高效率、低成本的大規模儲能技術是推進能源結構轉型、降低棄風棄光率、實現電網削峰填谷的關鍵。傳統的液流電池采用儲液罐儲存電解液，其投資成本高、占地面積大，限制了其容量的提升及在大規模儲能方面的應用。鹽穴電池儲能技術采用鹽穴儲存電解液，具有安全性高、投資成本低、儲量大及技術成熟等優點，容積巨大的鹽穴完全可以滿足大規模儲能裝機容量的要求。介紹了鹽穴電池儲能技術的工作原理，并結合鹽穴儲液技術的特點提出了鹽穴電池儲能技術發展的關鍵因素，最后，針對大規模儲能技術發展趨勢，探討了鹽穴電池儲能技術的發展前景。

0引言

隨著全球經濟的快速發展和傳統化石燃料的大量消耗，能源供給、能源安全及環境保護等問題成為社會焦點問題，可再生能源的發展日益成為中國社會和經濟可持續發展的重要組成部分，因此，以太陽能和風能為代表的新型清潔能源被大力開發。預計到2020年，中國風能和太陽能發電裝機總容量將超過300GW[1]。但是，風能及太陽能等可再生能源的發電過程存在不穩定性、不連續性及不可控性，直接并入電網將對傳統電網造成嚴重沖擊，而且，可再生能源大規模集中開發地區自身消納能力有限，一些地區已經出現非常嚴重的棄風棄光現象。2016年，中國棄光、棄風、棄水電量分別為70.4億kWh、497億kWh、500億kWh[1]，“三棄”總電量超過1000億kWh，可再生能源發電的送出與消納成為制約其發展的主要因素。此外，傳統電網還面臨著“峰谷差”日益增大、電力資源綜合利用率低等亟需解決的問題。大規模儲能技術改變了傳統電力“即發即用”的狀態，從時間和空間上將發電與用電分隔開來，為能源結構轉型及傳統電網的升級改造提供了有效的技術支撐。大規模儲能技術不僅可以有效解決由可再生能源發電的波動性和間歇性引起的電網電壓及頻率變化問題，實現電力平滑穩定輸出，而且可以用于電能質量的改善及電網的“削峰填谷”[2-3]。有資料預測，2050年太陽能利用將占能源總量的50%，而這個愿望的實現需要借助經濟可行的大規模儲能技術的發展。因此，研究與開發先進的大規模儲能技術對于中國未來能源結構轉型調整及智能電網、能源互聯網的建設具有重要意義。

在種類繁多的儲能技術中，電化學儲能是目前技術較為成熟并且發展迅速的規模化儲能技術[4-5]。電化學儲能技術中，氧化還原液流電池以其組裝設計靈活、可快速充放電、儲能規模大及安全性能高等優勢在大規模儲能應用方面展現出發展潛力[6]。雖然目前世界范圍內已建成大量中小規模(數百千瓦至數兆瓦)的液流電池儲能示范系統[7]，但是液流電池的進一步商業化仍面臨著轉化效率低、電極材料電化學穩定性差、工作電流密度低等問題。除此之外，大規模液流電池儲能系統的建設還存在著占地面積較大及成本較高的問題。而高效率、低成本、大規模是未來液流電池儲能技術發展的必然趨勢，因此，除了要加強對液流電池關鍵材料(如正負極材料、隔膜、電解液等)及電池反應電堆結構的研究外，還應積極探索其他可以顯著降低成本的大規模液流電池儲能技術的開發。

因此，本文提出一種基于鹽穴儲液的鹽穴液流電池儲能系統，解決了液流電池大容量電解液的儲存問題，可大幅度提升電池儲能系統的裝機容量，縮減占地面積，降低成本。因此，利用天然存在的巨大體積的鹽穴替代儲液罐，建造大容量低成本的鹽穴儲能液流電池，具有廣闊的商業應用前景。

1鹽穴電池儲能系統

1.1鹽穴儲液技術

鹽穴是利用水溶方式開采鹽礦后留下的地下洞穴，形狀與大小根據不同的地質條件而定，體積巨大且密封良好，體積一般在107～108m3之間，因此，鹽穴提供了一個巨大而安全的地下空間用于儲存那些不溶解鹽的物質[8]。鹽業制造公司也都普遍認識到鹽穴這種再利用的儲存功能，于是在溶采鹽水的同時會設計對應方案對鹽穴形狀加以控制，從而能夠制造更加適用于儲氣或儲液的鹽穴。目前，鹽穴主要被用來儲存天然氣與石油。通過分析鹽穴儲油的方式[9]，利用鹽穴儲存不溶解鹽的液體存在以下幾個特點：1)高安全性，鹽穴一般處于地下數十米至4000米的地方，承壓能力強。資料顯示，目前威力最強的特種破壞力也僅限于幾十米的深度，這一深度并不會對鹽穴儲備庫造成影響，而且，鹽巖在壓力下具有一定的蠕變性，可以自我修復損傷，保證密閉性;2)儲量大，一般單個鹽穴的體積在幾十萬m3，儲液容量大;3)投資成本低，根據目前鹽穴建設經驗，建造相同體積的鹽穴，其單位造價是地面儲罐的三分之一，而且不會占用大面積的地上空間，節省土地資源。雖然電解液與天然氣等其他氣體在物性方面存在較大的差異，但在鹽穴的選址、造穴、維護及管理方面基本相似，而且儲液庫對鹽穴的密封性、抗壓性及穩定性方面要求較低，因此，對于鹽穴儲液庫的建設而言，基本不存在技術瓶頸。

1.2鹽穴電池結構及工作原理

圖1為鹽穴電池系統示意圖，其中電堆結構單元插圖引自文獻[10]。該電池由電堆結構單元、儲存正負兩極電解液的鹽穴、循環液泵及電解液管路構成。其中，電堆結構單元一般由多個單電池串聯組成，采用疊加封閉式緊鎖結構，具有多個管道以進行電解液的循環流動。而單電池單元通常采用板框式結構，由端片(絕緣框架)、集流板(主要為銅)、電極及離子傳導隔膜等組成。鹽穴電池的正、負極活性物質以液態形式存在于兩個巨大的鹽穴中。此外，鹽穴電池儲能系統還包括能量管理系統、電池管理系統、變壓器和逆變器等組成部分，以完成交流電與直流電之間的轉換及并網充放電。

鹽穴電池系統工作時，在循環液泵的驅動下，正、負極電解液分別在鹽穴和兩個半電池室之間循環流動，通過電解液中的活性物質與正、負電極的可逆氧化還原反應完成化學能和電能間的能量轉換。鹽穴電池的儲能活性物質與電池電極完全分開，即鹽穴電池的能量是儲存在與電池完全分開的電解液中的，而非電池內部，這樣分開獨立的設計結構使得其功率和容量彼此獨立，便于模塊化設計。鹽穴電池的容量取決于電解液的體積，因為采用鹽穴作為儲液介質，其巨大的儲液空間完全可以滿足大規模儲能裝機容量的要求。此外，電堆結構作為鹽穴電池系統的核心組成部分，主要決定了系統的輸出功率。通過調整電堆結構單元中單電池的節數及電極面積，可以實現額定放電功率的要求。大規模儲能系統一般由多套獨立的單元儲能系統夠成，模塊化設計為整個儲能系統運行的可靠性及經濟性奠定了良好的基礎。

2鹽穴電池儲能系統關鍵要素

鹽穴電池儲能系統的建設關鍵在于利用鹽穴取代液流電池系統的儲液罐進行電解液的儲存，如前所述，對于鹽穴儲液庫的建設不存在技術難題。但是，針對液流電池電解液的成分較為復雜而且多為水溶液的特點，如何避免鹽巖的再溶解及鹽巖溶解后對電解液成分的影響是目前鹽穴電池儲能發展的關鍵要素之一。同時，電解液長期存放在鹽穴中，其均勻性及穩定性也是需要考慮的關鍵要素。此外，大規模液流電池儲能系統建設過程中，受限于儲液罐的體積常采取儲能單元模塊化設計，而鹽穴電池用于儲存電解液的鹽穴容積足夠大，這時電堆結構的設計及連接方式成為提高鹽穴電池電流密度的關鍵環節。目前，國內鹽穴電池儲能系統的建設尚屬空白，因此上述關鍵材料或技術的突破對鹽穴電池儲能系統的性能優化及產業化至關重要。

2.1電解液選擇

鹽穴電池系統建立在液流電池基礎之上，因此尋找合適的液流電池體系，從而可以利用鹽穴替代儲液罐進行電解液的儲存是鹽穴電池發展的關鍵。下面簡要介紹液流電池目前的研究現狀，通過分析比較不同液流電池體系，提出適合采用鹽穴進行電解液儲存的問題所在及發展前景。

2.1.1雙液流電池體系

雙液流電池系統的正極、負極分別采用不同的電解液，儲能活性物質與固相電極完全分開。雙液流電池體系是發展最早，也是技術最為成熟的一類液流電池體系，多采用水或無機酸堿作為溶解儲能活性物質的支持電解質，主要是為了降低活性物質成本，提高電池能量密度，進而降低電池成本。目前，許多氧化還原體系已被嘗試應用于雙液流電池系統，其中包括全釩液流電池、鐵/鉻液流電池及溴/多硫化物液流電池等，見表1。

在眾多的雙液流電池系統中，全釩液流電池系統是目前技術較為成熟，并比較接近商業化的系統。1985年，澳大利亞新南威爾士大學Rychick與Skyllas-Kazacos團隊[11]第一次提出全釩液流電池的概念。它的優勢在于，全釩液流電池的電解液為不同價態釩離子的硫酸溶液，很好的克服了正負極電解液的交叉污染問題。由于電極材料、隔膜技術及電堆結構設計技術的進步，近幾年全釩液流電池取得重要進展。目前，在大規模儲能技術中，全釩液流電池技術展現比較好的發展前景，但進一步商業化仍面臨著低能量密度與高成本等問題。

在液流電池的概念被提出后，除全釩液流電池外，通過改變氧化還原體系，其他一些液流電池體系也在世界范圍內也被廣泛研究，包括鐵/鉻液流電池、溴/多硫化物液流電池及鐵/釩液流電池等。這些液流電池體系受限于電池性能、安全性及成本因素等，在世界范圍內僅建有少量的示范性項目甚至有些體系目前僅處于實驗室研究階段。表1列出了這些液流電池體系的性能參數、發展階段及存在的一些技術問題。

圖1鹽穴電池系統示意圖

從表1中可以看出，根據儲能活性物質類別雙液流電池體系又可分為無機體系與有機體系。隨著技術的發展及對電池性能要求的提高，有機體系是近幾年被廣泛研究的新體系，雖然電池性能有明顯提高，但是產業化推廣仍存在著枝晶、腐蝕性、交叉污染等其他一些棘手問題。

表1部分雙液流電池體系的特性

對于雙液流電池體系，采用鹽穴取代儲液罐首先需要解決礦物鹽在支持電解質(水或無機酸堿)中的溶解問題。因為電解質溶液中存在H+，不可避免的可能會與鹽巖繼續反應，進而影響電解質溶液中無機體系活性物質分子的濃度和成分，對液流電池的性能造成影響。另外，氧化還原反應過程中出現的氧化還原離子，多數具有毒性(如V5+、Br等)，如果采用鹽穴代替儲液罐來儲存電解液，如何避免污染也是需要考慮的關鍵問題?；钚晕镔|為有機分子的雙液流體系，表現出較好的性能指標，并且有機分子不會受到礦物鹽溶解的影響，在利用鹽穴代替儲液罐來儲存電解液制造鹽穴電池方面展現出較好的應用前景。

2.1.2單液流電池體系

單液流電池是在雙液流電池基礎上發展出的一種液流電池體系，采用低電位、高容量的金屬或金屬氧化物材料替代一種低濃度的電解液，正、負極共用一種電解液用作儲能物質，這種替代可以顯著提高液流電池的能量密度。根據電解液中支持電解質的類別，單液流電池體系又可分為水系和非水系，水系電解液采用水或無機酸堿作為支持電解質，非水系電解液則采用有機物作為支持電解質。水系液流電池由于受水分解的影響，其開路電壓很難達到2V，而非水系液流電池因為采用有機物作支持電解質，電池電位一般都比較高。因此，非水系液流電池在最近幾年得到了廣泛研究。采用堿金屬離子作為電荷平衡離子。所以，非水系電池需要既有高的鋰離子電導率，又可以阻擋其他活性物質離子通過的膜材料。而目前還沒有這種高離子電導率和高選擇透過性的膜可供使用。因此，這類電池目前也僅僅是處于實驗室研究階段。表2總結了幾種常見的單液流電池體系，其中研究較為廣泛的是基于金屬鋰和金屬鋅的單液流電池。

對于水系單液流電池體系而言同樣存在與巖鹽溶解的問題及電解液中離子的污染性問題。非水系采用有機物作為電解質溶液，這類有機物與巖鹽基本不反應，類似于利用鹽穴儲存液體烴，在利用鹽穴取代儲液罐制備鹽穴電池方面展現出比較好的前景。

表2部分單液流電池體系的特性

2.1.3半固態液流電池體系

半固態液流電池，2007年由麻省理工學院Yet-MingChiang[36]研究組首次提出。這類電池是在結合鋰離子電池和液流電池優勢的基礎上提出的一種新型儲能電池，把傳統鋰離子電池正、負極材料固體顆粒、導電添加劑和電解液的混合物做成可以流動的漿料，分別裝在兩個儲液罐中，在循環泵的推動下，流經正負極半電池室，在微孔隔膜兩側發生氧化還原反應，正、負極材料固體顆粒之間電能的儲存與釋放則通過導電添加劑形成的導電網絡來完成。正極活性漿料采用鋰離子電池正極材料(如LiCoO2、LiFePO4及LiNi0.5Mn1.5O4等)，負極活性漿料采用鋰離子電池負極材料(如Li4Ti5O12、石墨及硅等)。半固態鋰離子電池的特性已被Yet-MingChiang小組研究報道，該小組預估鋰離子半固體液流電池的能量密度可以達到300Wh/L～500Wh/L(130Wh/kg～250Wh/kg)，遠高于傳統液流電池的能量密度。但是，目前實驗室階段使用的電解液體積只能達到100L左右，如何解決半固態漿料的流動性問題，成為一個亟待解決的工程問題。這類電池體系電解液多半采用有機溶液，展現出利用鹽穴取代儲液罐的優勢，但是正如前面所述，半固態漿料流動性差，如何保證大體積半固態漿料的均勻性與流動性是目前商業化應用亟待解決的工程問題。

2.1.4其他液流電池體系

為追求更加優異的性能，目前，許多液流電池與傳統電池相結合的新體系被提出，如金屬/空氣液流電池[37,38]、液流鋰空氣電池[39]等。金屬/空氣電池將氣體(氧氣或空氣)擴散電極用于正極半電池，利用氧和水作為儲能活性物質，以提高液流電池的儲能密度，縮減儲能成本。目前研究較為廣泛的包括雙功能鋅-氧單液流電池、鋅-氧單液流電池及釩/空氣單液流電池等。液流鋰空氣電池是在鋰空氣電池基礎上提出的一種新型電池體系，借用電位合適的氧化還原媒介分子，與氣體擴散罐中的儲能活性物質進行可逆的氧化還原反應。這種設計可以使Li2O2的生成和分解從電池內部轉移到氣體擴散罐，有效避免了因Li2O2沉積引起的電極的鈍化和阻塞問題。這類電池涉及到的是氣體的儲存，利用鹽穴進行儲存，類似于利用鹽穴儲存天然氣，需要考慮安全性問題，可借鑒參考壓縮空氣的儲能技術[40]。但是，這類電池技術目前正處在研究的起始階段，無論是性能指標還是安全性方面，都尚不能滿足實際應用的需求，產業化發展仍需要較長的時間。

綜上，對于雙液流電池而言，儲能活性物質為有機物的電池體系因不需要考慮與巖鹽的反應問題，表現出較為有利的替代趨勢。同樣，非水系單液流電池由于采用了有機物作為支持電解質，利用鹽穴儲存電解液可以借鑒采用鹽穴儲存液態烴的經驗與方法。這兩類電池體系的產業化仍需要加強電池關鍵材料(電解液、電極材料等)及電池結構(循環設計、電堆設計等)的研究，以提高電池的性能、可靠性與安全性。對于固態液流電池及其他空氣型液流電池雖然也展現出可利用鹽穴進行電解液或氣體儲存的優勢，但這些技術僅僅處于研究的起步階段，進一步商業化應用仍面臨著許多艱巨的挑戰。除此之外，大儲量電解液的均勻性及電解液中的離子對環境甚至地下水源的污染問題也是需要考慮的關鍵問題。同時，目前液流電池自身的發展仍存在工作電流密度低、成本高、轉化效率低等系列問題。鹽穴電池儲能技術的進一步發展需要借助于液流電池電極材料創新、隔膜傳導選擇性提升、電堆結構設計優化等關鍵技術的突破。

2.2鹽穴儲液庫

鹽穴儲液庫是鹽穴電池系統的核心組成部分，一方面需要考慮電解液與巖鹽的反應問題，另一方面，鹽穴的密閉性及抗壓性也需要考慮在內。此外，鹽穴電池工作時，對鹽穴中的電解液會有比較頻繁的注采頻率。因此，注采頻率對鹽穴穩定運行的影響規律需要進一步研究，以保證鹽穴的穩定性與安全性。

2.3電堆結構設計

鹽穴電池系統的電堆結構決定著系統的輸出功率，因此，對電堆技術關鍵材料的研究也是目前液流電池系統領域的一個重要方向。對于一些關鍵材料及部件如雙極板、電極片、離子傳導膜及密封件等已具備自主研發的能力。對于大規模鹽穴儲能系統的建設需要根據電解液的性質針對性的進行電堆結構的關鍵材料與器件的制備，開發大功率電堆技術，以進一步提高鹽穴電池儲能系統的能量效率、功率效率與安全性。

3鹽穴電池儲能系統發展現狀

德國率先開展了鹽穴儲能電池系統的研究工作。德國能源公司EweGasspeicherGmbH與耶拿市弗里德里希˙席勒˙耶納大學合作計劃在Jemgum天然氣儲存設施所在地建造一套全球最大的氧化還原液流電池[41]，即Brine4power。Brine4power電池系統示意如圖2所示，該電池系統首次利用地下的巨大鹽穴來儲存電解液，每個鹽穴的容量達到了105m3，因此電池總容量也達到700MWh，輸出功率亦可達120MW，可滿足7.5萬戶家庭的用電需求。2017年11月26日Ewe宣布該項目取得重大突破，耶納大學科研人員成功研發出一種可回收聚合物，作為鹽水電解質的活性分子。團隊稱，與常規氧化還原液流電解質所采用的重金屬/硫酸混合物相比，這些材料更加環保。目前，這種聚合物已經通過了初步測試。Brine4power項目主管RalfRiekenberg表示，這說明該項目向制造全球最大電池的目標邁進了一大步，但仍需要進行更多測試，預計該氧化還原液流電池系統會在2023年底投入運營。中國鹽穴電池相關研究仍處于起步階段，鹽穴電池儲能技術目前在國內尚屬空白。

圖2Brine4power電池系統示意圖

4應用前景展望

中國地下鹽礦資源豐富，儲量超過1萬億噸，且分布范圍廣，在華東、華北及西北地區，如蘇北、蘇南、河南、四川、陜西等，均發現了大型鹽礦的存在，具備良好的建設地下鹽穴儲液庫的地質條件[40]。中國巖鹽開采的規模已超過4000萬噸/年，且以每年10%的速度在遞增，形成的溶腔體積達500萬m3/年[42]。目前，中國鹽穴資源基本處于閑置狀態，利用率普遍較低，已用的鹽穴數量僅占總量的0.2%，主要用來儲存天然氣及石油等戰略物資。鑒于目前大部分鹽穴處于閑置狀態，尚有較大的利用空間，相關的鹽業公司也在積極探索鹽穴在更多其他方面的應用以提高鹽穴資源利用率。國內，在鹽穴造腔工藝技術和儲庫建造技術上已處于領先水平的中鹽金壇鹽化有限責任公司(中鹽金壇公司)，目前正在探索鹽穴在新能源領域的儲能技術應用。2017年5月27日，國家能源局正式批復中鹽金壇公司與清華大學(電機系)合作開展基于鹽穴壓縮空氣儲能系統相關工作[42]。作為國家壓縮空氣儲能示范項目，該示范項目一期建設規模為50MW的壓縮空氣儲能發電系統，并將結合項目所在區域負荷發展及可再生能源開發情況，構建基于鹽穴空氣儲能發電系統的微電網工程。如前面介紹，德國EweGasspeicherGmbH能源公司也正在積極籌建鹽穴電池儲能系統。

作為中國優質的鹽穴資源，金壇鹽礦埋深800m～1200m，鹽礦分布面積約60多km2，具有NaCl含量高、泥鹽夾層少、礦層頂底板分布穩定、密封性好等優勢，是建造鹽穴儲氣庫的優越資源。目前金壇共有空閑鹽穴650萬m3，經過改造，這些鹽穴可以用于建設鹽穴電池。按照2個10萬m3的鹽穴電池儲能700MWh的標準計算，金壇目前鹽穴總裝機容量可以超過20000MWh。如此巨大的儲能容量對于支撐當地電網的調峰需求，促進電力系統經濟運行，緩解峰谷差造成的電力供應緊張局面具有重要意義。因此，利用鹽穴取代液流電池中的儲液罐來制造大規模鹽穴電池儲能系統，將是鹽穴應用于儲能領域的另一重要發展。

中國的可再生清潔能源主要分布在西南、西北、東北和華北等地區，由于可再生能源的不穩定性及不可控性等特點，可再生能源發電的并網存在較大問題。中國的能源結構復雜，存在資源分布不均衡的問題，即西北部可再生能源發電量高，但是需求量低，而東部和中部經濟較發達地區需求量大，但可再生能源存量低。然而，由于受電網輸送及跨區域交易機制的影響，可再生能源的消納成為目前新能源發展的瓶頸問題。大規模鹽穴電池儲能技術可以平抑短時間內的波動，幫助可再生能源向電網友好接入，減少棄風、棄光，從而切實提高可再生能源的消納水平。此外，對于中國傳統電力行業而言，電力的生產、傳輸、配電及使用是同時進行的，因此存在用電高峰時不能及時給負荷供電，用電低峰時又會出現輸配電線路利用率低的問題。目前這種傳統電網峰谷差問題正呈現出日益增大的趨勢。大規模鹽穴電池儲能技術在用電低谷時進行儲能，在用電高峰時釋放能量，不僅可以提高輸電線路的利用率，在同等輸電線路容量的條件下可以滿足更高的負荷要求，而且對于沖擊性負荷也可以起到很好的削峰填谷作用。雖然目前技術成熟度較高的抽水蓄能技術也可以在一定程度上解決上述問題，但抽水蓄能電站對地理地勢條件要求較高，大多數高負荷需求的城市并不存在建設抽水蓄能電站的條件，而且可能還存在生態及移民等問題，其推廣應用受到一定的限制。

總之，鹽穴電池儲能系統具有儲能容量大、響應速度快、循環壽命長及成本造價低等優點，是解決棄風、棄光問題，實現可再生能源大規模接入的關鍵手段，也是解決傳統電力削峰填谷，提高傳統能源綜合利用效率，發展智慧能源與能源互聯網的重要支撐技術。同時，鹽穴電池儲能技術的發展還可以提高資源整合度，充分利用高負荷需求地區豐富的鹽穴資源，克服其他儲能技術的高成本及規?；ㄔO等問題，實現可再生能源與鹽穴資源的綜合高效利用。

5結語

液流電池因為功率輸出與能量儲存分別獨立設計的特點，在大規模儲能方面具有顯著優勢。而利用天然體積巨大的鹽穴進行電解液儲存，設計鹽穴電池儲能系統，不僅可以低成本的制備大規模儲能電池，而且可以提高地上空間利用效率。中國鹽礦資源豐富，分布范圍廣，隨著利用鹽穴儲氣、儲油技術的推廣，溶腔造穴的技術也日益成熟，為開展鹽穴電池儲能技術的發展提供了有利條件。隨著技術的發展及規?；瘍δ艿钠惹行枨?，大規模、高效率液流電池的產業化與大規模應用已迫在眉睫，這也必將帶動鹽穴電池儲能技術的發展。