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Comparación de baterías en sistemas de almacenamiento de energía
El almacenamiento de energía por tipo de batería es el almacenamiento de energía química. Se puede clasificar en baterías de plomo-ácido, baterías de litio, baterías de níquel-hidrógeno, baterías de flujo líquido (baterías de vanadio), baterías de sodio-azufre, baterías de plomo-carbono, etc., según el tipo de batería seleccionado.

1. Batería de plomo-ácido
Las baterías de plomo-ácido incluyen las coloidales y las líquidas (las llamadas baterías de plomo-ácido convencionales). Estos dos tipos de baterías se utilizan según la región. La batería coloidal posee una alta resistencia al frío, su eficiencia energética es mucho mejor que la de la batería líquida a temperaturas inferiores a 15 °C y su aislamiento térmico es excelente.

La batería coloidal de plomo-ácido es una mejora de la batería común de plomo-ácido con electrolito líquido. El electrolito coloidal sustituye al electrolito de ácido sulfúrico, lo que mejora la seguridad, la capacidad de almacenamiento, el rendimiento de descarga y la vida útil de la batería común. La batería coloidal de plomo-ácido utiliza un electrolito en gel, sin líquido libre en su interior. Con el mismo volumen, el electrolito presenta gran capacidad, gran capacidad térmica y una gran capacidad de disipación térmica, lo que evita el fenómeno de fuga térmica de las baterías comunes. La corrosión de la placa del electrodo es débil debido a la baja concentración de electrolito; la concentración es uniforme y no se produce estratificación del electrolito.

Una batería de plomo-ácido común es un tipo de batería cuyo electrodo está compuesto principalmente de plomo y su óxido, y el electrolito es una solución de ácido sulfúrico. En estado de descarga, el componente principal del electrodo positivo es dióxido de plomo y el componente principal del electrodo negativo es plomo; en estado de carga, los componentes principales de los electrodos positivo y negativo son sulfato de plomo. El voltaje nominal de una batería de plomo-ácido de una sola celda es de 2,0 V, que puede descargarse a 1,5 V y cargarse a 2,4 V. En la práctica, se suelen utilizar seis baterías de plomo-ácido de una sola celda en serie para formar una batería de plomo-ácido de 12 V nominales, así como de 24 V, 36 V, 48 V, etc.

Sus ventajas incluyen principalmente: sellado seguro, sistema de liberación de aire, mantenimiento simple, larga vida útil, calidad estable, alta confiabilidad y libre de mantenimiento; La desventaja es que la contaminación por plomo es grande y la densidad de energía es baja (es decir, demasiado pesada).

2. Batería de litio
Una batería de litio es un tipo de batería con litio metálico o aleación de litio como material catódico y una solución electrolítica no acuosa. Se divide en dos categorías: batería de litio metálico y batería de iones de litio.

Las baterías de metal de litio generalmente utilizan dióxido de manganeso como material catódico, litio metálico o su aleación como material catódico, y una solución electrolítica no acuosa. Las baterías de iones de litio generalmente utilizan óxidos metálicos de aleación de litio como materiales catódicos, grafito como material catódico y electrolitos no acuosos. Las baterías de iones de litio no contienen litio metálico y son recargables. La batería de litio que utilizamos para el almacenamiento de energía es una batería de iones de litio, conocida como "batería de litio".

Las baterías de litio utilizadas en sistemas de almacenamiento de energía incluyen principalmente: baterías de fosfato de hierro y litio, baterías ternarias de litio y baterías de manganato de litio. La batería individual ofrece alto voltaje, amplio rango de temperatura de funcionamiento, alta energía específica y eficiencia, y baja tasa de autodescarga. La seguridad y la vida útil se pueden mejorar mediante el uso de circuitos de protección y ecualización. Por lo tanto, considerando las ventajas y desventajas de las diversas baterías, las baterías de litio se han convertido en la opción preferida para las centrales eléctricas de almacenamiento de energía debido a su cadena industrial relativamente madura, seguridad, confiabilidad y respeto al medio ambiente.

Sus principales ventajas son: larga vida útil, alta densidad de energía de almacenamiento, peso ligero y fuerte adaptabilidad; las desventajas son poca seguridad, fácil explosión, alto costo y condiciones de uso limitadas.

Fosfato de hierro y litio
La batería de fosfato de hierro y litio se refiere a una batería de iones de litio que utiliza fosfato de hierro y litio como material catódico. Los materiales catódicos de las baterías de iones de litio incluyen principalmente cobalato de litio, manganato de litio, óxido de níquel y litio, materiales ternarios, fosfato de hierro y litio, etc. El cobalato de litio es el material catódico utilizado por la mayoría de las baterías de iones de litio.

El fosfato de hierro y litio como material para baterías de litio apareció hace poco. En 2005, se desarrolló en China una batería de fosfato de hierro y litio de gran capacidad. Su seguridad y ciclo de vida son incomparables con los de otros materiales. Su ciclo de vida con una carga y descarga de 1C alcanza 2000 veces. La tensión de sobrecarga de una sola batería es de 30 V, lo que evita que se queme y se perfore, y evita su explosión. Las baterías de iones de litio de gran capacidad fabricadas con cátodos de fosfato de hierro y litio son más fáciles de usar en serie para satisfacer las necesidades de carga y descarga frecuentes de vehículos eléctricos.

El fosfato de hierro y litio es una materia prima no tóxica, libre de contaminación, segura, de fácil acceso, económica, de larga duración y con otras ventajas. Es un material ideal para cátodos de baterías de iones de litio de nueva generación. Sin embargo, también presenta desventajas. Por ejemplo, su baja densidad de compactación es menor, y su volumen, con la misma capacidad, es mayor que el de las baterías de iones de litio, como el cobalato de litio, por lo que no ofrece ventajas en microbaterías.

Debido a las características inherentes del fosfato de hierro y litio, su rendimiento a baja temperatura es inferior al de otros materiales catódicos, como el manganato de litio. En general, para una sola celda (tenga en cuenta que se trata de una sola celda, no de un paquete de baterías), el rendimiento medido a baja temperatura puede ser ligeramente superior.

Esto se relaciona con las condiciones de disipación de calor; su tasa de retención de capacidad es de aproximadamente 60-70 % a 0 °C, 40-55 % a -10 °C y 20-40 % a -20 °C. Este rendimiento a bajas temperaturas obviamente no cumple con los requisitos de la fuente de alimentación. Actualmente, algunos fabricantes han mejorado el rendimiento del fosfato de hierro y litio a bajas temperaturas mediante mejoras en el sistema electrolítico, la fórmula del electrodo positivo, el rendimiento del material y el diseño de la estructura de la celda.

Batería de litio ternaria
La batería de polímero de litio ternario se refiere a una batería de litio cuyo cátodo es manganato de litio, níquel y cobalto (Li (NiCoMn) O₂). Este cátodo compuesto ternario está compuesto por sales de níquel, cobalto y manganeso. La proporción de níquel, cobalto y manganeso en la batería de polímero de litio ternario se puede ajustar según las necesidades reales. Si bien la batería con cátodo ternario ofrece mayor seguridad que la de litio y cobalto, su voltaje es demasiado bajo.

Sus principales ventajas son: buen rendimiento de ciclo; la desventaja es su uso limitado. Sin embargo, debido al endurecimiento de las políticas nacionales sobre baterías ternarias de litio, su desarrollo tiende a ralentizarse.

Batería de manganato de litio
La batería de manganato de litio es uno de los materiales catódicos de iones de litio más prometedores. En comparación con los materiales catódicos tradicionales, como el cobalato de litio, el manganato de litio ofrece ventajas como la abundancia de recursos, su bajo coste, su ausencia de contaminación, su alta seguridad y su excelente capacidad de multiplicación. Es un material catódico ideal para baterías de energía. Sin embargo, su bajo rendimiento cíclico y su estabilidad electroquímica limitan considerablemente su industrialización. El manganato de litio incluye principalmente manganato de litio espinela y manganato de litio laminar. El manganato de litio espinela tiene una estructura estable y es fácil de producir industrialmente. Los productos del mercado actual presentan todos esta estructura. El manganato de litio espinela pertenece al sistema cristalino cúbico, grupo espacial Fd3m, y su capacidad específica teórica es de 148 mAh/g. Gracias a su estructura de túnel tridimensional, los iones de litio pueden desincrustarse reversiblemente de la red de espinela sin provocar el colapso de la estructura, lo que le confiere un excelente rendimiento de amplificación y estabilidad.

3. Batería de NiMH
La batería de NiMH es un tipo de batería de alto rendimiento. El componente activo positivo de la batería de níquel-hidrógeno es Ni(OH)₂ (llamado electrodo de NiO), el componente activo negativo es hidruro metálico, también llamado aleación de almacenamiento de hidrógeno (llamado electrodo de almacenamiento de hidrógeno), y el electrolito es una solución de hidróxido de potasio de 6 mol/L.

La batería de níquel e hidruro metálico se divide en batería de níquel e hidruro metálico de alto voltaje y batería de níquel e hidruro metálico de bajo voltaje.

La batería de níquel-hidruro metálico de bajo voltaje tiene las siguientes características: (1) El voltaje de la batería es de 1,2 ~ 1,3 V, que es equivalente a la batería de níquel-cadmio; (2) Alta densidad de energía, más de 1,5 veces la de la batería de níquel-cadmio; (3) Carga y descarga rápidas, buen rendimiento a baja temperatura; (4) Sellable, fuerte resistencia a sobrecarga y descarga; (5) Sin generación de cristales dendríticos, lo que puede evitar cortocircuitos en la batería; (6) Seguro y confiable, sin contaminación para el medio ambiente, sin efecto memoria, etc.

La batería de níquel-hidrógeno de alto voltaje presenta las siguientes características: (1) Alta fiabilidad. Ofrece buena protección contra sobredescarga y sobrecarga, soporta altas tasas de descarga y no forma dendritas. Posee buenas propiedades específicas. Su capacidad de masa específica es de 60 A·h/kg, 5 veces superior a la de una batería de níquel-cadmio. (2) Larga vida útil, hasta miles de ciclos. (3) Totalmente sellada, requiere poco mantenimiento. (4) Excelente rendimiento a bajas temperaturas, y su capacidad no varía significativamente a -10 °C.

Las principales ventajas de la batería NiMH son: alta densidad de energía, rápida velocidad de carga y descarga, peso ligero, larga vida útil, sin contaminación ambiental; Las desventajas son un ligero efecto memoria, más problemas de gestión y fácil formación de un solo separador de batería fundido.

4. Celda de flujo
La batería de flujo líquido es un nuevo tipo de batería. Es una batería de alto rendimiento que utiliza electrolitos positivos y negativos para separarse y circular por separado. Se caracteriza por su alta capacidad, amplio campo de aplicación (ambiente) y larga vida útil. Actualmente, es un nuevo producto energético.

La batería de flujo líquido se utiliza generalmente en el sistema de una central eléctrica de almacenamiento de energía, que consta de una unidad de pila, una unidad de almacenamiento y suministro de solución electrolítica y una unidad de control y gestión. El núcleo está compuesto por una pila (la pila está compuesta por docenas de celdas para la reacción de oxidación-reducción) y una sola celda para la carga y descarga en serie según los requisitos específicos, y su estructura es similar a la de una pila de celdas de combustible.

La batería de flujo de vanadio es un nuevo tipo de almacenamiento de energía. No solo se utiliza como dispositivo de almacenamiento de energía auxiliar para la generación de energía solar y eólica, sino que también se utiliza para la reducción de picos de la red eléctrica, mejorando así su estabilidad y seguridad. Sus principales ventajas son: diseño flexible, larga vida útil, tiempos de respuesta rápidos y ausencia de emisiones nocivas. La desventaja es la gran variación en la densidad energética.

5. Batería de azufre de sodio
La batería de sodio y azufre se compone de polo positivo, polo negativo, electrolito, diafragma y carcasa. A diferencia de las baterías secundarias convencionales (baterías de plomo-ácido, baterías de níquel-cadmio, etc.), la batería de sodio y azufre se compone de un electrodo fundido y un electrolito sólido. La sustancia activa del polo negativo es sodio metálico fundido, y la sustancia activa del polo positivo es azufre líquido y polisulfuro de sodio fundido. La batería secundaria utiliza sodio metálico como electrodo negativo, azufre como electrodo positivo y un tubo cerámico como separador de electrolitos. Bajo un cierto grado de funcionamiento, los iones de sodio pueden reaccionar reversiblemente con el azufre a través de la membrana electrolítica para liberar y almacenar energía.

Como un nuevo tipo de fuente de energía química, este tipo de batería ha experimentado un gran desarrollo desde su creación. La batería de sodio y azufre es de tamaño pequeño, gran capacidad, larga vida útil y alta eficiencia. Se utiliza ampliamente en el almacenamiento de energía eléctrica, como el recorte de picos y el relleno de valles, el suministro de energía de emergencia y la generación de energía eólica.

Sus principales ventajas son las siguientes: 1) Posee mayor energía específica (es decir, la energía eléctrica efectiva por unidad de masa o volumen de la batería). Su energía específica teórica es de 760 Wh/kg, superando los 150 Wh/kg, de 3 a 4 veces la de las baterías de plomo-ácido. 2) Además, puede descargar con gran corriente y alta potencia. Su densidad de corriente de descarga generalmente alcanza los 200-300 mA/cm² y puede liberar 3 veces su energía inherente en un instante. 3) Alta eficiencia de carga y descarga.

La batería de sodio y azufre también presenta deficiencias. Su temperatura de funcionamiento es de 300-350 °C, por lo que necesita calentarse y mantenerse caliente durante su funcionamiento. Sin embargo, este problema se puede solucionar eficazmente mediante el uso de tecnología de aislamiento térmico al vacío de alto rendimiento.

6. Batería de plomo-carbono
La batería de plomo-carbono es un tipo de batería de plomo-ácido capacitiva, una tecnología derivada de la batería de plomo-ácido tradicional. Puede prolongar significativamente su vida útil añadiendo carbón activo al polo negativo.

La batería de plomo-carbono es un nuevo tipo de superbatería que combina la batería de plomo-ácido con el supercondensador. No solo aprovecha las ventajas de la carga instantánea de gran capacidad del supercondensador, sino que también aprovecha la ventaja energética específica de la batería de plomo-ácido y ofrece un excelente rendimiento de carga y descarga: se carga completamente en 90 minutos (si la batería de plomo-ácido se carga y descarga de esta manera, su vida útil es 30 veces menor). Además, gracias a la adición de carbono (grafeno), se previene la sulfatación del electrodo negativo, lo que reduce el factor de fallo de la batería y prolonga su vida útil.

La batería de plomo-carbono es una combinación de supercondensador asimétrico y batería de plomo-ácido con conexión interna en paralelo. Como un nuevo tipo de superbatería, la batería de plomo-carbono combina las tecnologías de batería de plomo-ácido y supercondensador. Es una batería de almacenamiento de energía con doble función, con características capacitivas y de batería. Por lo tanto, no solo aprovecha al máximo las ventajas de la carga instantánea de energía de los supercondensadores de gran capacidad, sino que también aprovecha al máximo las ventajas energéticas de las baterías de plomo-ácido, que pueden cargarse completamente en una hora. Presenta un buen rendimiento de carga y descarga. Gracias al uso de la tecnología de plomo-carbono, el rendimiento de la batería de plomo-carbono es muy superior al de las baterías de plomo-ácido tradicionales, lo que permite su uso en vehículos de nuevas energías, como vehículos eléctricos híbridos, bicicletas eléctricas y otros campos. También se puede utilizar en el campo del almacenamiento de nuevas energías, como la generación de energía eólica y el almacenamiento de energía.