主流儲(chǔ)能電池種類梳理及發(fā)展前景展望

目前的儲(chǔ)能技術(shù)可以分為兩大板塊：一是物理儲(chǔ)能，主要包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能等方式；另一個(gè)板塊則是電化學(xué)儲(chǔ)能，也就是我們通常熟知的電池儲(chǔ)能方式。

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展歷程（見(jiàn)下圖）最早起于1800年的Volta電池和1836年的Daniell電池（也稱為鋅銅電池）。隨后，鉛酸電池（1882年）、鎳氫電池（1970年）和鋰電池（1990年）不斷涌現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展歷程（圖源：湯勻等，《下一代電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)國(guó)際發(fā)展態(tài)勢(shì)分析》）

鋰離子電池

鋰離子電池具有儲(chǔ)能密度高、充放電效率高、響應(yīng)速度快、產(chǎn)業(yè)鏈完整等優(yōu)點(diǎn)，是最近幾年發(fā)展最快的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，占據(jù)了電池儲(chǔ)能的近9成裝機(jī)份額，技術(shù)路線上主要為磷酸鐵鋰（LFP）和三元鋰（NCM和NCA）。

全球儲(chǔ)能用鋰電池占比趨勢(shì)（圖源：臺(tái)灣工研院，《儲(chǔ)能用電池市場(chǎng)發(fā)展與未來(lái)趨勢(shì)》）

隨著政策對(duì)新型儲(chǔ)能支持力度加大、電力市場(chǎng)商業(yè)化機(jī)制建立、儲(chǔ)能商業(yè)模式清晰、鋰離子電池成本的持續(xù)下降，儲(chǔ)能鋰離子電池市場(chǎng)正式進(jìn)入加速發(fā)展期。全球主要的鋰離子電池儲(chǔ)能生產(chǎn)商來(lái)自日本（松下）、韓國(guó)（三星SDI、LG Chem）、美國(guó)（特斯拉）和中國(guó)（寧德時(shí)代、比亞迪、力神等）。

雖然鋰離子電池市場(chǎng)份額最大，但其使用有機(jī)電解液，高度易燃，有熱失控的危險(xiǎn)，在大規(guī)模應(yīng)用過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)安全、可靠性等問(wèn)題。2022年6月，國(guó)家能源局發(fā)布《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求（2022年版）（征求意見(jiàn)稿）》，提出“中大型電化學(xué)儲(chǔ)能電站不得選用三元鋰電池、鈉硫電池，不宜選用梯次利用動(dòng)力電池”。這項(xiàng)政策的實(shí)施，為磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等非三元系電池打開(kāi)了新的發(fā)展空間。

鈉離子電池

目前，鈉離子電池已逐步開(kāi)始了從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱没瘧?yīng)用的階段，國(guó)內(nèi)外已有30多家企業(yè)，包括鈉離子電池“三大家”--英國(guó)的Faradion、法國(guó)Tiamat、我國(guó)的中科海鈉，還有美國(guó)的Natron、日本岸田化學(xué)等，正在進(jìn)行鈉離子電池產(chǎn)業(yè)化的相關(guān)布局，并取得了重要進(jìn)展。

鈉離子電池儲(chǔ)能電站（圖片來(lái)源： 中科院物理所  ）

作為中國(guó)首家鈉離子電池企業(yè)，中科海鈉公司依托中國(guó)科學(xué)院物理所的優(yōu)勢(shì)科研力量，已率先實(shí)現(xiàn)鈉離子電池在電動(dòng)自行車、低速電動(dòng)車和儲(chǔ)能電站上的示范應(yīng)用。2019年在江蘇溧陽(yáng)建成并示范運(yùn)行了全球首座100kWh鈉離子電池儲(chǔ)能電站；2021年與華陽(yáng)新材料合作的全球首套1MWh鈉離子電池光儲(chǔ)充智能微網(wǎng)系統(tǒng)在山西太原成功投入運(yùn)行；2021年12月中旬，中科海鈉與三峽集團(tuán)及阜陽(yáng)市人民政府達(dá)成合作，共同建設(shè)全球首條鈉離子電池規(guī)模化量產(chǎn)線，該產(chǎn)線規(guī)劃產(chǎn)能5GWh，分兩期建設(shè)，一期1GWh計(jì)劃于2022年正式投產(chǎn)。

除中科海納外，寧德時(shí)代、欣旺達(dá)、鵬輝能源、鈉創(chuàng)新能源等國(guó)內(nèi)電池企業(yè)也紛紛入局，與容百科技、格林美等多家鋰電池材料企業(yè)同步展開(kāi)鈉離子電池材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化探索。

液流電池

液流電池通過(guò)電解液內(nèi)離子的價(jià)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)電能存儲(chǔ)和釋放。其功率和容量可獨(dú)立設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)靈活、安全性高、儲(chǔ)能規(guī)模大、效率高、壽命長(zhǎng)、生命周期的性價(jià)比高等特點(diǎn)，使其在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。根據(jù)活性物質(zhì)種類不同，液流電池目前主要為全釩液流電池、鋅基液流電池等。

全釩液流電池結(jié)構(gòu)示意圖（圖源：羅麗娟等，《綜合能源服務(wù)用釩電池儲(chǔ)能》）

• 全釩液流電池

全釩液流電池具有系統(tǒng)配置靈活、壽命長(zhǎng)、可深充深放及環(huán)保安全等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為近年來(lái)規(guī)模化儲(chǔ)能的熱點(diǎn)。目前大功率的全釩液流儲(chǔ)能系統(tǒng)已日漸成熟并投入使用。隨著容量規(guī)模的擴(kuò)大、集成技術(shù)的日益成熟，釩電池儲(chǔ)能成本進(jìn)一步降低，在綜合能源服務(wù)中具有廣闊的應(yīng)用前景。研究機(jī)構(gòu)EVTank近日發(fā)布的《中國(guó)釩電池行業(yè)發(fā)展白皮書(shū)（2022年）》顯示，2022年國(guó)內(nèi)大量的釩電池儲(chǔ)能項(xiàng)目開(kāi)工建設(shè)，預(yù)計(jì)全年新增裝機(jī)量將達(dá)到0.6GW；2025年釩電池新增規(guī)模將達(dá)到2.3GW；2030年新增規(guī)模將達(dá)到4.5GW，屆時(shí)，釩電池儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)量將達(dá)到24GW。

• 鋅基液流電池

鋅基液流電池以金屬鋅為負(fù)極活性組分，具有儲(chǔ)能活性物質(zhì)來(lái)源廣泛、價(jià)格便宜、能量密度高等優(yōu)勢(shì)，在分布式儲(chǔ)能領(lǐng)域極具應(yīng)用價(jià)值和競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。其中鋅溴液流電池、鋅鎳液流電池、鋅鐵液流電池等多種類型的鋅基液流電池，在過(guò)去的五十年里得到了廣泛的研究，顯示出了良好的實(shí)際應(yīng)用前景。

鋅溴液流電池生產(chǎn)企業(yè)主要有澳大利亞的Redflow、美國(guó)的ZBB和Primus Power、韓國(guó)的樂(lè)天化學(xué)，以及中國(guó)的安徽美能和百能匯通等公司。鋅鐵液流電池的生產(chǎn)企業(yè)主要有美國(guó)的ViZn公司、中國(guó)的中國(guó)電建集團(tuán)江西省電力建設(shè)有限公司。2022年大連化物所成功開(kāi)發(fā)出10kW/30kWh用戶側(cè)鋅溴液流電池系統(tǒng)（見(jiàn)下圖）。該系統(tǒng)的成功開(kāi)發(fā)，將進(jìn)一步推動(dòng)用戶側(cè)新型鋅基液流電池的發(fā)展與產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，對(duì)于推動(dòng)鋅基液流電池可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所開(kāi)發(fā)的鋅溴液流電池系統(tǒng)，（a）30kWh；（b）10kW（圖源：鄭瓊等，《碳達(dá)峰、碳中和背景下儲(chǔ)能技術(shù)研究進(jìn)展與發(fā)展建議》）

鉛蓄電池

鉛蓄電池的特點(diǎn)是技術(shù)成熟、成本低、安全可靠，但是放電功率較低、壽命較短。鉛蓄電池主要包括鉛酸電池和鉛炭電池，目前的研發(fā)主要集中于鉛炭電池。《2022儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)應(yīng)用研究報(bào)告》統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2021年，我國(guó)鋰離子電池儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模中，鉛蓄電池（包含鉛炭電池）功率規(guī)模占比僅為5.5%。隨著新的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的快速發(fā)展，尤其是鋰離子電池的應(yīng)用，鉛蓄電池將面臨很大的挑戰(zhàn)。

• 鉛酸電池

鉛酸電池由于具有生產(chǎn)原材料豐富、制造工藝成熟、維護(hù)成本低、性能穩(wěn)定和安全可靠等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，但是也存在質(zhì)量比能量低、自放電高、使用壽命短、重金屬污染等缺點(diǎn)。

• 鉛炭電池

鉛炭電池可理解為鉛酸電池的升級(jí)版，通過(guò)在負(fù)極添加高活性的碳材料，可以有效抑制部分荷電態(tài)下因負(fù)極硫酸鹽化引起的容量快速衰減，并可以提高電池的快速充放電能力。前些年，鉛炭電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域已有多個(gè)項(xiàng)目案例，比如，浙江舟山東福山島風(fēng)光柴儲(chǔ)能電站、新疆吐魯番新能源城市微電網(wǎng)示范工程、南方電網(wǎng)光儲(chǔ)一體化柴儲(chǔ)能電站等。不過(guò)，鉛炭電池在經(jīng)過(guò)幾年的快速發(fā)展后目前趨于沉寂，目前鉛炭電池市場(chǎng)規(guī)模還相對(duì)較小，但安全性高、回收率高的特點(diǎn)使其在場(chǎng)地要求不高、有較長(zhǎng)的充放電工作周期等場(chǎng)合仍然是有競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能技術(shù)。

鈉硫電池

鈉硫電池在19世紀(jì)60年代由福特公司首先開(kāi)發(fā)，以其資源優(yōu)勢(shì)、可長(zhǎng)時(shí)放電、寬的環(huán)境適應(yīng)溫度范圍以及較高的能量和體積密度等優(yōu)勢(shì)，近些年在包括美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)、瑞士等國(guó)家得到應(yīng)用研究和推廣。

(a，b) 上硅所開(kāi)發(fā)的30A·h和650 A·h鈉硫單體電池及其循環(huán)性能（圖源：胡英瑛等，《儲(chǔ)能鈉硫電池的工程化研究進(jìn)展與展望》）

然而，鈉硫電池在應(yīng)用過(guò)程中可能發(fā)生失效，鈉硫電池儲(chǔ)能電站也可能產(chǎn)生損壞，安全隱患在一定程度上制約了它的商業(yè)化發(fā)展。基于此，在上述《防止電力生產(chǎn)事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求（2022年版）（征求意見(jiàn)稿）》中，它同三元鋰一起，被關(guān)了小黑屋。

小結(jié)與展望

2021年，中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范方面均取得了重要進(jìn)展。這一年，中國(guó)機(jī)構(gòu)和學(xué)者發(fā)表SCI論文11949篇，居世界第一位，且遙遙領(lǐng)先于第二位美國(guó)，中國(guó)已經(jīng)成為全球儲(chǔ)能技術(shù)基礎(chǔ)研究最活躍的國(guó)家。在關(guān)鍵技術(shù)和集成示范方面，各主要儲(chǔ)能技術(shù)也均取得重要進(jìn)展。

展望未來(lái)，中國(guó)儲(chǔ)能有望保持規(guī)模化發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)。在國(guó)家雙碳戰(zhàn)略的持續(xù)推動(dòng)下，儲(chǔ)能政策將繼續(xù)向好。中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒂型^續(xù)“加速跑”，基礎(chǔ)研究將繼續(xù)保持國(guó)際最活躍國(guó)家地位。鋰離子電池、液流電池、鈉離子電池等多種化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)將快速發(fā)展，儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)⒂瓉?lái)快速發(fā)展的新機(jī)遇。

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