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鄒小姐：13326633089 -
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引言：預(yù)計到2050年，清潔能源的大規(guī)模開發(fā)利用將為全球帶來500TWh（TWh太瓦時，1太瓦小時=10^12瓦時=10^9千瓦時=10億千瓦時=10億度電）的儲能需求；工信部：2022年3-4月全國儲能電池產(chǎn)量超過10.5GWh（GWh吉瓦時，1GWH吉瓦時=10^9瓦時=10^6千瓦時=100萬度電）。一輛特斯拉的汽車存電量大約是60~90度電。純電動車目標是百公里耗電約12度。
電力能源以其清潔、便利等特點，已成為人類現(xiàn)代生產(chǎn)和生活中不可或缺的重要部分，但現(xiàn)階段全球電力能源仍以火力發(fā)電為主體（占到了68％，而中國更高達75％以上）?；鹆Πl(fā)電產(chǎn)生的廢氣給環(huán)境保護帶來了巨大壓力，加上煤炭、石油等石化資源的不均衡分布和有限儲量，使得電力能源成本持續(xù)攀升，電力使用的安全保障逐漸下降。近年來，無論是為了應(yīng)對能源危機，還是緩解日益嚴峻的環(huán)境壓力，世界各國都把目光投向可再生的綠色新能源。
▲新能源項目需得搭配大號充電寶-儲能站
然而與傳統(tǒng)的火力發(fā)電相比，這些新能源形式有一個內(nèi)在缺陷，那就是它們的正常運轉(zhuǎn)受到自然條件的限制，造成電能的輸出與用戶的需求往往不能很好地匹配。例如用太陽能給一個住宅區(qū)供電，白天居民大多不在家，太陽能電池產(chǎn)生的電能供大于求，白白浪費掉；到了晚上居民下班回家，用電量激增，太陽能電池此時卻又無法正常供電。此時，就需要新型儲能提供重要裝備基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)支撐，用以建設(shè)新型電力系統(tǒng)，實現(xiàn)電網(wǎng)安全可控。”
機械和電化學儲能是目前技術(shù)最成熟，規(guī)模最大的儲能技術(shù)。按照儲能介質(zhì)形態(tài)分類，目前的儲能技術(shù)可分為五種形式：電化學儲能、機械儲能、電磁儲能、化學儲能和冷/熱儲能等。抽水蓄能電站是最成熟裝機量最大的儲能路線，但裝機受地形限制大。電化學儲能具有能量密度高、響應(yīng)時間快、維護成本低、靈活方便等優(yōu)點，成為目前大規(guī)模儲能技術(shù)的發(fā)展方向。
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電化學儲能 |
包括鋰離子電池、鉛酸電池等，主要優(yōu)點是使用方便，不受地域限制 |
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機械儲能 |
以抽水儲能為主，具有容量大、壽命長的特點 |
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電磁儲能 |
電磁儲能：包括超導(dǎo)儲能和超級電容器，存在成本較高的缺點 |
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化學儲能 |
以氫儲能、合成燃料為主，能量轉(zhuǎn)換效率低且存在安全隱患 |
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冷/熱儲能 |
有熱化學儲能、相變儲能等，但可靠性較低且應(yīng)用場景受限 |
電網(wǎng)靜態(tài)電化學儲能與汽車動力電源對電池特性的要求各有側(cè)重，前者以儲能價格和電池壽命作為第一要素，而后者則以能量密度、功率特性和安全性能作為研發(fā)重點。從面向電網(wǎng)大規(guī)模儲能的角度來看，儲能價格和電池壽命是電化學儲能技術(shù)的關(guān)鍵參數(shù)，下文我們一起來看看適用于大規(guī)模儲能領(lǐng)域的電池類型~
1、鋰離子電池
目前從技術(shù)路線上來說，業(yè)界對鋰離子電池比較常見的分類為鈷酸鋰電池、錳酸鋰電池、鎳鈷鋁酸鋰電池（進口三鋰元）、鎳鈷錳酸鋰電池（國產(chǎn)三鋰元）、磷酸鐵鋰電池、鈦酸鋰電池。其中鈷酸鋰電池產(chǎn)業(yè)化最成熟，已廣泛應(yīng)用在手機、筆記本電腦等小型移動設(shè)備上；錳酸鋰電池以低成本、高性能的優(yōu)勢成為潛在的電動汽車電池，在日本有一定的成熟度；三元電池，以相對廉價的鎳和錳取代了鈷酸鋰中三分之二以上的鈷，成本相比鈷酸鋰更低、能量密度高于磷酸鐵鋰，收到了動力電池廠家的成本，但伴隨著鈷資源的日漸緊缺，成本優(yōu)勢還是不夠明顯；磷酸鐵鋰電池以長壽命、低成本以及高安全性等優(yōu)勢成為目前最熱門的儲能和電動汽車電池。
▲鋰離子電池產(chǎn)生電流的工作原理（鋰離子電池是預(yù)先在正極使用含鋰金屬化合物，負極使用能吸儲鋰的碳(石墨) ）
▼鋰離子電池的種類和特點
20世紀90年代末，Padhi等人合成了一種磷酸鐵鋰（LiFePO4）的正極材料，首次從材料上降低了鋰離子電池的價格，使得鋰離子電池在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。此外，快速發(fā)展的新能源汽車動力蓄電池開始迎來“退役潮”，退役的鋰離子電池應(yīng)用于儲能系統(tǒng)也成為了一個重要的方向。
▲道達爾在法國的25MW的存儲容量鋰離子電池儲能項目
▲2021年6月，Arevon在加利福尼亞州的一個100MW/400MWh的Saticoy儲能項目上線運行，使用142個3MWhMegapack開發(fā)和建造。知情人士透露稱，特斯拉Megapack采用的是寧德時代的鐵鋰電池。
2、液流電池
液流電池和通常以固體作電極的普通蓄電池不同，液流電池的活性物質(zhì)是具有流動性的液體電解質(zhì)溶液，由于大量的電解質(zhì)溶液可以存儲在外部并通過泵輸送到電池內(nèi)反應(yīng)，液流電池的規(guī)模相對于普通蓄電池可以大幅提高。電池內(nèi)的正、負極電解液由離子交換膜隔開，在充、放電過程中，電解液中的活性物質(zhì)離子在惰性電極表面發(fā)生價態(tài)的變化。目前最有前景的分為全釩液流電池(VRFB)、鋅溴液流電池（ZBFB或ZBB）、鐵基液流電池三種技術(shù)路線，其中全釩路線最為成熟。總的來說，液流電池能量密度低于鋰電池，但安全性更好，但成本也高出不少。
液流電池的基本原理
目前，已經(jīng)有兆瓦／兆瓦時級和超過兆瓦級的全釩液流電池組投入運營液流電池具有容量大、功率大、效率高、壽命長、安全性高等優(yōu)點，使其在很短的時間內(nèi)得到了較快的發(fā)展。但是，其產(chǎn)業(yè)化仍面臨電解液、電極極板特別是離子交換膜等關(guān)鍵材料的制約及實際儲能價格偏高等問題。
▲2022年5月24日0時32分，220千伏儲南線和儲灣線順利送電，大連液流電池儲能調(diào)峰電站成功接入大連電網(wǎng)，標志著大連電網(wǎng)首個“黑啟動”電源投入使用。本期投入的716個灰白色電解液儲罐將可儲存400MWH(兆瓦時)電量，即40萬度電
▲央廣網(wǎng)5月26日消息近日，由大連化物所提供的20kWh新一代液流電池儲能系統(tǒng)在比利時調(diào)試運行成功
3、鈉硫電池
鈉硫電池于1966年首先由美國福特公司針對電動汽車中的應(yīng)用而提出。但是隨后的研究發(fā)現(xiàn)，由于鈉硫電池具有高比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、溫度穩(wěn)定性以及無自放電等特性，使其成為目前最具市場活力和較好應(yīng)用前景的儲能電池。鈉硫電池的電極材料是鈉和硫，儲量豐富，成本較低。鈉硫電池儲能成本約為400~600美元/（kW·h）和1000-3000美元/kW，比較接近大規(guī)模儲能市場預(yù)期。但由于它使用了金屬鈉，是一種易燃物，又運行在高溫下，所以存在一定的風險。
以熔融態(tài)的鈉和硫分別作為負極和正極，以β″-Al2O3陶瓷管作為固態(tài)電解質(zhì)兼正負極隔膜，電池的工作溫度在300~350℃，以使電極處于熔融狀態(tài)，工作原理如下。
鈉硫電池
目前，日本NGK公司是國際上鈉硫儲能電池研制、發(fā)展和應(yīng)用的標志性機構(gòu)。NGK采用50kW的模塊，可由多個50kW的模塊組成MW級的大容量的電池組件。在日本、德國、法國、美國等地已建有約200多處此類儲能電站，主要用于負荷調(diào)平、移峰、改善電能質(zhì)量和可再生能源發(fā)電，電池價格仍然較高。
▲2021年10月20日，日本礙子（NGK-insulators）宣布，向德國化工集團巴斯夫提供的鈉硫電池（NAS）已在巴斯夫安特衛(wèi)普Verbund工廠（比利時）開始運行，這也是巴斯夫集團首次安裝鈉硫電池
4、鈉離子電池
鋰離子電池的飛速發(fā)展必然會導(dǎo)致鋰資源的緊缺，從而影響其儲能價格和大規(guī)模持續(xù)供給。金屬鈉價格低廉、儲量豐富，且與鋰電位相近，以其作為電極材料構(gòu)成的鈉離子電池在大規(guī)模儲能應(yīng)用中將有很大的發(fā)展?jié)摿?。鈉離子電池與鋰離子電池結(jié)構(gòu)和原理相似，正負極材料均采用鈉離子容易嵌入/脫嵌的活性材料，電解質(zhì)是溶解有鈉離子的有機溶劑或采用鹽類摻雜的固態(tài)聚合物。與鋰離子電池相比，鈉離子電池預(yù)計在大規(guī)模儲能領(lǐng)域更具有優(yōu)勢，不僅原材料價格低廉、儲量豐富，而且鈉的電位比鋰高0.3V，盡管能量密度稍低一些，但這意味著鈉離子電池可以使用分解電壓更低的電解質(zhì)溶液，使其安全性能明顯優(yōu)于鋰離子電池。
鈉離子電池原理
“雙碳”背景下，儲能行業(yè)發(fā)展前景廣闊。受此影響，鈉離子電池一直站在風口上。今年以來，具有更低成本儲能優(yōu)勢、更安全性能的鈉離子電池開始受到業(yè)界青睞。2022年5月13日，國家能源局公布了2021年度能源領(lǐng)域首臺(套)重大技術(shù)裝備(項目)名單，包括75項技術(shù)裝備，其中儲能領(lǐng)域涉及8個技術(shù)裝備(項目)，氫能涉及4個。中科海鈉研發(fā)并于2021年6月28日投運的1MWh鈉離子儲能電池系統(tǒng)成功入選。該項目是中國科學院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項大規(guī)模儲能關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用示范項目，由中科海鈉和中科院物理所聯(lián)合打造，目前運行狀況良好。
2021年度能源領(lǐng)域首臺(套)重大技術(shù)裝備(項目)名單部分
▲▼2021年6月28日，全球首套1MWh鈉離子儲能系統(tǒng)在山西太原正式投運
該系統(tǒng)以鈉離子電池為儲能主體，結(jié)合市電、光伏和充電設(shè)施形成微網(wǎng)系統(tǒng)，可根據(jù)需求與公共電網(wǎng)智能互動。1MWh鈉離子儲能電池系統(tǒng)研制成功具有重大意義，標志著我國在鈉離子電池技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化走在了世界前列，同時意味著鈉離子電池步入商業(yè)化應(yīng)用新階段。
5、液態(tài)金屬電池
液態(tài)金屬電池正負極均為金屬，電解質(zhì)為無機鹽，運行時正負極金屬和無機鹽電解質(zhì)均為熔融態(tài)，液態(tài)金屬與無機熔鹽互不混溶，且由于密度差自動分為三層。在設(shè)計電極和電解質(zhì)材料時，上層負極液態(tài)金屬密度最小，下層正極液態(tài)金屬密度最大，中間熔鹽電解質(zhì)層密度居中，熔鹽電解質(zhì)兼作正負極間隔離層。
液態(tài)金屬電池示意圖(a)放電(b)充電
液態(tài)電極不存在長期使用造成的電極形變和枝晶生長等影響電池壽命及安全性能的因素，因此可以長期安全運行，預(yù)計電池壽命可以達到15年。無機熔鹽電解質(zhì)兼做正負極隔離層，電池無需特殊隔膜，既降低了電池的成本，又使得電池體系容易放大和生產(chǎn)。由于不存在隔膜技術(shù)的制約，且電極和電解質(zhì)來源廣泛、價格較低，通過測算得出液態(tài)金屬電池系
統(tǒng)的儲能價格有望低于250美元/(kW·h)，能滿足目前市場對大規(guī)模儲能的價格預(yù)期。液態(tài)金屬電池的高倍率充放電性能及電池系統(tǒng)的可放大性，使得液態(tài)金屬電池能滿足能量型和功率型雙重應(yīng)用，在大規(guī)模儲能中有著廣闊的應(yīng)用前景。
在美國麻省理工教授DonaldSadoway主導(dǎo)下，一家美國科技初創(chuàng)公司Ambri于2010年成立，該公司聲稱其新型液態(tài)金屬電池可以用于長期儲能應(yīng)用。該公司已獲得1.44億美元投資，并與一家關(guān)鍵材料供應(yīng)商簽署了協(xié)議。Ambri的電池芯陽極使用液態(tài)鈣合金以及熔融鹽電解液；陰極由固體銻顆粒制成，并裝入不銹鋼外殼。然后將它們放入準備安裝的DC集裝箱系統(tǒng)中。
Ambri稱其生產(chǎn)過程步驟更少，產(chǎn)品成本將低于鋰離子電池。當電池在500℃高溫下工作時，不受熱逃逸、電解液分解和廢氣排放的影響，適用于高容量、循環(huán)頻繁、壽命長、效率高的應(yīng)用場合。據(jù)稱這種非流動電池的預(yù)期壽命為20年。
電網(wǎng)靜態(tài)電化學儲能與汽車動力電源對電池特性的要求各有側(cè)重，前者以儲能價格和電池壽命作為第一要素，而后者則以能量密度、功率特性和安全性能作為研發(fā)重點。因此，靜態(tài)電化學儲能技術(shù)的發(fā)展如果完全沿用動力電池的研究思路，將很難實現(xiàn)新的技術(shù)突破。實現(xiàn)儲能技術(shù)的低價格、長壽命、高效率和易放大，是電網(wǎng)電化學儲能研究領(lǐng)域的共同目標。
參考資料：
1、幾類面向電網(wǎng)的儲能電池介紹蔣凱1，2，李浩秒1，2，李威1，2，程時杰1（1．強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室，華中科技大學，湖北省武漢市430074；2．華中科技大學材料科學與工程學院，湖北省武漢市430074）
2、化學儲能技術(shù)及其在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用/蘇偉等編著.-北京：科學出版社，2013.8
粉體圈編輯：Alpha
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