UltraBattery（通常以鉛碳電池的形式出售）是由澳大利亞聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)發明的一種混合儲能裝置。UltraBattery將超級電容器技術與鉛酸電池技術結合在一個帶有普通電解質的單電池中。

美國桑迪亞國家實驗室、先進鉛酸電池聯盟(ALABC)、聯邦科學與工業研究組織(CSIRO)等獨立實驗室進行的研究以及EastPennManufacturing、FurukawaBattery和Ecoult的商業測試表明，與傳統的閥控式鉛酸(VRLA)電池相比，UltraBattery技術在部分充電狀態(SoC)條件下具有更高的能效、更長的使用壽命和出色的充電接受能力。將這兩種技術結合在一個電池中意味著與傳統鉛酸技術相比，UltraBattery的工作效率非常高，這主要是因為它可以在部分充電狀態(pSoC)下長時間運行，而傳統鉛酸電池更通常設計用于高SoC使用（即當電池接近完全充電時）。在部分SoC范圍內運行主要通過減少硫酸鹽化和減少在非常高和非常低的充電狀態下運行的時間來延長電池的壽命，其中各種副反應往往會導致劣化。當在這個部分SoC范圍內運行時，傳統的VRLA電池往往會迅速惡化。

UltraBattery是CSIRO在澳大利亞發明的。UltraBattery的開發由澳大利亞政府資助。日本公司古河電池有限公司也為UltraBattery技術的開發做出了貢獻，日本政府通過新能源和工業技術開發組織(NEDO)為其開發提供了部分資金。2007年，EastPennManufacturing獲得了制造和商業化UltraBattery技術的全球總許可，該技術用于動力和汽車應用（在各個地區）以及固定式儲能應用（在全球范圍內，除日本和泰國之外，古河電池是總許可持有人）.美國能源部還資助了UltraBattery，用于研究電網規模的固定式儲能應用。2007年，CS??IRO成立了子公司Ecoult，以應對這一市場。Ecoult還獲得了澳大利亞政府的支持，以進一步發展Ultrabattery。2010年5月，美國電池制造商EastPennManufacturing從CSIRO手中收購了Ecoult。2013年3月，澳大利亞政府宣布通過澳大利亞可再生能源署的新興可再生能源計劃進一步提供資金，以進一步開發UltraBattery技術，作為住宅和商業可再生能源系統的經濟高效儲能。

UltraBattery是一種混合設備，將超級電容器技術與鉛酸電池技術結合在一個帶有普通電解質的單節電池中。從物理上講，UltraBattery有一個正極和一個雙負極——一部分是碳，一部分是鉛，在一種普通的電解質中。這些共同構成了UltraBattery單元的負極，但具體而言，碳是電容器的電極，而鉛是鉛酸電池的電極。單個正極（氧化鉛）是所有鉛酸電池的典型特征，并且是鉛酸電池和超級電容器所共有的。這項技術（特別是添加碳電極）使UltraBattery具有與傳統VRLA電池不同的性能特征。尤其是UltraBattery技術在負電池電極上發生xxx性（或硬）硫酸鹽化的影響要小得多——這是傳統鉛酸電池中常見的問題。

在鉛酸電池的正常運行過程中，硫酸鉛晶體在放電時會在負極上生長，在充電時會再次溶解。這些晶體的形成稱為硫酸化。隨著時間的推移，硫酸鹽化會變成xxx性的，因為一些晶體會生長并抵抗溶解。當電池被迫以非常高的放電速率運行時尤其如此，這往往會促進電極表面上的硫酸鉛晶體生長。在中等放電率下，硫酸鉛晶體在整個電極板的橫截面上生長（具有海綿狀稠度），因為電解液（稀硫酸）通過電極體擴散以允許反應發生在整個板塊。但是在非常快的放電速率下，已經在板體內的酸很快就用完了，新鮮的酸不能及時通過電極擴散以繼續反應。因此，反應有利于電極的外壁，在那里晶體可能會形成致密的墊子，而不是分散在整個板上的團塊中。這種晶體墊進一步阻礙了電解質的轉移。然后晶體長大，由于較大的晶體與其表面積相比體積較大，因此在充電過程中很難用化學方法去除它們，這種情況有時被稱為電池電極的“硬”硫酸鹽化[REF]。硬硫酸鹽化會增加電池的阻抗（因為硫酸鉛晶體傾向于使電極與電解質絕緣）并由于增加不良副反應而降低其功率、容量和效率，其中一些副反應發生在負極板內部，因為充電發生在硫酸鉛的可用性低（板體內）。一種不良影響是在板內產生氫氣，進一步降低反應效率。“硬”硫酸化通常是不可逆的，因為隨著越來越多的能量被推入電池，副反應往往占主導地位。為了降低硬硫酸鹽化的可能性，傳統的VRLA電池應以特定的速率放電，具體速率由各種充電算法確定。[REF]此外，它們必須經常刷新，并且最適合在SoC的高端運行（充電80%到xxx）。[REF]雖然在這種有限的充電狀態下運行可以減輕負電極上的xxx性硫酸鹽化，但僅在滿SoC或接近滿SoC時電池運行效率非常低。[REF]效率低下主要是由于增加了消耗能量的副反應（例如電解）的發生率。UltraBattery中集成的超級電容器的存在限制了電池內部硬硫酸鹽的形成。[REF]這支持電池在電池運行效率更高的部分SoC中長時間運行的能力。[REF]傳統VRLA在某種程度上受限于在接近其充電容量頂部的低效區域運行，以保護它們免受硫酸鹽化的損害。繼續研究超級電容器的存在為何如此成功地減少硫酸鹽化的原因。實驗結果表明，VRLA電池中碳的存在具有一定的緩解作用，但UltraBattery中并聯的超級電容器的保護作用更為顯著。例如，Hund等人發現典型的VRLA電池故障模式（失水、UltraBattery將負極板硫酸鹽化和柵極腐蝕）降至最低。Hund的結果還表明，與傳統VRLA電池相比，用于高倍率部分充電狀態應用的UltraBattery表現出更少的放氣、最小化的負極板硬硫酸鹽化、增強的功率性能和最小化的工作溫度。

鉛是電池負極的一部分。碳形成負超級電容器電極的一部分。電解液由硫酸和水組成。硫酸鉛為白色結晶或粉末。正常的鉛酸電池操作會在放電過程中看到小的硫酸鉛晶體在負極上生長，并在充電過程中溶解回電解液中。電極由鉛柵構成，鉛基活性材料化合物——氧化鉛——構成正極板的其余部分。

UltraBattery可用于一系列儲能應用，例如：

• 在電動汽車(EV)電池中
• 儲存可再生能源并從間歇性能源中平穩供電
• 作為具有化石燃料發電機的高效混合電力系統的一部分
• 為電網提供輔助服務。

UltraBattery幾乎xxx可回收，并且可以在現有的電池制造設施中制造。

當用于混合動力汽車時，UltraBattery的超級電容器在高速放電和充電過程中充當緩沖器，使其能夠在車輛加速和制動過程中快速提供和吸收電荷。AdvancedLeadAcidBatteryConsortium對Ultrabattery在混合動力電動汽車中的性能進行了測試，單個電池組的行駛里程超過100,000英里，性能沒有明顯下降。UltraBattery原型的實驗室結果表明，它們的容量、功率、可用能量、冷啟動和自放電達到或超過了為最小和xxx動力輔助混合動力電動汽車設定的所有性能目標。

UltraBattery可用于平滑和轉換（即存儲以備后用）微電網上的可再生能源，以提高可預測的電力可用性。UltraBattery還可用于獨立微電網系統、可再生能源電力系統和混合微電網。獨立的微電網系統將柴油或其他化石燃料與UltraBattery存儲相結合，以提高化石燃料發電的效率。在系統中包含能量存儲可減小發電機組（即發電機陣列）的尺寸，因為電池可以處理負載峰值。UltraBattery還降低了發電機組的油耗，b可再生能源電力系統將UltraBattery技術與可再生能源相結合，以提供本地電力。混合微電網將可再生能源與UltraBattery儲能和化石燃料發電機組相結合，以xxx限度地提高基本負荷發電的效率。與僅使用柴油的微電網相比，這可以xxx降低能源成本。它們還xxx減少了溫室氣體排放。這種類型的微電網的一個例子是由塔斯馬尼亞水電公司承擔的國王島可再生能源整合項目(KIREIP)。這個兆瓦級的可再生能源項目旨在降低向島嶼供電的成本和碳污染。

UltraBattery可用于備份不間斷電源(UPS)。在傳統的UPS系統中，電池一直處于閑置狀態，直到發生電網中斷事件。由于UltraBattery可以提供頻率調節和相關的電網服務，它可以在提供備用電源的同時為UPS資產所有者創造收入。

對于社區應用，UltraBattery可用作電網停電時的備用電池（參見第5.1節）和調峰。也稱為調峰，調峰是在非高峰時間為電池充電，并在高峰時間使用電池的電力以避免更高的電費的能力。社區應用的另一個例子是古河電池在日本北九州前田地區建立的300kW智能電網演示系統。此負載均衡應用程序使用336個UltraBattery電池（1000Ah，2伏）。該公司還在北九州自然歷史和人類歷史博物館安裝了兩次UltraBattery調峰技術的智能電網演示。在日本，ShimizuCorporation在商業建筑中建立了一個微電網（參見第5.2節）。“智能建筑”系統包括163個UltraBattery電池（500Ah，2伏），還可以監控電池電壓、阻抗和溫度。第二個系統安裝在FurukawaBattery的Iwaki工廠，包含192個UltraBattery電池、一個100kW電源調節系統和一個電池管理系統。該負載均衡應用程序旨在控制工廠的電力需求。對于住宅應用，可以通過使用UltraBattery來存儲電力供擁有面板的居民使用，并在高價值峰值期間將電力或調節服務饋入電網，從而改善屋頂太陽能的本地使用。

UltraBattery可以通過五種主要方式管理電網的可變性：頻率調節、可再生能源整合（平滑和轉換）、旋轉備用、斜率控制以及電能質量和弱電網支持。

電網必須管理電力供需的不斷波動，以保持恒定的頻率，以維持電網的物理運行。UltraBattery可以為電網吸收和輸送電力，以幫助管理供需之間的平衡，并保持一致的電壓。Ecoult實施了一個電網規模的儲能系統，該系統在美國賓夕法尼亞-澤西-馬里蘭(PJM)互連的電網上提供3MW的調節服務。四串UltraBattery電池連接到賓夕法尼亞州里昂站的電網。該項目在PJM上向公開市場提供連續的頻率調節服務招標。

通過管理可再生能源輸出的波動，UltraBattery技術可用于將太陽能和風能等可再生能源整合到電網中。它通過“平滑”和“轉移”能量來做到這一點。平滑將來自光伏面板或風力渦輪機的功率的固有可變性轉變為平滑、可預測的信號。該系統監控間歇性可再生能源的輸出，當太陽能（或風能）信號發生變化時，UltraBattery會立即做出響應，釋放能量或吸收多余的能量。以這種方式管理可再生信號的可變性使可再生能源更加可靠。轉移能源是指UltraBattery能夠在非高峰期存儲可再生資源產生的多余能量，然后在需求高峰期在需要時釋放。這使電力公司能夠在高峰時段提高其整體系統性能。PNM是美國新墨西哥州xxx的電力公司，已將UltraBattery儲能系統與太陽能發電場集成在一起，以展示太陽能發電的平滑和轉換，以用作可調度的可再生資源。PNMProsperity項目是美國xxx的光伏能源和太陽能電池板電池存儲組合之一。

許多屋頂光伏板的小規模部署往往會增加太陽能發電間歇性的影響——給電網運營商帶來問題。[REF]UltraBattery儲能已用于通過以受控方式增加電網功率來減少可再生能源的間歇性，從而使可再生能源發電更可預測。

UltraBattery具有五個主要特征，這些特征構成了該技術與傳統VRLA電池技術的不同點：更高的容量周轉率、更低的每千瓦時壽命成本、更高的DC-DC效率、更少的刷新充電和更高的充電接受率。

容量周轉率是衡量電池的理論容量在其生命周期內可以使用多少次的量度。當在實驗條件下比較U??ltraBattery和標準VRLA（在部分SoC方案中使用）時，UltraBattery已被證明實現了標準吸收玻璃啞光VRLA電池的容量周轉率約13倍。

電池的壽命取決于它的使用方式，以及它經過多少次充電和放電循環。在電池每天進行4次40%循環且吞吐量是壽命限制因素的情況下，UltraBattery的使用壽命將是傳統VRLA電池的三到四倍。CSIRO聲稱“UltraBattery的制造成本比具有同等性能的電池便宜70%，并且可以使用現有的制造設施制造”。

電池的DC-DC效率描述了可釋放到與電池相連的負載的能量與充電期間輸入電池的能量的比例。在充電和放電過程中，電池存儲的一些能量會以熱量的形式損失掉，而另一些會在副反應中損失掉。電池的能量損失越低，電池的效率就越高。UltraBattery的開發人員聲稱它可以實現93–95%（取決于速率）的DC-DC效率，在部分SoC狀態下執行可變性管理應用，取決于放電速率，當執行能量轉換應用時，它可以實現86–95%（取決于速率）.相比之下，應用于能量轉換的標準VRLA電池（使用典型的最高充電狀態）的效率要低得多——例如，在充電79%到84%的充電狀態下，測試顯示效率約為55%。UltraBattery的高DC-DC效率是可以實現的，因為（與傳統的VRLA電池一樣）它在80%SoC以下時非常高效地運行。實驗表明，對于VRLA電池，“從零SOC到84%SOC，平均整體電池充電效率為91%”。雖然傳統的VRLA電池不能容忍在這個范圍內工作很長時間而不經常刷新，但UltraBattery可以容忍在低得多的充電狀態下工作而不會顯著退化。因此，它可以實現更高的效率，因為它可以在鉛酸電池最有效的區域長時間運行。

在運行過程中，傳統的閥控式鉛酸蓄電池必須進行刷新（過充電），以溶解積聚在負極上的硫酸鹽晶體，補充電池的容量。刷新電池還有助于將電池組中的電池（多個電池一起使用）恢復到一致的工作電壓。然而，過充電過程很復雜，因為不僅電池在刷新周期期間停止使用，而且完成過充電過程（在合理的時間范圍內）所需的高電流也是各種寄生損耗的原因。這些包括熱損失和由于各種副反應（主要是析氫、析氧和電網腐蝕）引起的損失。UltraBattery可以在不充電的情況下長時間運行。對于可再生能源或電網支持等固定循環應用，這可能需要一到四個月，具體取決于工作量；如果執行每日循環，相同應用中的標準VRLA電池需要每1到2周刷新一次-即使每周刷新一次，性能也會迅速下降。在混合動力電動汽車的汽車應用中，UltraBatteries可以在部分SoC狀態下或多或少地連續運行而無需刷新。Furukawa報告說：“在安裝了UltraBattery電池組的本田Insight混合動力電動汽車的現場駕駛測試中，在沒有恢復充電的情況下實現了100,000英里（約160,000公里）的目標行駛。

由于UltraBattery在部分SoC范圍內有效運行，因此與通常在高充電狀態下運行的傳統VRLA電池相比，它可以更有效地接受充電。桑迪亞國家實驗室測試表明，VRLA電池通常在充電超過90%時效率低于50%，在79%到84%充電時效率約為55%，如果在滿容量的0到84%之間充電時效率超過90%.與傳統的VRLA電池相比，UltraBattery可以高效充電并以高充電/放電速率進行充電。Hund等人的測試結果表明，Ultrabattery能夠以4C1速率循環約15,000次。使用此測試程序的VRLA電池只能以1C1速率循環。1C速率表示電池的全部容量將在此速率下在一小時內使用（或在充電時更換）。4C速率快四倍-即電池將以4C速率在15分鐘內完全放電（或充電）。碳如此顯著延遲硫酸化的確切化學過程尚不完全清楚。然而，UltraBattery的并聯超級電容器的存在顯然保護了負極端子免受硫酸鉛晶體的大表面優勢的影響，這會影響以高放電率運行或長時間在pSoC運行中運行的VRLA電池，從而提高電池的可充電性（另見硬硫酸化）。減少硫酸化還通過減少電極處的氫氣產生來顯著提高充電接受度。這并不意外，因為在充電過程中被推入負極板的電子（通常會與板內的硫酸鉛晶體反應）無法輕易與板表面上的硫酸鉛大晶體，因此傾向于將電解質中豐富的氫離子還原為氫氣。

UltraBattery由美國EastPennManufacturing制造，符合ISO9001:2008、ISO/TS16949:2009和ISO14001:2004認證標準的全球要求。UltraBattery的電解液在水中含有H2SO4，其鉛電極是惰性的。由于電解質主要是水，UltraBattery具有阻燃性。UltraBatteries具有與傳統VRLA電池相同的運輸和危險限制

每個UltraBattery的每個部分——鉛、塑料、鋼和酸——幾乎xxx可回收以供以后重復使用。這些電池的大型回收設施已經可用，美國使用的鉛酸電池中有96%被回收。電池制造商從VRLA電池中回收和分離鉛、塑料和酸。鉛被冶煉和精煉以供重復使用。塑料零件經過清潔、研磨、擠壓和模壓成新的塑料零件。酸被回收、清潔并用于新電池。

獨立實驗室以及EastPennManufacturing、Furukawa和Ecoult已進行了測試，以比較UltraBattery與傳統VRLA電池的性能。

微型混合動力電動汽車電池在70%SoC下以脈沖充放電模式進行了測試。UltraBattery的容量周轉率和循環壽命是傳統VRLA電池的約1.8倍。高級鉛酸電池聯盟(ALABC)在本田思域混合動力電動汽車的高速、部分充電狀態運行中測試了UltraBattery的耐用性。測試車的每加侖行駛里程數與使用鎳氫電池供電的同一車型相當。在微型、輕度和全混合動力汽車負載下，UltraBattery的循環性能至少比傳統的最先進VRLA電池長四倍，與鎳氫電池相當甚至更好。UltraBattery還表現出對再生制動充電的良好接受性，因此在現場試驗期間不需要均衡充電。

UltraBattery在電力智能電網的固定應用中的Wh（瓦時）效率測試表明，在0.1C10A的速率下進行超過30次充放電循環，Wh效率在91%到94.5%之間，具體取決于電池的狀態收費。[REF]這與桑迪亞國家實驗室對鉛酸電池效率的研究進行了比較，該研究發現傳統的鉛酸電池在79%和84%的充電狀態之間運行（傳統鉛酸電池所采用的“頂部”充電模式）酸性電池一般被限制以延長其壽命）只能實現55%的增量充電效率。

電池在60%的充電狀態下進行了3小時的充電和放電測試，每90個循環進行20小時的恢復充電。容量測試表明，經過270次循環后，UltraBattery容量比等于或大于103%，而傳統鉛蓄電池的容量比為93%。測試表明，在部分充電狀態下運行時，UltraBattery比傳統電池具有更長的循環壽命和更好的恢復充電特性。

進行了高倍率、部分充電狀態循環測試，以測量UltraBattery在公用事業輔助服務應用中用于儲能和風電場能量平滑的能力。使用1C1至4C1倍率的高倍率、部分充電狀態循環曲線，UltraBattery能夠以低于20%的容量損失進行超過15,000次循環，并且可以以4C1倍率循環。在相同條件下測試的吸收式玻璃啞光(AGM)VRLA電池只能以1C1倍率循環，大約100次循環后需要恢復充電，1100次循環后容量損失超過20%。與AGMVRLA電池相比，UltraBattery還能夠循環超過十倍于恢復充電之間的循環次數（1000對100）。新南威爾士州漢普頓（澳大利亞）的一個風電場現場試驗正在測試一個系統，該系統旨在展示使用儲能來解決風力發電的短期間歇性問題。該試驗比較了UltraBattery和其他三種鉛酸電池在可再生能源平滑應用中的性能。對每串60個串聯電池的電池電壓變化的測量表明，UltraBattery在10個月內的變化要小得多（電壓范圍變化的標準偏差增加了32%，而140%–251%對于其他三種電池類型）。

桑迪亞國家實驗室的測試表明，UltraBattery在公用循環中的運行時間比傳統VRLA電池長得多。這些測試中的循環曲線旨在模擬頻率調節負載，每小時大約4個循環，峰值功率旨在提供預期的典型SoC范圍。結果表明，傳統的VRLA電池（在部分充電狀態(PSoC)和10%的放電深度下循環）在大約3000次循環后下降到其初始容量的60%。在同一測試中，EastPenn制造的UltraBattery運行了超過22,000次循環，基本保持了xxx的初始容量，而沒有提供恢復充電。測試還表明，UltraBattery在能源應用中的性能比傳統VRLA電池長得多，如桑迪亞國家實驗室模擬的光伏混合循環壽命測試所示。測試得出的結論是，即使在40天的虧電情況下（每天從電池中取出的電量比放回的電量還多的周期）。UltraBatteries的性能遠遠超過傳統的VRLA電池，即使傳統的VRLA電池僅在7天的不足充電狀態下運行。在不足充電狀態下，無法通過逐漸充電恢復，也稱為電池的刷新/均衡，因此硫酸鹽化是該操作狀態下傳統VRLA的典型故障模式。在以60%的放電深度循環100天后，每30天接受一次刷新循環的傳統VRLA電池已降至其初始容量的70%。兩個UltraBattery單元（一個由Furukawa制造，一個由EastPenn制造）每個都經歷了40天的不足充電，其性能仍然明顯優于接受更頻繁刷新的傳統VRLA電池（它最多只經歷了7天的不足充電）。經過430天的騎行，EastPennUltraBattery和FurukawaUltraBattery依然沒有出現故障。EastPennBattery保持其初始容量的85%，而Furukawa電池則非常接近其初始容量的xxx。