鉅大LARGE | 點擊量：2511次 | 2022年08月22日
鋰電池儲能技術的分類及前景
到目前為止，針對不同的領域、不同的需求，人們已提出和開發了多種儲能技術來滿足應用。全球儲能技術主要有物理儲能、化學儲能（如鈉硫電池、全釩液流電池、鉛酸電池、鋰離子電池、超級電容器等）、電磁儲能和相變儲能等幾類。
1.物理儲能
物理儲能技術主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等。相比化學儲能來說，物理儲能更加環保、綠色，利用天然的資源來實現。抽水蓄能電站（PSH，PumpedStorageHydroelectricity）是通過配備上、下游兩個水庫，負荷低谷時設備工作在電動機狀態，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，而負荷高峰時設備工作于發電機的狀態，利用儲存在上游水庫中的水發電，見圖1。由于技術成熟，抽水儲能電站已成為電力系統中應用最為廣泛的儲能技術，目前我國在建的抽水蓄能電站裝機約11400MW，預計至2010年底抽水蓄能電站的總裝機可到17500MW左右。
壓縮空氣蓄能電站（CAES，CompressedAirEnergyStorage）是一種調峰用燃氣輪機發電廠，主要利用電網負荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在典型儲氣壓力為7.5MPa的高壓密封設施內，在用電高峰釋放出來驅動燃氣輪機發電。世界上第一個商業化CAES電站是1978年在德國建造的Huntdorf電站，裝機容量為290MW，換能效率77%，運行至今，累計啟動超過7000次，主要用于熱備用和平滑負荷。和抽水蓄能電站相比，CAES電站選址靈活，它不需建造地面水庫，地形條件容易滿足，目前壓縮空氣蓄能電站已經在一些發達國家得到廣泛應用。
飛輪儲能（FW，FlyWheels），是通過機械能和電能的相互轉化來實現充放電。它是以高速旋轉的飛輪鐵芯作為機械能量儲存的介質，利用電動/發電機和能量轉換控制系統來控制能量的輸入和輸出。飛輪儲能對制作飛輪的原材料和技術要求很高，直到20世紀90年代才得以飛速發展，用于不間斷電源（UPS）/應急電源（EPS）、電網調峰和頻率控制等領域。我國在這方面的研究才剛剛起步。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
物理儲能如抽水蓄能、壓縮空氣儲能具有規模大、循環壽命長和運行費用低等優點，但是需要特殊的地理條件和場地，建設的局限性較大，且一次性投資費用較高，不適合較小功率的離網發電系統。從發展水平及實用角度來看，化學儲能比物理儲能具有更廣闊的應用前景。
2.化學儲能—鋰離子電池儲能是目前最可行的技術路線
鉛酸電池是最老的也是最成熟的化學儲能方法，已有100多年的歷史，廣泛用于汽車啟動電源、電動自行車或摩托車動力電源、備用電源和照明電源等。鉛酸電池電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液。充電時，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電時，正負極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸電池可靠性好、原材料易得、價格便宜，但是其最佳充電電流為0.1C左右，充電電流不能大于0.3C，放電電流一般要求在0.05～3C之間，很難滿足功率和容量同時兼顧的大規模蓄電要求。同時，鉛酸電池不可深度充放電，100%放電條件下對電池的壽命影響非常大（滿充放電條件下電池的循環壽命不足300次），并且充電末期水會分解為氫氣、氧氣體析出，需經常加酸、加水，維護工作繁重，因此不適合在智能電網領域應用。
目前可以應用于智能電網領域的化學電源主要有鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池。
鈉硫電池（NaS）是美國福特（Ford）公司于1967年首先發明公布的，它以金屬鈉為負極，硫為正極，陶瓷管為電解質隔膜。在一定的工作溫度下，鈉離子透過電解質隔膜與硫之間發生可逆反應，形成能量的釋放和儲存，見圖2。鈉硫電池比能量高（理論比能量高達760Wh/kg）、可大電流充放電、使用壽命長（10～15年），是目前較經濟實用的儲能方法之一，主要應用目標是電站負荷調平、UPS應急電源及瞬間補償電源等領域。目前鈉硫電池技術領先的國家是日本，截至2007，日本年產鈉硫電池已超過100MW。2008年，日本二又風力發電站導入了NGK公司的17臺鈉硫電池系統，蓄電能力34MW，成功地抑制了最大功率為51MW的風力發電設備的功率變動，實現了計劃性地進行功率輸出，為實現風電的并網發電提供了基礎。2009年，我國上海硅酸鹽研究所成功研制了100kW級關鍵技術，成為繼日本之后世界上第二個掌握大容量鈉硫單體電池核心技術的國家，所開發的鈉硫電池如圖3所示。但是鈉硫電池需要高溫350℃熔解硫和鈉，需要附加供熱設備來維持溫度，同時過度充電時很危險，因此在安全性和免維護性方面存在不足。
全釩液流電池的研究始于1984年澳大利亞新南威爾士大學的Skyllas-kazacos研究小組，它是一種基于金屬釩元素的氧化還原可再生燃料電池儲能系統，其工作原理示意圖見圖4。液流電池采用質子交換膜作為電池組的隔膜，電解質溶液平行流過電極表面并發生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流使儲存在溶液中的化學能轉換成電能。液流儲能電池系統的額定功率和額定容量相互獨立，功率大小取決于電池堆，容量大小取決于電解液，可以通過增加電解液的量或提高電解質的濃度來實現增加電池容量，通過更換電解液實現“瞬間再充電”。液流電池的理論保存期無限，儲存壽命長，無自放電，能100%深度放電而不會損壞電池。這些特點使得液流電池成為儲能技術的首選技術之一。目前液流儲能技術已在美國、德國、日本和英國等發達國家示范性應用，我國目前尚處于研究開發階段。全釩液流電池的難點在于通常使用的總釩離子濃度低于2mol/L，導致比能量只有25～35Wh/kg，電解液儲槽大、較難管理，而且正極液中的五價釩在靜置或溫度高于45℃的情況下易析出五氧化二釩沉淀，影響電池的使用壽命。
相比較而言，鋰離子電池儲能則是目前儲能產品開發中最可行的技術路線。鋰離子電池具有能量密度大、自放電小、沒有記憶效應、工作溫度范圍寬、可快速充放電、使用壽命長、沒有環境污染等優點，被稱為綠色電池。表1是鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池和以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池的比較，可以看出，鉛酸電池的使用壽命較短，鈉硫電池的不足在于工作溫度較高，液流電池的能量密度較低，而以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池則顯示出綜合的性能優勢。圖5是以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池工作原理示意圖。
由于鈦酸鋰為零應變材料，可以避免由于電極材料的來回伸縮而導致結構破壞，從而大幅度提高了鋰離子動力電池的使用壽命；并且由于鈦酸鋰具有較高的工作電位，即使過充電也很難在負極上形成鋰枝晶，從而大大提高了鋰離子動力電池的安全性。這些改進使得鋰離子動力電池在儲能領域的應用成為可能，目前以鈦酸鋰為負極的鋰離子動力電池儲能技術正成為國內外競相開發的熱點。2008年，美國Altairnano公司開發出1MW鈦酸鋰儲能電池系統，經試運行表明可以輸出250kWh的能量，能量轉換效率大于90%。2010年，日本東芝（Toshiba）在年度經營方針會上宣布將采用鈦酸鋰負極材料開發儲能用超級鋰電池（SCiB），憑借高功率SCiB鈦酸鋰電池的成功商業化，預計東芝的SCiB儲能電池將會很快面向市場。國內中信國安盟固利動力科技有限公司經過5年的技術開發，于2010年開發出了儲能領域應用的35Ah電池，
該電池循環壽命已接近8000次，可以5C倍率充放電，安全性能優異，目前該公司正在與合作單位共同開發兆瓦級儲能系統，預計該產品2011年可以面向市場銷售。
除了以鈦酸鋰為負極的鋰離子動力電池可以應用在儲能領域外，隨著磷酸鐵鋰正極材料的應用，傳統的碳負極鋰離子動力電池的壽命和安全性也得到較大提高，也可應用于儲能領域。2010年索尼推出了1.2kWh磷酸鐵鋰儲能電池模塊，具有最大2.5kW的輸出功率。但是目前磷酸鐵鋰電池還存在較嚴重的一致性問題，即使單體電池壽命可以達到2000次以上，電池成組后的壽命會大打折扣，并且磷酸鐵鋰材料的核心專利掌握在一些國際大公司手中，磷酸鐵鋰電池的生產將面臨專利糾紛問題。因此，目前鋰離子儲能電池產品中采用鈦酸鋰鋰離子電池進行儲能應該是最可行的技術路線。
3.其它儲能技術
超導電磁儲能是把電能轉化為磁能儲存在超導線圈的磁場中，通過電磁相互轉換實現儲能裝置的充電和放電。由于超導狀態下線圈沒有電阻，因此超導儲能的能量損耗非常小。但由于超導狀態要求線圈處于極低溫度下才能實現，而低溫需耗費大量能源，且不易小型化，所以該項技術正處于研究開發階段。
相變儲能是利用某些物質在特定溫度下，通過相變來吸收或釋放能量，如冰蓄冷、水蓄熱儲能，可以應用于中央空調等領域，是一種新興的儲能技術。
鋰電池儲能——技術趨近成熟、成本總體降低
鋰離子電池是目前市面上最常見的儲能技術，廣泛應用于各種個人電子產品、行動裝置乃至于電動車之車載電池。通常我們說得的鋰電池指鋰離子電池，按照用途一般分為儲能鋰電池和動力鋰電池。儲能鋰電池用于光伏或者UPS，內阻比較大，充放電速度較慢，一般為0.5-1C，動力電池一般用在電動汽車上，內阻小，充放電速度快，一般能達到3-5C，價格比儲能電池貴1.5倍左右。
能量密度、功率密度，安全性能、充電時間、耐環境的高低溫是評估鋰電池性能的五大指標，目前我國在鋰電池技術上后四點已初步達標，但在能量密度上需要進一步精進工藝，等待進步。2017年3月1日，工信部、發改委、科技部和財政部四部委聯合印發了《促進汽車動力電池產業發展行動方案》，《方案》要求動力電池關鍵材料及零部件取得重大突破。到2020年，正負極、隔膜、電解液等關鍵材料及零部件達到國際一流水平，上游產業鏈實現均衡協調發展，形成具有核心競爭力的創新型骨干企業。該方案對于電池比能量的要求勢必會引發新一輪高能量密度材料熱潮。
目前大熱的鈦酸鋰材料也值得關注。它可以替代石墨作為負極材料。雖然能量密度不高，但鈦酸鋰可以讓電池實現高倍率充放電，且安全性能優異，循環壽命長。據悉，銀隆現在所研發的第四代高能量密度鈦酸鋰電池，與第三代相比成本下降40%，能量密度提高60%。業界樂觀預計，未來鈦酸鋰電池可能將與三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池形成三足鼎立的局面。
雖然鋰離子電池成本偏高是行業發展面臨的嚴峻挑戰，但許多企業一直致力于提高鋰離子電池的性價比。據EnergyTrend分析師Duff（呂理舜）對鋰電池價格的分析結果，鋰電池的價格在17年第一、二、三季度都有少許漲勢，但總體而言，近年來隨著市場對鋰電池的需求持續擴大，鋰電池的大規模量產，其成本正在逐年下降，目前的價格而言足以被商業化開發并廣泛利用。
此外，動力鋰電池衰減到初始容量80%以下后，可以梯次利用到儲能領域，進一步降低了儲能鋰電池的成本。
技術壽命，政策決定市場
光伏技術經過長久的發展與進步，主體技術框架以及其經濟性已經被廣泛認可，在國家政策和市場的雙重助力下得到了較好的發展，與光伏技術不同，目前儲能技術還在持續突破的階段，國內外技術差距還有縮小的空間，有磷酸鐵鋰電池到三元鋰電池，再到目前較火熱的鈦酸鋰材料，技術的變革時刻影響著鋰電池的成本與產業鏈平衡，因此投資者在大批量投入生產時不得不面對技術更新換代的風險，一不小心就被甩了一個次元。
此外，不少企業仍在等待國家出臺補貼政策，如補貼光伏產業般對儲能行業進行大范圍補貼，因此還處于觀望的姿態，事實上，無論是否會有補貼，搶先投入市場的企業勢必會搶占市場高地。
