鉛炭電池在“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中的應(yīng)用前景分析

沈浩宇，王振波

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)化工與化學(xué)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001）

0 引言

習(xí)近平總書記于 2020年提出了中國的“雙碳”目標(biāo)[1]。利用新能源發(fā)電是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的必經(jīng)之路，但新能源中光伏和風(fēng)力發(fā)電具有氣象不穩(wěn)定性，因此需要接入儲(chǔ)能系統(tǒng)，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。寧夏省已經(jīng)明確儲(chǔ)能配置標(biāo)準(zhǔn)：按照不低于新能源裝機(jī)容量的 10 %，連續(xù)儲(chǔ)能 2 h 以上的原則配置儲(chǔ)能裝置[2]。如果按照此標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算，到2030年安裝的新能源發(fā)電裝置[3]需配置 240 GW?h儲(chǔ)能裝置。發(fā)改委發(fā)布的《中國 2050年光伏發(fā)展展望（2019）》中描述，到 2050年中國光伏的裝機(jī)容量將達(dá)到 5 000 GW[4]，意味著屆時(shí)僅配套光伏發(fā)電的儲(chǔ)能就將達(dá)到 TW?h 量級(jí)。電化學(xué)儲(chǔ)能具有場(chǎng)地制約因素少，響應(yīng)速度快，能量轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢(shì)。在其它二次電池未取得大規(guī)模市場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證之前，儲(chǔ)能電池仍然以鉛酸電池和鋰離子電池為主。從 2016年到 2020年，中國鉛酸電池的產(chǎn)量從 20 553萬 kV?A?h 增長到 22 736 萬 kV?A?h[5]，而且鋰離子電池的出貨量已經(jīng)從 65 GW?h 增長到了158.5 GW?h[6]。雖然鉛酸電池仍是產(chǎn)量最大的二次電池，但是鋰離子電池這 5年的增長率是鉛酸電池的 10 倍。在移動(dòng)用二次電池領(lǐng)域，鋰離子電池依靠其高比能量特性取得市場(chǎng)的主導(dǎo)地位，但在固定場(chǎng)所使用的儲(chǔ)能領(lǐng)域，鉛酸電池能否與鋰離子電池相抗衡？

傳統(tǒng)鉛酸電池直接應(yīng)用到新能源儲(chǔ)能場(chǎng)景中，存在負(fù)極不可逆硫酸鹽化的問題，無法滿足儲(chǔ)能場(chǎng)景對(duì)電池部分荷電態(tài)循環(huán)使用模式的要求。ALABC 從 20 世紀(jì) 90年代就組織鉛酸電池企業(yè)和研究機(jī)構(gòu)共同開發(fā)滿足儲(chǔ)能應(yīng)用要求的新一代鉛酸電池。胡信國將這種負(fù)級(jí)加炭材料的新一代鉛酸電池稱之為第三代鉛酸電池——鉛炭電池[7]。國標(biāo) GB/T 36280—2018 中將這種正極為二氧化鉛，負(fù)級(jí)為鉛炭復(fù)合電極，電解液為硫酸溶液的蓄電池定義為鉛炭電池。本文中，筆者為區(qū)分鉛炭電池與傳統(tǒng)鉛酸電池的性能及應(yīng)用場(chǎng)景的差異，將傳統(tǒng)鉛酸電池仍稱之為鉛酸電池，而將適宜應(yīng)用到儲(chǔ)能場(chǎng)景的鉛酸電池稱之為鉛炭電池。從鉛炭電池成本和鉛資源社會(huì)存量兩個(gè)角度分析后認(rèn)為，鉛炭電池在“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)過程中將承擔(dān)起電化學(xué)儲(chǔ)能的重要責(zé)任。

1 鉛酸電池的成本分析

中國的鉛酸電池市場(chǎng)結(jié)構(gòu)中，輕型動(dòng)力電池占比和起動(dòng)型電池占比合計(jì)超過了 80 %[8]。依據(jù)表 1中的公開數(shù)據(jù)[9-16]，分析天能和駱駝這兩家上市公司的成本構(gòu)成與鉛價(jià)的關(guān)系，可了解中國在動(dòng)力鉛酸電池和起動(dòng)電池領(lǐng)域的制造水平。駱駝[15]和天能[8]都披露，鉛及其合金占其電池成本的 70 %。圖1顯示了鉛價(jià)與起動(dòng)電池、動(dòng)力電池的材料成本有很好的線性相關(guān)性，決定系數(shù) R2在 0.95 左右。由此可以推算，當(dāng)鉛價(jià)為 6 000 元/t 時(shí)，起動(dòng)電池的材料成本是 116.4 元/（kW?h），動(dòng)力電池的材料成本是141.4 元/（kW?h）。相對(duì)于 2015～2020年鉛均價(jià)時(shí)的材料成本，鉛酸電池的材料成本將下降 50 %。當(dāng)鉛價(jià)只有 4 500 元/t 時(shí)，包含人工和制造成本在內(nèi)的電池總成本會(huì)下降 50 %。在現(xiàn)有的鉛酸電池技術(shù)及制造水平下，隨著鉛價(jià)的降低，鉛酸電池可以重新建立起相對(duì)于鋰離子電池的成本優(yōu)勢(shì)。而鉛的價(jià)格，取決于供需關(guān)系和鉛的再生加工成本。河南豫光每噸鉛的加工費(fèi)只需 1 100 元[17]，所以在現(xiàn)有的鉛回收技術(shù)及能耗水平下，鉛價(jià)有巨大的下降空間。鉛材料于鉛酸電池的成本關(guān)系同樣適用于鉛炭電池。

圖1 起動(dòng)電池和動(dòng)力電池材料成本與鉛價(jià)之間關(guān)系

表1 天能、駱駝公司年報(bào)中關(guān)于鉛酸電池營業(yè)額與成本統(tǒng)計(jì)

2 基于蛛網(wǎng)模型的鉛價(jià)變動(dòng)規(guī)律

既然鉛是鉛酸電池成本中占比最高的部分，那么鉛的價(jià)格走勢(shì)就對(duì)鉛酸電池的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力有重要的影響。圖2統(tǒng)計(jì)了從 1993年以來 LME 的鉛結(jié)算價(jià)。從 1993年到 2003年底，鉛均價(jià)為 517 美元/t。從2003年9月的 520 美元/t 開始，到 2006年6月，國際鉛價(jià)平均達(dá)到了 985 美元/t 的水平。從 2006年6月到 2007年10月10日，鉛價(jià)飆升至 3 890美元/t 的歷史最高點(diǎn)。進(jìn)入 2010年之后，鉛價(jià)相對(duì)穩(wěn)定在 2 315 美元的價(jià)位進(jìn)行震蕩。

圖2 1993年至 2021年倫敦有色金屬交易所鉛價(jià)的波動(dòng)曲線

因?yàn)楣┬杵胶鈺r(shí)，

所以整理后得到

當(dāng)公式（4）中t分別等于 1、2、……、n后，整理得到

圖3 鉛價(jià)變動(dòng)的蛛網(wǎng)模型

3 引發(fā)鉛價(jià)進(jìn)入發(fā)散模式的原因分析

鉛消費(fèi)能力與機(jī)動(dòng)車數(shù)量密切相關(guān)[19]。由圖 4可見，從 1992年到 2003年，中國的汽車保有量年復(fù)合增長率約為 12 %，而鉛消費(fèi)量的年復(fù)合增長率也接近12 %的水平[20]。中國的采礦業(yè)和制造業(yè)同步發(fā)展，并未引起鉛的供應(yīng)緊張。2003年中國還凈出口鉛41萬 t[21]。1992年全球的鉛消費(fèi)量為526.9 萬 t，而2003年為672 萬 t，即年復(fù)合增長率為 2.24 %。2003年中國的鉛消費(fèi)量占全球的比率還未到 16 %。

圖4 1990～2020年全球及中國鉛消費(fèi)量

如果將年復(fù)合增長率作為供給曲線斜率，也就是令β1=0.0224，再將 1990～2003年期間的最高鉛價(jià)（853 美元/ t）作為 p0，最低鉛價(jià)（338 美元/t）作為 p1，把均價(jià)（517 美元/t）算作 pe，分別代入公式（4）和（6）中，就可以計(jì)算出這一階段需求曲線的斜率 γ1為 0.0119。從 2003年到 2008年，全球鉛消費(fèi)年復(fù)合增長率達(dá)到了 5.22 %，相當(dāng)于需求曲線斜率 γ1從 0.0119 提升至 0.0522，所以鉛價(jià)的蛛網(wǎng)模型從收斂模式進(jìn)入發(fā)散模式。從 2008年到 2020年，全球鉛消費(fèi)年復(fù)合增長率又回落到了 2.28 %。這期間，中國鉛消費(fèi)量占全球的比率穩(wěn)定在 41 %～44 %，中國的鉛消費(fèi)水平又與全球同步，因此鉛的供需體系建立了新的平衡。用同樣的方法可以計(jì)算得到這一階段需求曲線斜率 γ2為0.0195。

從 2003年到 2009年，中國的鉛年消費(fèi)復(fù)合增長率達(dá)到 24 %，遠(yuǎn)超過 GDP 和機(jī)動(dòng)車保有量的增長率水平。拉動(dòng)鉛消費(fèi)的是中國電動(dòng)自行車市場(chǎng)的快速增長。這期間，鉛酸電池企業(yè)無序發(fā)展[21]，導(dǎo)致電池行業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)不夠準(zhǔn)確。為了分析動(dòng)力鉛酸電池對(duì)鉛價(jià)的影響，需了解動(dòng)力鉛酸電池的產(chǎn)量。電動(dòng)自行車統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[22-23]和 Frost & Sullivan調(diào)查報(bào)告[24]呈現(xiàn)出，從 2005年到 2009年電動(dòng)自行車用鉛酸電池分別在一級(jí)市場(chǎng)（指電池企業(yè)將電池直接銷售給整車廠家的份額）和二級(jí)市場(chǎng)（指電池企業(yè)將電池通過代理商銷售給終端用戶的份額）中需求的電池?cái)?shù)。由此可分析電動(dòng)自行車每年新增銷售量與電池在一級(jí)市場(chǎng)需求量之間的關(guān)系，以及電動(dòng)自行車保有量與電池在二級(jí)市場(chǎng)需求量之間的關(guān)系。

圖5 分析了 2005年至 2009年新增電動(dòng)自行車（包括兩輪車和三輪車）產(chǎn)量與鉛酸動(dòng)力電池一級(jí)市場(chǎng)新增銷量的關(guān)系，其中電動(dòng)三輪車的產(chǎn)量做了乘以 2 的數(shù)據(jù)變換。圖5中決定系數(shù) R2超過了0.95，表明電動(dòng)自行車年新增產(chǎn)量與動(dòng)力電池一級(jí)市場(chǎng)新增銷量之間具有較強(qiáng)的相關(guān)性。線性回歸方程表示每新增 1 輛電動(dòng)自行車平均安裝 2.27 只的動(dòng)力電池。

圖5 電動(dòng)自行車產(chǎn)量與鉛酸動(dòng)力電池一級(jí)市場(chǎng)銷量關(guān)系

圖6 分析了 2002～2006年電動(dòng)自行車的保有量與對(duì)應(yīng) 3 a 后的鉛酸動(dòng)力電池二級(jí)市場(chǎng)新增銷量之間的關(guān)系。圖6中的電動(dòng)自行車 3 a 前的保有量與當(dāng)年動(dòng)力電池二級(jí)市場(chǎng)新增銷量之間具有很強(qiáng)的相關(guān)性。線性回歸方程顯示，電動(dòng)自行車的保有量每新增 1 輛，3 a 后就需要安裝 1.822 只/a 的電池。Frost & Sullivan 的調(diào)查數(shù)據(jù)是將多種規(guī)格的產(chǎn)品加權(quán)處理成12 V 20 A?h 電池，即每輛新電動(dòng)自行車將安裝 0.544 kV?A?h 的電池，保有車輛 3 a 后需要更換0.437 kV?A?h/a 的電池。由此可以推算出，圖7所示從 2003年到 2009年電動(dòng)自行車用動(dòng)力鉛酸電池的銷量。

圖6 電動(dòng)自行車保有量與鉛酸動(dòng)力電池二級(jí)市場(chǎng)新增銷量關(guān)系

圖7 2003～2009年電動(dòng)自行車鉛酸動(dòng)力電池產(chǎn)量

2007年至 2009年的推算結(jié)果，比電池行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)的動(dòng)力電池產(chǎn)量[25-26]分別高出 9.6 %、41.4 %和 10.9 %。根據(jù)劉巍統(tǒng)計(jì)的動(dòng)力電池的每 kV?A?h產(chǎn)品[24]的鉛消耗量，計(jì)算出每年鉛酸動(dòng)力電池所消耗的鉛量，以及占全球的鉛消費(fèi)量的比率。圖8列出了從 2003年到 2007年鉛酸動(dòng)力電池用鉛占每年新增的全球鉛消費(fèi)量的比率，特別是 2006年和2007年，動(dòng)力鉛酸電池用鉛量已經(jīng)超過了那兩年全球鉛消費(fèi)量增量的 2 倍，意味著如果沒有動(dòng)力鉛酸電池的市場(chǎng)增量，2006年和 2007年全球鉛的消費(fèi)量是遞減的，說明 2003年到 2007年期間，全球鉛需求曲線斜率提升的主要原因就是電動(dòng)自行車市場(chǎng)的拉動(dòng)。

圖8 2003～2007年鉛酸動(dòng)力電池用鉛占每年全球鉛消費(fèi)增量的比率

4 鉛價(jià)趨勢(shì)分析

圖9 列出動(dòng)力鉛酸電池用鉛量占全球鉛消費(fèi)量的變化趨勢(shì)。到 2020年，動(dòng)力鉛酸電池用鉛量已經(jīng)占全球鉛消費(fèi)量的 25 %。鉛酸電池作為跟隨交通工具一起移動(dòng)的動(dòng)力電池，相對(duì)于鋰離子電池，比能量、比功率較低是其劣勢(shì)。這一不足是鉛原子量是鋰原子量 30 倍的“基因”差異所致。只從電化學(xué)性能的角度分析，鋰離子電池比鉛酸電池更適合作為交通工具的動(dòng)力電池。相關(guān)研究機(jī)構(gòu)公布，2020年中國新售電動(dòng)兩輪車中鋰電車的占比達(dá)到了 23.5 %[27]。結(jié)合 2020年之前的數(shù)據(jù)[22]，圖 10 表明在電動(dòng)自行車領(lǐng)域，鋰電車在新增電動(dòng)自行車銷量中的占比逐年提升，尤其電動(dòng)自行車新國標(biāo)正式實(shí)施之后。在通信領(lǐng)域，我國基站用鉛酸電池需求規(guī)模逐步下降[5]，接著被鋰離子電池?cái)D壓的就會(huì)是動(dòng)力電池市場(chǎng)[17]，最后隨著車輛電動(dòng)化，還會(huì)波及到起動(dòng)電池領(lǐng)域。

圖9 2000～2020年鉛酸動(dòng)力電池用鉛占全球鉛消費(fèi)量的比率

圖10 2010～2020年鋰電自行車在每年電動(dòng)自行車銷量中的占比

劉巍以鉛酸電池行業(yè)為切入點(diǎn)，研究了鉛在鉛酸蓄電池產(chǎn)業(yè)鏈中的利用效率和排放動(dòng)態(tài)變化規(guī)律，并且從國家層面，搭建了中國鉛元素流動(dòng)態(tài)分析模型，分析了中國社會(huì)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中鉛流量、存量動(dòng)態(tài)演化。劉巍推算出，截至 2014年，中國鉛使用存量從 2000年的 153 萬 t 增長至 2014年的 1 198 萬 t，其中鉛酸電池的鉛使用存量為 938 萬 t[23]。

根據(jù) 2015年至 2020年中國的鉛生產(chǎn)量和消費(fèi)量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[28]，并且按照鉛消費(fèi)量中 86 % 用于生產(chǎn)鉛酸蓄電，和再生鉛的原料有 85 % 來自于鉛酸電池[23]，以及鉛酸電池的再生回收率下限為 95 %[23]，估算截至 2020年中國的鉛使用存量的保守?cái)?shù)據(jù)。關(guān)于鉛[29-30]和蓄電池[31]的進(jìn)出口數(shù)據(jù)對(duì)鉛使用存量的影響，根據(jù)表 1 中直接材料成本占銷售額 70.2 %的行業(yè)平均水平，而鉛占電池直接材料成本比率為70 %[16]，可按 70.2 %×70 %≈50 % 計(jì)算出鉛的金額，并根據(jù)鉛的進(jìn)出口單價(jià)估算鉛凈流出量。計(jì)算每年改變的鉛使用存量公式是：

式中：SBPB為電池中的鉛使用存量變化，單位是萬t；CPb為鉛總消費(fèi)量，單位是萬 t；TPb為鉛凈進(jìn)口量，單位是萬 t；RPb為再生鉛量，單位是萬 t；VB為鉛酸電池貿(mào)易順差，單位是億美元；UPb為鉛進(jìn)出口單價(jià)，單位是美元/t。

圖11 在劉巍的 2014年調(diào)研的基礎(chǔ)上，計(jì)算補(bǔ)充截至 2020年，中國僅在鉛酸電池中已經(jīng)蓄積了 2 140 萬 t 的鉛使用存量。鉛使用存量中還有約20 % 存在于鉛合金和鉛材中。由 2000年中國鉛合金、鉛材中的鉛使用存量為 41 萬 t，而 2014年，鉛合金、鉛材中的鉛使用存量 260 萬 t，得出年均復(fù)合增長率為 14.1 %。如果按相同的增長率估算，截至 2020年，鉛合金和鉛材中的鉛使用存量將達(dá)到 570 萬 t。若按減半的增長率估算，鉛合金和鉛材中的鉛使用存量為 390 萬 t。因此，中國全社會(huì)鉛使用存量截至 2020年應(yīng)不低于 2 500 萬 t。再按鉛消費(fèi)占比估算，全球的鉛使用存量在 5 900 萬 t以上。

圖11 2000～2020年中國鉛酸蓄電池中鉛使用存量變化曲線

除了社會(huì)存量鉛作為鉛酸電池原料用鉛的供應(yīng)保障底限之外，已經(jīng)累積的全社會(huì)大量鉛使用存量報(bào)廢后成為再生鉛的原料。中國的鉛鋅礦共生比是2∶5[32]，意味著鉛精礦的產(chǎn)量還會(huì)因社會(huì)對(duì)鋅的需求而持續(xù)累積，增加整個(gè)社會(huì)的鉛存量。未來鉛精礦的產(chǎn)量還是以鋅需求為導(dǎo)向[24]。每年新增的鉛精礦量會(huì)抵消部分鉛損耗，所以整個(gè)社會(huì)的鉛存量相對(duì)穩(wěn)定。

因?yàn)殂U的供給相對(duì)穩(wěn)定，所以可以設(shè)定未來鉛的供給曲線斜率 β3為 0.02。鉛的需求市場(chǎng)已經(jīng)呈現(xiàn)疲態(tài)，所以當(dāng)鉛的需求曲線斜率為負(fù)數(shù)時(shí)，假設(shè)γ3為-0.015，pe3為 400 美元。此時(shí)公式（6）中的（-γ/β）n 為正值，而且 |（-γ/β）|＜1，那么價(jià)格 pn3將不會(huì)呈現(xiàn)螺旋式下降收斂，而是呈單調(diào)持續(xù)下降趨勢(shì)，直至鉛的需求曲線斜率由負(fù)值轉(zhuǎn)為正值。當(dāng)鉛的需求曲線斜率為負(fù)值，且與鉛的供給曲線斜率方向相反時(shí)，鉛價(jià)的蛛網(wǎng)模型如圖 12 所示。當(dāng)鉛酸電池的市場(chǎng)萎縮時(shí)，鉛的消費(fèi)需求曲線斜率為負(fù)，將導(dǎo)致鉛價(jià)持續(xù)下降（見圖 13），直至鉛酸電池與鋰離子電池相比，鉛酸電池的性價(jià)比建立新的成本優(yōu)勢(shì)。鉛價(jià)下降的底限是鉛的再生成本，只有1 100 元/t。

圖12 鉛需求曲線斜率為負(fù)值時(shí)新蛛網(wǎng)模型

圖13 鉛需求曲線斜率為負(fù)值時(shí)價(jià)格變化趨勢(shì)

5 儲(chǔ)能用鉛炭電池是鉛的最佳用途

儲(chǔ)能系統(tǒng)自身不能產(chǎn)生電能，是能量消耗單元。當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的投資回報(bào)率超過棄電的損失率，新能源發(fā)電企業(yè)配置儲(chǔ)能系統(tǒng)才更有積極性，否則棄光、棄風(fēng)可能還是部分新能源發(fā)電企業(yè)選擇的最經(jīng)濟(jì)方法。

何穎源在 2017～2019年期間，走訪 100 多家儲(chǔ)能相關(guān)企事業(yè)單位和 30 余個(gè)儲(chǔ)能電站項(xiàng)目后提出，容量型電化學(xué)儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能度電成本計(jì)算公式為[34]：

式中：C為度為成本；Csys-e為儲(chǔ)能系統(tǒng)成本；Cpcs-e為功率轉(zhuǎn)換成本；Cbop-e為土建成本；Com-e為運(yùn)維成本；Coth-e為其他成本；Crec-e為電站殘值；n為循環(huán)次數(shù)；σ為循環(huán)放電深度；η為系統(tǒng)能量效率；ξ為系統(tǒng)每次循環(huán)的等效容量保持率。何穎源用公式（8）計(jì)算出鉛炭電池和磷酸鐵鋰電池的度電成本基本一致，為 0.61～0.82 元/（kW?h）[33]。

進(jìn)一步分析公式（8）中的成本構(gòu)成得出，電池以外部分成本約為 30～50 萬元/（MW?h）[34]。隨著儲(chǔ)能系統(tǒng)裝機(jī)規(guī)模的增加，這部分成本應(yīng)該有下降的空間，可預(yù)期為 20～25 萬元/（MW?h）。只有鉛炭電池和磷酸鐵鋰電池在現(xiàn)有性能指標(biāo)條件下，成本下降超過 50 %，儲(chǔ)能的度電成本才能下降 50 %，達(dá)到 0.41～0.55 元/（kW?h）。該儲(chǔ)能系統(tǒng)的度電成本將低于部分省市的新能源上網(wǎng)電價(jià)，或者低于大部分省市的峰谷電價(jià)差。新能源發(fā)電企業(yè)在不考慮電能考核處罰成本[35]的條件下，投資儲(chǔ)能系統(tǒng)還能增加額外收益，而用戶側(cè)僅僅依靠峰谷價(jià)差就能持續(xù)盈利。在現(xiàn)有的技術(shù)條件下，鉛價(jià)降低至 4 500 元/t 就能使得鉛炭電池儲(chǔ)能具有很好的財(cái)務(wù)模型。

根據(jù)浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司南都公開的 19 個(gè)電站 26 個(gè)月的運(yùn)行數(shù)據(jù)和收益[35]，2018年建設(shè)的儲(chǔ)能電站的成本在 1000 元/（kW?h）左右。結(jié)合南都公司 2018年報(bào)中披露的信息，這些儲(chǔ)能電站的儲(chǔ)能電池為鉛炭電池。這 19 個(gè)儲(chǔ)能電站的平均收益為 0.907 萬元/（MW?h?月），最高每 MW?h月均收益為 1.646 萬元，每 MW?h 儲(chǔ)能年收益為19.75 萬元。7 a 的總收益為 138.25 萬元/（MW?h），相對(duì)于 96.82 萬元的凈值，年均收益率約為 6.1%，略高于長期貸款利息。

圖14 給出了南都公司某鉛炭儲(chǔ)能電站從 2019年1月至 2021年2月這 26 個(gè)月的電量消納情況。該電站總裝機(jī)容量為 12 MW?h。在運(yùn)行的 26 個(gè)月期間一共消納了 8 227.8 MW?h 電量，為儲(chǔ)能電池容量的 685.7 倍，等同于 980 次 70 % DOD 循環(huán)。經(jīng)過 26 個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行，電站的電量消納能力沒有下降趨勢(shì)，電站的系統(tǒng)容量也沒有明顯的下降，從側(cè)面佐證了鉛炭儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行是可以超過1000 次的，甚至是可以達(dá)到企業(yè)宣傳的 4200 次循環(huán)壽命[36]的水平。

圖14 南都某儲(chǔ)能電站 26 個(gè)月電量消納變化

6 儲(chǔ)能市場(chǎng)對(duì)鉛炭電池的技術(shù)要求分析

公式（8）中對(duì)各種儲(chǔ)能電池性能的要求在分母中有所體現(xiàn)，也同樣適用鉛炭電池。提高循環(huán)次數(shù) n 值，能直接體現(xiàn)出可降低儲(chǔ)能度電成本。提高系統(tǒng)的能量效率也可有限地降低儲(chǔ)能系統(tǒng)的度電成本。系統(tǒng)的能量效率可以通過改善電池的充電接受能力來提高，也和電池的荷電態(tài)相關(guān)。鉛炭電池只能改善以上性能指標(biāo)，且只適用于儲(chǔ)能 4 h 以上的容量型儲(chǔ)能場(chǎng)景和備用型儲(chǔ)能場(chǎng)景，但是最新的政策層面對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能時(shí)長的要求一般只為2 h[2]。更長的儲(chǔ)能時(shí)長意味著更高的儲(chǔ)能投資成本?，F(xiàn)有的大容量鉛炭電池難以滿足 0.5C 以上高倍率充放電性能要求，因?yàn)殂U炭電池中鉛集流體的電導(dǎo)率只有銅箔的 8.3 %，鋁箔的 13.6 %，而且長壽命鉛炭電池極板、隔板都較厚，電池內(nèi)阻也隨著隔板厚度的增加而增大。由于材料特性和鉛炭電池的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，鉛炭電池的功率密度與鋰離子電池相差較大。需要開發(fā)出更高倍率充放電性能的大容量儲(chǔ)能鉛炭電池，以滿足各種儲(chǔ)能場(chǎng)景的要求。鉛炭電池倍率特性的量化指標(biāo)是達(dá)到 0.5C 充放電的最低限要求，達(dá)到 1C 的倍率特性將滿足大部分的儲(chǔ)能場(chǎng)景需求，達(dá)到 2C 的倍率特性將使得鉛炭電池適用所有儲(chǔ)能場(chǎng)景的需求。

7 結(jié)論

由于全球汽車產(chǎn)業(yè)和中國電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，鉛酸電池和鉛冶煉產(chǎn)業(yè)這幾十年得到快速的發(fā)展。對(duì)已存于社會(huì)各種鉛合金及鉛酸電池中的近6 000 萬 t鉛，如不加以管控，對(duì)全社會(huì)的危害將不可估量。如此龐大的鉛存量只有在可控的工業(yè)體系中代謝，才能讓鉛繼續(xù)為人類服務(wù)，還能保證鉛對(duì)人類的危害系數(shù)降至最低。Sullivan 對(duì)鉛酸電池、鎘鎳電池、鎳氫電池、鈉硫電池和鋰離子電池進(jìn)行生命周期評(píng)價(jià)后認(rèn)為，鉛酸電池具有最小的生產(chǎn)能耗和最少的CO2和污染物排放量[37]。Daniel等構(gòu)建鉛酸電池回收過程中的生命周期評(píng)價(jià)給出結(jié)論：鉛酸電池經(jīng)再生鉛方式回收，在資源消耗、大氣污染物排放、廢水和固廢排放方面明顯優(yōu)于對(duì)鉛酸電池填埋處置的環(huán)境影響[38]。在中國，鉛酸電池行業(yè)的鉛利用率和再生鉛行業(yè)的鉛回收率在本世紀(jì)得到了大幅提升[23]。

社會(huì)鉛存量在近幾十年內(nèi)不會(huì)降低，鉛酸電池市場(chǎng)的總?cè)萘恳簿筒粫?huì)減少，所以鉛酸電池不會(huì)被鋰離子電池完全取代。相對(duì)來說，鋰離子電池占有對(duì)比能量和比功率有高要求的動(dòng)力電池市場(chǎng)。大量退役的動(dòng)力鉛酸電池將再生成鉛，迫使鉛價(jià)下跌。用低價(jià)鉛制造的鉛炭電池作為儲(chǔ)能電池，應(yīng)用到固定場(chǎng)所。儲(chǔ)能市場(chǎng)將由于鉛炭電池的高安全性而接受其比能量較低的不足。低價(jià)的鉛炭電池被應(yīng)用到“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)過程中，幫助新能源電力系統(tǒng)建立更安全、更穩(wěn)定的電力保障。隨著鉛酸電池生產(chǎn)責(zé)任延伸制度的落實(shí)，鉛元素將進(jìn)入相對(duì)封閉的循環(huán)應(yīng)用模式，鉛污染對(duì)人類的危害將被約束至最小程度。

應(yīng)根據(jù)多種儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景的技術(shù)需要，持續(xù)改善鉛炭電池的循環(huán)壽命，提升充電接受能力，提高比能量。最重要的是，研發(fā)出高功率鉛炭電池，以適應(yīng)功率型儲(chǔ)能場(chǎng)景和能量型儲(chǔ)能場(chǎng)景中對(duì)倍率性能的要求，使得鉛元素在鉛炭電池內(nèi)助力“雙碳”目標(biāo)盡快實(shí)現(xiàn)。