UltraBattery

UltraBattery（通常以铅碳电池的形式出售）是由澳大利亚联邦科学与工业研究组织(CSIRO)发明的一种混合储能装置。UltraBattery将超级电容器技术与铅酸电池技术结合在一个带有普通电解质的单电池中。

美国桑迪亚国家实验室、先进铅酸电池联盟(ALABC)、联邦科学与工业研究组织(CSIRO)等独立实验室进行的研究以及EastPennManufacturing、FurukawaBattery和Ecoult的商业测试表明，与传统的阀控式铅酸(VRLA)电池相比，UltraBattery技术在部分充电状态(SoC)条件下具有更高的能效、更长的使用寿命和出色的充电接受能力。将这两种技术结合在一个电池中意味着与传统铅酸技术相比，UltraBattery的工作效率非常高，这主要是因为它可以在部分充电状态(pSoC)下长时间运行，而传统铅酸电池更通常设计用于高SoC使用（即当电池接近完全充电时）。在部分SoC范围内运行主要通过减少硫酸盐化和减少在非常高和非常低的充电状态下运行的时间来延长电池的寿命，其中各种副反应往往会导致劣化。当在这个部分SoC范围内运行时，传统的VRLA电池往往会迅速恶化。

UltraBattery是CSIRO在澳大利亚发明的。UltraBattery的开发由澳大利亚政府资助。日本公司古河电池有限公司也为UltraBattery技术的开发做出了贡献，日本政府通过新能源和工业技术开发组织(NEDO)为其开发提供了部分资金。2007年，EastPennManufacturing获得了制造和商业化UltraBattery技术的全球总许可，该技术用于动力和汽车应用（在各个地区）以及固定式储能应用（在全球范围内，除日本和泰国之外，古河电池是总许可持有人）.美国能源部还资助了UltraBattery，用于研究电网规模的固定式储能应用。2007年，CS​​IRO成立了子公司Ecoult，以应对这一市场。Ecoult还获得了澳大利亚政府的支持，以进一步发展Ultrabattery。2010年5月，美国电池制造商EastPennManufacturing从CSIRO手中收购了Ecoult。2013年3月，澳大利亚政府宣布通过澳大利亚可再生能源署的新兴可再生能源计划进一步提供资金，以进一步开发UltraBattery技术，作为住宅和商业可再生能源系统的经济高效储能。

UltraBattery是一种混合设备，将超级电容器技术与铅酸电池技术结合在一个带有普通电解质的单节电池中。从物理上讲，UltraBattery有一个正极和一个双负极——一部分是碳，一部分是铅，在一种普通的电解质中。这些共同构成了UltraBattery单元的负极，但具体而言，碳是电容器的电极，而铅是铅酸电池的电极。单个正极（氧化铅）是所有铅酸电池的典型特征，并且是铅酸电池和超级电容器所共有的。这项技术（特别是添加碳电极）使UltraBattery具有与传统VRLA电池不同的性能特征。尤其是UltraBattery技术在负电池电极上发生xxx性（或硬）硫酸盐化的影响要小得多——这是传统铅酸电池中常见的问题。

在铅酸电池的正常运行过程中，硫酸铅晶体在放电时会在负极上生长，在充电时会再次溶解。这些晶体的形成称为硫酸化。随着时间的推移，硫酸盐化会变成xxx性的，因为一些晶体会生长并抵抗溶解。当电池被迫以非常高的放电速率运行时尤其如此，这往往会促进电极表面上的硫酸铅晶体生长。在中等放电率下，硫酸铅晶体在整个电极板的横截面上生长（具有海绵状稠度），因为电解液（稀硫酸）通过电极体扩散以允许反应发生在整个板块。但是在非常快的放电速率下，已经在板体内的酸很快就用完了，新鲜的酸不能及时通过电极扩散以继续反应。因此，反应有利于电极的外壁，在那里晶体可能会形成致密的垫子，而不是分散在整个板上的团块中。这种晶体垫进一步阻碍了电解质的转移。然后晶体长大，由于较大的晶体与其表面积相比体积较大，因此在充电过程中很难用化学方法去除它们，这种情况有时被称为电池电极的“硬”硫酸盐化[REF]。硬硫酸盐化会增加电池的阻抗（因为硫酸铅晶体倾向于使电极与电解质绝缘）并由于增加不良副反应而降低其功率、容量和效率，其中一些副反应发生在负极板内部，因为充电发生在硫酸铅的可用性低（板体内）。一种不良影响是在板内产生氢气，进一步降低反应效率。“硬”硫酸化通常是不可逆的，因为随着越来越多的能量被推入电池，副反应往往占主导地位。为了降低硬硫酸盐化的可能性，传统的VRLA电池应以特定的速率放电，具体速率由各种充电算法确定。[REF]此外，它们必须经常刷新，并且最适合在SoC的高端运行（充电80%到xxx）。[REF]虽然在这种有限的充电状态下运行可以减轻负电极上的xxx性硫酸盐化，但仅在满SoC或接近满SoC时电池运行效率非常低。[REF]效率低下主要是由于增加了消耗能量的副反应（例如电解）的发生率。UltraBattery中集成的超级电容器的存在限制了电池内部硬硫酸盐的形成。[REF]这支持电池在电池运行效率更高的部分SoC中长时间运行的能力。[REF]传统VRLA在某种程度上受限于在接近其充电容量顶部的低效区域运行，以保护它们免受硫酸盐化的损害。继续研究超级电容器的存在为何如此成功地减少硫酸盐化的原因。实验结果表明，VRLA电池中碳的存在具有一定的缓解作用，但UltraBattery中并联的超级电容器的保护作用更为显着。例如，Hund等人发现典型的VRLA电池故障模式（失水、UltraBattery将负极板硫酸盐化和栅极腐蚀）降至最低。Hund的结果还表明，与传统VRLA电池相比，用于高倍率部分充电状态应用的UltraBattery表现出更少的放气、最小化的负极板硬硫酸盐化、增强的功率性能和最小化的工作温度。

铅是电池负极的一部分。碳形成负超级电容器电极的一部分。电解液由硫酸和水组成。硫酸铅为白色结晶或粉末。正常的铅酸电池操作会在放电过程中看到小的硫酸铅晶体在负极上生长，并在充电过程中溶解回电解液中。电极由铅栅构成，铅基活性材料化合物——氧化铅——构成正极板的其余部分。

UltraBattery可用于一系列储能应用，例如：

• 在电动汽车(EV)电池中
• 储存可再生能源并从间歇性能源中平稳供电
• 作为具有化石燃料发电机的高效混合电力系统的一部分
• 为电网提供辅助服务。

UltraBattery几乎xxx可回收，并且可以在现有的电池制造设施中制造。

当用于混合动力汽车时，UltraBattery的超级电容器在高速放电和充电过程中充当缓冲器，使其能够在车辆加速和制动过程中快速提供和吸收电荷。AdvancedLeadAcidBatteryConsortium对Ultrabattery在混合动力电动汽车中的性能进行了测试，单个电池组的行驶里程超过100,000英里，性能没有明显下降。UltraBattery原型的实验室结果表明，它们的容量、功率、可用能量、冷启动和自放电达到或超过了为最小和xxx动力辅助混合动力电动汽车设定的所有性能目标。

UltraBattery可用于平滑和转换（即存储以备后用）微电网上的可再生能源，以提高可预测的电力可用性。UltraBattery还可用于独立微电网系统、可再生能源电力系统和混合微电网。独立的微电网系统将柴油或其他化石燃料与UltraBattery存储相结合，以提高化石燃料发电的效率。在系统中包含能量存储可减小发电机组（即发电机阵列）的尺寸，因为电池可以处理负载峰值。UltraBattery还降低了发电机组的油耗，b可再生能源电力系统将UltraBattery技术与可再生能源相结合，以提供本地电力。混合微电网将可再生能源与UltraBattery储能和化石燃料发电机组相结合，以xxx限度地提高基本负荷发电的效率。与仅使用柴油的微电网相比，这可以xxx降低能源成本。它们还xxx减少了温室气体排放。这种类型的微电网的一个例子是由塔斯马尼亚水电公司承担的国王岛可再生能源整合项目(KIREIP)。这个兆瓦级的可再生能源项目旨在降低向岛屿供电的成本和碳污染。

UltraBattery可用于备份不间断电源(UPS)。在传统的UPS系统中，电池一直处于闲置状态，直到发生电网中断事件。由于UltraBattery可以提供频率调节和相关的电网服务，它可以在提供备用电源的同时为UPS资产所有者创造收入。

对于社区应用，UltraBattery可用作电网停电时的备用电池（参见第5.1节）和调峰。也称为调峰，调峰是在非高峰时间为电池充电，并在高峰时间使用电池的电力以避免更高的电费的能力。社区应用的另一个例子是古河电池在日本北九州前田地区建立的300kW智能电网演示系统。此负载均衡应用程序使用336个UltraBattery电池（1000Ah，2伏）。该公司还在北九州自然历史和人类历史博物馆安装了两次UltraBattery调峰技术的智能电网演示。在日本，ShimizuCorporation在商业建筑中建立了一个微电网（参见第5.2节）。“智能建筑”系统包括163个UltraBattery电池（500Ah，2伏），还可以监控电池电压、阻抗和温度。第二个系统安装在FurukawaBattery的Iwaki工厂，包含192个UltraBattery电池、一个100kW电源调节系统和一个电池管理系统。该负载均衡应用程序旨在控制工厂的电力需求。对于住宅应用，可以通过使用UltraBattery来存储电力供拥有面板的居民使用，并在高价值峰值期间将电力或调节服务馈入电网，从而改善屋顶太阳能的本地使用。

UltraBattery可以通过五种主要方式管理电网的可变性：频率调节、可再生能源整合（平滑和转换）、旋转备用、斜率控制以及电能质量和弱电网支持。

电网必须管理电力供需的不断波动，以保持恒定的频率，以维持电网的物理运行。UltraBattery可以为电网吸收和输送电力，以帮助管理供需之间的平衡，并保持一致的电压。Ecoult实施了一个电网规模的储能系统，该系统在美国宾夕法尼亚-泽西-马里兰(PJM)互连的电网上提供3MW的调节服务。四串UltraBattery电池连接到宾夕法尼亚州里昂站的电网。该项目在PJM上向公开市场提供连续的频率调节服务招标。

通过管理可再生能源输出的波动，UltraBattery技术可用于将太阳能和风能等可再生能源整合到电网中。它通过“平滑”和“转移”能量来做到这一点。平滑将来自光伏面板或风力涡轮机的功率的固有可变性转变为平滑、可预测的信号。该系统监控间歇性可再生能源的输出，当太阳能（或风能）信号发生变化时，UltraBattery会立即做出响应，释放能量或吸收多余的能量。以这种方式管理可再生信号的可变性使可再生能源更加可靠。转移能源是指UltraBattery能够在非高峰期存储可再生资源产生的多余能量，然后在需求高峰期在需要时释放。这使电力公司能够在高峰时段提高其整体系统性能。PNM是美国新墨西哥州xxx的电力公司，已将UltraBattery储能系统与太阳能发电场集成在一起，以展示太阳能发电的平滑和转换，以用作可调度的可再生资源。PNMProsperity项目是美国xxx的光伏能源和太阳能电池板电池存储组合之一。

许多屋顶光伏板的小规模部署往往会增加太阳能发电间歇性的影响——给电网运营商带来问题。[REF]UltraBattery储能已用于通过以受控方式增加电网功率来减少可再生能源的间歇性，从而使可再生能源发电更可预测。

UltraBattery具有五个主要特征，这些特征构成了该技术与传统VRLA电池技术的不同点：更高的容量周转率、更低的每千瓦时寿命成本、更高的DC-DC效率、更少的刷新充电和更高的充电接受率。

容量周转率是衡量电池的理论容量在其生命周期内可以使用多少次的量度。当在实验条件下比较U​​ltraBattery和标准VRLA（在部分SoC方案中使用）时，UltraBattery已被证明实现了标准吸收玻璃哑光VRLA电池的容量周转率约13倍。

电池的寿命取决于它的使用方式，以及它经过多少次充电和放电循环。在电池每天进行4次40%循环且吞吐量是寿命限制因素的情况下，UltraBattery的使用寿命将是传统VRLA电池的三到四倍。CSIRO声称“UltraBattery的制造成本比具有同等性能的电池便宜70%，并且可以使用现有的制造设施制造”。

电池的DC-DC效率描述了可释放到与电池相连的负载的能量与充电期间输入电池的能量的比例。在充电和放电过程中，电池存储的一些能量会以热量的形式损失掉，而另一些会在副反应中损失掉。电池的能量损失越低，电池的效率就越高。UltraBattery的开发人员声称它可以实现93–95%（取决于速率）的DC-DC效率，在部分SoC状态下执行可变性管理应用，取决于放电速率，当执行能量转换应用时，它可以实现86–95%（取决于速率）.相比之下，应用于能量转换的标准VRLA电池（使用典型的最高充电状态）的效率要低得多——例如，在充电79%到84%的充电状态下，测试显示效率约为55%。UltraBattery的高DC-DC效率是可以实现的，因为（与传统的VRLA电池一样）它在80%SoC以下时非常高效地运行。实验表明，对于VRLA电池，“从零SOC到84%SOC，平均整体电池充电效率为91%”。虽然传统的VRLA电池不能容忍在这个范围内工作很长时间而不经常刷新，但UltraBattery可以容忍在低得多的充电状态下工作而不会显着退化。因此，它可以实现更高的效率，因为它可以在铅酸电池最有效的区域长时间运行。

在运行过程中，传统的阀控式铅酸蓄电池必须进行刷新（过充电），以溶解积聚在负极上的硫酸盐晶体，补充电池的容量。刷新电池还有助于将电池组中的电池（多个电池一起使用）恢复到一致的工作电压。然而，过充电过程很复杂，因为不仅电池在刷新周期期间停止使用，而且完成过充电过程（在合理的时间范围内）所需的高电流也是各种寄生损耗的原因。这些包括热损失和由于各种副反应（主要是析氢、析氧和电网腐蚀）引起的损失。UltraBattery可以在不充电的情况下长时间运行。对于可再生能源或电网支持等固定循环应用，这可能需要一到四个月，具体取决于工作量；如果执行每日循环，相同应用中的标准VRLA电池需要每1到2周刷新一次-即使每周刷新一次，性能也会迅速下降。在混合动力电动汽车的汽车应用中，UltraBatteries可以在部分SoC状态下或多或少地连续运行而无需刷新。Furukawa报告说：“在安装了UltraBattery电池组的本田Insight混合动力电动汽车的现场驾驶测试中，在没有恢复充电的情况下实现了100,000英里（约160,000公里）的目标行驶。

由于UltraBattery在部分SoC范围内有效运行，因此与通常在高充电状态下运行的传统VRLA电池相比，它可以更有效地接受充电。桑迪亚国家实验室测试表明，VRLA电池通常在充电超过90%时效率低于50%，在79%到84%充电时效率约为55%，如果在满容量的0到84%之间充电时效率超过90%.与传统的VRLA电池相比，UltraBattery可以高效充电并以高充电/放电速率进行充电。Hund等人的测试结果表明，Ultrabattery能够以4C1速率循环约15,000次。使用此测试程序的VRLA电池只能以1C1速率循环。1C速率表示电池的全部容量将在此速率下在一小时内使用（或在充电时更换）。4C速率快四倍-即电池将以4C速率在15分钟内完全放电（或充电）。碳如此显着延迟硫酸化的确切化学过程尚不完全清楚。然而，UltraBattery的并联超级电容器的存在显然保护了负极端子免受硫酸铅晶体的大表面优势的影响，这会影响以高放电率运行或长时间在pSoC运行中运行的VRLA电池，从而提高电池的可充电性（另见硬硫酸化）。减少硫酸化还通过减少电极处的氢气产生来显着提高充电接受度。这并不意外，因为在充电过程中被推入负极板的电子（通常会与板内的硫酸铅晶体反应）无法轻易与板表面上的硫酸铅大晶体，因此倾向于将电解质中丰富的氢离子还原为氢气。

UltraBattery由美国EastPennManufacturing制造，符合ISO9001:2008、ISO/TS16949:2009和ISO14001:2004认证标准的全球要求。UltraBattery的电解液在水中含有H2SO4，其铅电极是惰性的。由于电解质主要是水，UltraBattery具有阻燃性。UltraBatteries具有与传统VRLA电池相同的运输和危险限制

每个UltraBattery的每个部分——铅、塑料、钢和酸——几乎xxx可回收以供以后重复使用。这些电池的大型回收设施已经可用，美国使用的铅酸电池中有96%被回收。电池制造商从VRLA电池中回收和分离铅、塑料和酸。铅被冶炼和精炼以供重复使用。塑料零件经过清洁、研磨、挤压和模压成新的塑料零件。酸被回收、清洁并用于新电池。

独立实验室以及EastPennManufacturing、Furukawa和Ecoult已进行了测试，以比较UltraBattery与传统VRLA电池的性能。

微型混合动力电动汽车电池在70%SoC下以脉冲充放电模式进行了测试。UltraBattery的容量周转率和循环寿命是传统VRLA电池的约1.8倍。高级铅酸电池联盟(ALABC)在本田思域混合动力电动汽车的高速、部分充电状态运行中测试了UltraBattery的耐用性。测试车的每加仑行驶里程数与使用镍氢电池供电的同一车型相当。在微型、轻度和全混合动力汽车负载下，UltraBattery的循环性能至少比传统的最先进VRLA电池长四倍，与镍氢电池相当甚至更好。UltraBattery还表现出对再生制动充电的良好接受性，因此在现场试验期间不需要均衡充电。

UltraBattery在电力智能电网的固定应用中的Wh（瓦时）效率测试表明，在0.1C10A的速率下进行超过30次充放电循环，Wh效率在91%到94.5%之间，具体取决于电池的状态收费。[REF]这与桑迪亚国家实验室对铅酸电池效率的研究进行了比较，该研究发现传统的铅酸电池在79%和84%的充电状态之间运行（传统铅酸电池所采用的“顶部”充电模式）酸性电池一般被限制以延长其寿命）只能实现55%的增量充电效率。

电池在60%的充电状态下进行了3小时的充电和放电测试，每90个循环进行20小时的恢复充电。容量测试表明，经过270次循环后，UltraBattery容量比等于或大于103%，而传统铅蓄电池的容量比为93%。测试表明，在部分充电状态下运行时，UltraBattery比传统电池具有更长的循环寿命和更好的恢复充电特性。

进行了高倍率、部分充电状态循环测试，以测量UltraBattery在公用事业辅助服务应用中用于储能和风电场能量平滑的能力。使用1C1至4C1倍率的高倍率、部分充电状态循环曲线，UltraBattery能够以低于20%的容量损失进行超过15,000次循环，并且可以以4C1倍率循环。在相同条件下测试的吸收式玻璃哑光(AGM)VRLA电池只能以1C1倍率循环，大约100次循环后需要恢复充电，1100次循环后容量损失超过20%。与AGMVRLA电池相比，UltraBattery还能够循环超过十倍于恢复充电之间的循环次数（1000对100）。新南威尔士州汉普顿（澳大利亚）的一个风电场现场试验正在测试一个系统，该系统旨在展示使用储能来解决风力发电的短期间歇性问题。该试验比较了UltraBattery和其他三种铅酸电池在可再生能源平滑应用中的性能。对每串60个串联电池的电池电压变化的测量表明，UltraBattery在10个月内的变化要小得多（电压范围变化的标准偏差增加了32%，而140%–251%对于其他三种电池类型）。

桑迪亚国家实验室的测试表明，UltraBattery在公用循环中的运行时间比传统VRLA电池长得多。这些测试中的循环曲线旨在模拟频率调节负载，每小时大约4个循环，峰值功率旨在提供预期的典型SoC范围。结果表明，传统的VRLA电池（在部分充电状态(PSoC)和10%的放电深度下循环）在大约3000次循环后下降到其初始容量的60%。在同一测试中，EastPenn制造的UltraBattery运行了超过22,000次循环，基本保持了xxx的初始容量，而没有提供恢复充电。测试还表明，UltraBattery在能源应用中的性能比传统VRLA电池长得多，如桑迪亚国家实验室模拟的光伏混合循环寿命测试所示。测试得出的结论是，即使在40天的亏电情况下（每天从电池中取出的电量比放回的电量还多的周期）。UltraBatteries的性能远远超过传统的VRLA电池，即使传统的VRLA电池仅在7天的不足充电状态下运行。在不足充电状态下，无法通过逐渐充电恢复，也称为电池的刷新/均衡，因此硫酸盐化是该操作状态下传统VRLA的典型故障模式。在以60%的放电深度循环100天后，每30天接受一次刷新循环的传统VRLA电池已降至其初始容量的70%。两个UltraBattery单元（一个由Furukawa制造，一个由EastPenn制造）每个都经历了40天的不足充电，其性能仍然明显优于接受更频繁刷新的传统VRLA电池（它最多只经历了7天的不足充电）。经过430天的骑行，EastPennUltraBattery和FurukawaUltraBattery依然没有出现故障。EastPennBattery保持其初始容量的85%，而Furukawa电池则非常接近其初始容量的xxx。