3，单体液态金属电池包括电池壳11、负极杆12、含有负极金属的泡沫金属15、正极金属13、和高温熔盐电解质14。熔盐电解质14为熔点在300℃～700℃的无机盐，具体为卤素元素和碱金属或碱土金属组成的熔融盐的至少两种的混合物；例如lif、licl和
libr组成的熔融盐，或licl、nacl和cacl2组成的熔融盐。
33.正极金属13、熔盐电解质14和泡沫金属15均位于电池壳11内，正极金属13位于电池壳11底部，且与电池壳11相接触，负极金属吸附在泡沫金属15中，泡沫金属15与负极杆12下端相连，负极杆12下端上端伸出电池壳11。电池的运行温度为300℃-700℃，在该温度下，正极、负极、电解质均为液态，自发形成三层液态结构。液态金属电池外形可为方形、圆柱形、六边形等。
34.优选的，液态金属电池壳11采用304、316、430或301不锈钢，易加工成型，且耐高温腐蚀。
35.优选的，负极杆12包括杆部和密封件，密封件与杆部通过钎焊连接。杆部由不锈钢制成，密封件由密封绝缘陶瓷材料制成，具有良好的密封性和耐腐蚀性。
36.优选的，泡沫金属15采用泡沫铁、泡沫镍或泡沫铁镍，与负极金属润湿性较好，吸附力强。
37.参照图4，单体金属-石墨电池包括电池壳16、负极17、隔膜18、石墨材料正极19、中低温熔盐电解质20和极柱21。负极17为金属/金属卤化物(如ni/nicl2、fe/fecl2)，中低温熔盐电解质20为alcl3、nacl、kcl和licl混合盐，其熔点低于300℃。电池的运行温度为90-150℃，运行时电解质为液相。金属-石墨电池结构可为软包型、方形等。
38.负极17、隔膜18、正极19和中低温熔盐电解质20均位于电池壳16中，负极17、正极19与极柱均采用螺母压紧连接，隔膜18放置于负极17与正极19之间，且其面积大于负极17与正极19的面积，保证将正极与负极隔开避免电池短路。
39.优选的，电池壳16采用聚四氟乙烯、聚苯乙烯，其在运行温度下不与熔盐电解质20反应。
40.优选的，隔膜18采用玻璃纤维，其在运行温度下不与所选熔盐电解质20反应。
41.优选的，石墨材料正极19可采用石墨纸、石墨烯或膨胀石墨，价格便宜。
42.优选的，极柱21采用钼棒或不锈钢棒，其性能稳定，不影响电池的充放电反应。
43.优选的，熔盐电解质为比热容较大(～1.5j g-1
k-1
)的卤化物或氢氧化物，在电池运行过程中，能够传热储热，维持电池正常运行，由licl、lif、libr、cacl2、alcl3、nacl、kcl、naoh等金属卤化物或氢氧化物盐中的两种或多种混合而成。对于液态金属电池而言，常用熔盐体系有lif-licl-libr(9.6：22：68.4wt％，tm＝443℃)、licl-nacl-cacl2(23.1：21.92：54.98wt％，tm＝457℃)等；对于金属-石墨电池体系，常用熔盐体系有alcl
3-nacl-kcl-licl(61：10：15：14mol％，tm＝75℃)等。
44.结合以下实施例，详述本发明提出的储热储电一体化储能系统应用场景，即储能方法。
45.太阳能风能/太阳能发电系统通过dc/ac转换器与熔盐电池(液态金属电池/金属-石墨电池)储能模组相接，在发电高峰期时将多余的电力输入熔盐电池储能模组，实现储电。储存的电力可输出至电网，满足用户端，如偏远边防哨所、农村地区等的日常用电需求。熔盐电池(液态金属电池/金属-石墨电池)储能模组，其四周分布有导热介质，外部配有温度管理系统。电池模组在大电流下运行时，由于自身电阻产出一部分热量以及充放电反应中产生化学热，其内部熔融盐电解质具有储热传热特性，在导热介质及温度管理系统的作用下能够收集上述焦耳热和化学热，一方面供电池模组在一定温度下正常运行，实现电池
自加热。另一方面，导热介质能够收集熔盐电池储能模组运行过程中产生的多余的热量，在油泵驱动下通过输送管道储存至储热设备，如水、石蜡、熔盐或液态金属储热罐等实现储热。该部分热量储存后可为集中供热不能覆盖的偏僻农村等地区供热，或与其他能源系统联合运行，提高的能源使用效率。
46.以上所述实例仅仅是为了清晰的说明本发明，不用于限制本发明。应当说明，本发明对所属技术领域的人员来说，还可本发明所述原理基础上做出相似的替换、变动，此处无法对所有实施方式一一列举，因此在本发明基础上明显的改动或变化仍处于本发明保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于熔盐电池的热电一体化储能系统，其特征在于，包括熔盐电池储能模组(3)、导热介质(4)和温度管理系统(5)；所述熔盐电池储能模组(3)和导热介质(4)均位于温度管理系统(5)中，导热介质(5)分布在熔盐电池储能模组(4)的周围；所述温度管理系统(6)用于为熔盐电池储能模组(4)提供运行所需的温度；所述熔盐电池储能模组(3)与电网(6)和风能/太阳能发电系统连接；所述导热介质(5)和储热设备(11)通过输送管道(9)连通。2.根据权利要求1所述的一种基于熔盐电池的热电一体化储能系统，其特征在于，所述温度管理系统(5)内包括保温层和设置在保温层中的加热元件；所述加热元件为熔盐电池储能模组(4)初次启动提供热量。3.根据权利要求2所述的一种基于熔盐电池的热电一体化储能系统，其特征在于，所述保温层材料为硅酸铝、高铝、氧化铝、氧化锆、多晶莫来石或纳米微孔绝热材料。4.根据权利要求1所述的一种基于熔盐电池的热电一体化储能系统，其特征在于，所述熔盐电池储能模组(3)包括液态金属电池模组或金属-石墨电池模组；所述熔盐电池储能模组由若干单体液态金属电池或单体金属-石墨电池连接构成。5.根据权利要求4所述的一种基于熔盐电池的热电一体化储能系统，其特征在于，所述单体液态金属电池包括电池壳(11)、负极杆(12)、含负极金属的泡沫金属(15)、正极金属(13)和高温熔盐电解质(14)；所述泡沫金属(15)、正极金属(13)和高温熔盐电解质(14)位于电池壳(11)内，负极金属吸附在泡沫金属(15)上，泡沫金属(15)与负极杆(12)下端相连，单体液态金属电池的运行温度为300-700℃，在该温度下，正极、负极、电解质均为液态，由于密度差异和互不相溶性，自发形成三层液态结构。6.根据权利要求5所述的一种基于熔盐电池的热电一体化储能系统，其特征在于，所述高温熔盐电解质(14)为熔点在300℃～700℃的卤化物或氢氧化物混合无机熔融盐。7.根据权利要求4所述的一种基于熔盐电池的热电一体化储能系统，其特征在于，所述单体金属-石墨电池包括电池壳体(16)、极柱(21)和位于电池壳体(16)内的负极(17)、隔膜(18)、石墨材料正极(19)和中低温熔盐电解质(20)；所述负极(17)、石墨材料正极(19)均与极柱(21)连接，所述隔膜(18)放置于负极(17)和石墨材料正极(19)之间，所述隔膜(18)面积大于负极(18)和石墨材料正极(19)的面积。8.根据权利要求7所述的一种基于熔盐电池的热电一体化储能系统，其特征在于，中低温熔盐电解质(20)为熔点在90℃-150℃的卤化物混合无机熔融盐。9.一种基于熔盐电池的热电一体化储能方法，其特征在于，风能/太阳能发电系统(1)在发电高峰期时将多余的电力输入熔盐电池储能模组(3)实现储电，储存的电力通过电网(6)输出至用户端(7)；温度管理系统(5)中的加热元件为熔盐电池储能模组的中/高温运行初次启动稳定化提供热量；熔盐电池储能模组四周分布的导热介质(4)，外部配有保温层；电池模组在大电流下运行时，自身电阻产出一部分热量以及充放电反应中产生化学热，一方面供电池模组在一定温度下正常运行，实现电池自加热；另一方面，导热介质(4)能够收集熔盐电池储能模组运行过程中产生的多余的热量储存至储热设备(10)，实现储热。

技术总结
本发明公开了一种基于熔盐电池的热电一体化储能系统及储能方法，包括太阳能风能/太阳能发电系统、熔盐电池储能模组、导热介质、温度管理系统和储热设备。联合太阳能风能/太阳能发电系统、熔盐电池储能模组、电网及用户端，在发电高峰期时储电；温度管理系统为熔盐电池储能模组的中/高温运行提供初次启动热量。在电池模组运行时，由于其自身熔融盐电解质具有储热传热特性，联合导热介质和温度管理系统，能够维持其运行温度，实现自加热。导热介质还能够吸收熔盐电池储能模组运行过程中产生的多余反应热，收集至储热设备中备用。本发明一方面提高了能源的使用效率，另一方面避免电池模组出现热失控，提高了系统的安全性。提高了系统的安全性。提高了系统的安全性。


技术研发人员：宁晓辉 周妍
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.22
技术公布日：2023/7/27