钜大LARGE | 点击量：2499次 | 2022年08月22日
锂电池储能技术的分类及前景
到目前为止，针对不同的领域、不同的需求，人们已提出和开发了多种储能技术来满足应用。全球储能技术主要有物理储能、化学储能（如钠硫电池、全钒液流电池、铅酸电池、锂离子电池、超级电容器等）、电磁储能和相变储能等几类。
1.物理储能
物理储能技术主要有抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等。相比化学储能来说，物理储能更加环保、绿色，利用天然的资源来实现。抽水蓄能电站（PSH，PumpedStorageHydroelectricity）是通过配备上、下游两个水库，负荷低谷时设备工作在电动机状态，将下游水库的水抽到上游水库保存，而负荷高峰时设备工作于发电机的状态，利用储存在上游水库中的水发电，见图1。由于技术成熟，抽水储能电站已成为电力系统中应用最为广泛的储能技术，目前我国在建的抽水蓄能电站装机约11400MW，预计至2010年底抽水蓄能电站的总装机可到17500MW左右。
压缩空气蓄能电站（CAES，CompressedAirEnergyStorage）是一种调峰用燃气轮机发电厂，主要利用电网负荷低谷时的剩余电力压缩空气，并将其储藏在典型储气压力为7.5MPa的高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。世界上第一个商业化CAES电站是1978年在德国建造的Huntdorf电站，装机容量为290MW，换能效率77%，运行至今，累计启动超过7000次，主要用于热备用和平滑负荷。和抽水蓄能电站相比，CAES电站选址灵活，它不需建造地面水库，地形条件容易满足，目前压缩空气蓄能电站已经在一些发达国家得到广泛应用。
飞轮储能（FW，FlyWheels），是通过机械能和电能的相互转化来实现充放电。它是以高速旋转的飞轮铁芯作为机械能量储存的介质，利用电动/发电机和能量转换控制系统来控制能量的输入和输出。飞轮储能对制作飞轮的原材料和技术要求很高，直到20世纪90年代才得以飞速发展，用于不间断电源（UPS）/应急电源（EPS）、电网调峰和频率控制等领域。我国在这方面的研究才刚刚起步。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
物理储能如抽水蓄能、压缩空气储能具有规模大、循环寿命长和运行费用低等优点，但是需要特殊的地理条件和场地，建设的局限性较大，且一次性投资费用较高，不适合较小功率的离网发电系统。从发展水平及实用角度来看，化学储能比物理储能具有更广阔的应用前景。
2.化学储能—锂离子电池储能是目前最可行的技术路线
铅酸电池是最老的也是最成熟的化学储能方法，已有100多年的历史，广泛用于汽车启动电源、电动自行车或摩托车动力电源、备用电源和照明电源等。铅酸电池电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液。充电时，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电时，正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸电池可靠性好、原材料易得、价格便宜，但是其最佳充电电流为0.1C左右，充电电流不能大于0.3C，放电电流一般要求在0.05～3C之间，很难满足功率和容量同时兼顾的大规模蓄电要求。同时，铅酸电池不可深度充放电，100%放电条件下对电池的寿命影响非常大（满充放电条件下电池的循环寿命不足300次），并且充电末期水会分解为氢气、氧气体析出，需经常加酸、加水，维护工作繁重，因此不适合在智能电网领域应用。
目前可以应用于智能电网领域的化学电源主要有钠硫电池、液流电池和锂离子电池。
钠硫电池（NaS）是美国福特（Ford）公司于1967年首先发明公布的，它以金属钠为负极，硫为正极，陶瓷管为电解质隔膜。在一定的工作温度下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生可逆反应，形成能量的释放和储存，见图2。钠硫电池比能量高（理论比能量高达760Wh/kg）、可大电流充放电、使用寿命长（10～15年），是目前较经济实用的储能方法之一，主要应用目标是电站负荷调平、UPS应急电源及瞬间补偿电源等领域。目前钠硫电池技术领先的国家是日本，截至2007，日本年产钠硫电池已超过100MW。2008年，日本二又风力发电站导入了NGK公司的17台钠硫电池系统，蓄电能力34MW，成功地抑制了最大功率为51MW的风力发电设备的功率变动，实现了计划性地进行功率输出，为实现风电的并网发电提供了基础。2009年，我国上海硅酸盐研究所成功研制了100kW级关键技术，成为继日本之后世界上第二个掌握大容量钠硫单体电池核心技术的国家，所开发的钠硫电池如图3所示。但是钠硫电池需要高温350℃熔解硫和钠，需要附加供热设备来维持温度，同时过度充电时很危险，因此在安全性和免维护性方面存在不足。
全钒液流电池的研究始于1984年澳大利亚新南威尔士大学的Skyllas-kazacos研究小组，它是一种基于金属钒元素的氧化还原可再生燃料电池储能系统，其工作原理示意图见图4。液流电池采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流使储存在溶液中的化学能转换成电能。液流储能电池系统的额定功率和额定容量相互独立，功率大小取决于电池堆，容量大小取决于电解液，可以通过增加电解液的量或提高电解质的浓度来实现增加电池容量，通过更换电解液实现“瞬间再充电”。液流电池的理论保存期无限，储存寿命长，无自放电，能100%深度放电而不会损坏电池。这些特点使得液流电池成为储能技术的首选技术之一。目前液流储能技术已在美国、德国、日本和英国等发达国家示范性应用，我国目前尚处于研究开发阶段。全钒液流电池的难点在于通常使用的总钒离子浓度低于2mol/L，导致比能量只有25～35Wh/kg，电解液储槽大、较难管理，而且正极液中的五价钒在静置或温度高于45℃的情况下易析出五氧化二钒沉淀，影响电池的使用寿命。
相比较而言，锂离子电池储能则是目前储能产品开发中最可行的技术路线。锂离子电池具有能量密度大、自放电小、没有记忆效应、工作温度范围宽、可快速充放电、使用寿命长、没有环境污染等优点，被称为绿色电池。表1是铅酸电池、钠硫电池、液流电池和以钛酸锂为负极的锂离子电池的比较，可以看出，铅酸电池的使用寿命较短，钠硫电池的不足在于工作温度较高，液流电池的能量密度较低，而以钛酸锂为负极的锂离子电池则显示出综合的性能优势。图5是以钛酸锂为负极的锂离子电池工作原理示意图。
由于钛酸锂为零应变材料，可以避免由于电极材料的来回伸缩而导致结构破坏，从而大幅度提高了锂离子动力电池的使用寿命；并且由于钛酸锂具有较高的工作电位，即使过充电也很难在负极上形成锂枝晶，从而大大提高了锂离子动力电池的安全性。这些改进使得锂离子动力电池在储能领域的应用成为可能，目前以钛酸锂为负极的锂离子动力电池储能技术正成为国内外竞相开发的热点。2008年，美国Altairnano公司开发出1MW钛酸锂储能电池系统，经试运行表明可以输出250kWh的能量，能量转换效率大于90%。2010年，日本东芝（Toshiba）在年度经营方针会上宣布将采用钛酸锂负极材料开发储能用超级锂电池（SCiB），凭借高功率SCiB钛酸锂电池的成功商业化，预计东芝的SCiB储能电池将会很快面向市场。国内中信国安盟固利动力科技有限公司经过5年的技术开发，于2010年开发出了储能领域应用的35Ah电池，
该电池循环寿命已接近8000次，可以5C倍率充放电，安全性能优异，目前该公司正在与合作单位共同开发兆瓦级储能系统，预计该产品2011年可以面向市场销售。
除了以钛酸锂为负极的锂离子动力电池可以应用在储能领域外，随着磷酸铁锂正极材料的应用，传统的碳负极锂离子动力电池的寿命和安全性也得到较大提高，也可应用于储能领域。2010年索尼推出了1.2kWh磷酸铁锂储能电池模块，具有最大2.5kW的输出功率。但是目前磷酸铁锂电池还存在较严重的一致性问题，即使单体电池寿命可以达到2000次以上，电池成组后的寿命会大打折扣，并且磷酸铁锂材料的核心专利掌握在一些国际大公司手中，磷酸铁锂电池的生产将面临专利纠纷问题。因此，目前锂离子储能电池产品中采用钛酸锂锂离子电池进行储能应该是最可行的技术路线。
3.其它储能技术
超导电磁储能是把电能转化为磁能储存在超导线圈的磁场中，通过电磁相互转换实现储能装置的充电和放电。由于超导状态下线圈没有电阻，因此超导储能的能量损耗非常小。但由于超导状态要求线圈处于极低温度下才能实现，而低温需耗费大量能源，且不易小型化，所以该项技术正处于研究开发阶段。
相变储能是利用某些物质在特定温度下，通过相变来吸收或释放能量，如冰蓄冷、水蓄热储能，可以应用于中央空调等领域，是一种新兴的储能技术。
锂电池储能——技术趋近成熟、成本总体降低
锂离子电池是目前市面上最常见的储能技术，广泛应用于各种个人电子产品、行动装置乃至于电动车之车载电池。通常我们说得的锂电池指锂离子电池，按照用途一般分为储能锂电池和动力锂电池。储能锂电池用于光伏或者UPS，内阻比较大，充放电速度较慢，一般为0.5-1C，动力电池一般用在电动汽车上，内阻小，充放电速度快，一般能达到3-5C，价格比储能电池贵1.5倍左右。
能量密度、功率密度，安全性能、充电时间、耐环境的高低温是评估锂电池性能的五大指标，目前我国在锂电池技术上后四点已初步达标，但在能量密度上需要进一步精进工艺，等待进步。2017年3月1日，工信部、发改委、科技部和财政部四部委联合印发了《促进汽车动力电池产业发展行动方案》，《方案》要求动力电池关键材料及零部件取得重大突破。到2020年，正负极、隔膜、电解液等关键材料及零部件达到国际一流水平，上游产业链实现均衡协调发展，形成具有核心竞争力的创新型骨干企业。该方案对于电池比能量的要求势必会引发新一轮高能量密度材料热潮。
目前大热的钛酸锂材料也值得关注。它可以替代石墨作为负极材料。虽然能量密度不高，但钛酸锂可以让电池实现高倍率充放电，且安全性能优异，循环寿命长。据悉，银隆现在所研发的第四代高能量密度钛酸锂电池，与第三代相比成本下降40%，能量密度提高60%。业界乐观预计，未来钛酸锂电池可能将与三元锂电池和磷酸铁锂电池形成三足鼎立的局面。
虽然锂离子电池成本偏高是行业发展面临的严峻挑战，但许多企业一直致力于提高锂离子电池的性价比。据EnergyTrend分析师Duff（吕理舜）对锂电池价格的分析结果，锂电池的价格在17年第一、二、三季度都有少许涨势，但总体而言，近年来随着市场对锂电池的需求持续扩大，锂电池的大规模量产，其成本正在逐年下降，目前的价格而言足以被商业化开发并广泛利用。
此外，动力锂电池衰减到初始容量80%以下后，可以梯次利用到储能领域，进一步降低了储能锂电池的成本。
技术寿命，政策决定市场
光伏技术经过长久的发展与进步，主体技术框架以及其经济性已经被广泛认可，在国家政策和市场的双重助力下得到了较好的发展，与光伏技术不同，目前储能技术还在持续突破的阶段，国内外技术差距还有缩小的空间，有磷酸铁锂电池到三元锂电池，再到目前较火热的钛酸锂材料，技术的变革时刻影响着锂电池的成本与产业链平衡，因此投资者在大批量投入生产时不得不面对技术更新换代的风险，一不小心就被甩了一个次元。
此外，不少企业仍在等待国家出台补贴政策，如补贴光伏产业般对储能行业进行大范围补贴，因此还处于观望的姿态，事实上，无论是否会有补贴，抢先投入市场的企业势必会抢占市场高地。
