1.2 电池储能技术的发展现状

据不完全统计，截至2016年底，我国投运储能项目累计装机规模24.3GW，同比增长4.7%。其中电化学储能项目的累计装机规模达243MW，同比增长72%。2016年我国新增投运电化学储能项目的装机规模为101.4MW，同比增长299%，发展势头迅猛，如图1-1所示。从应用技术类型来看，截至2015年年底的储能项目统计情况，锂离子电池是最为常用的技术类型，约占所有项目的66%，其次是铅蓄电池（铅炭），约占15%，液流电池占13%。2016年我国新增投运的电化学储能项目几乎全部使用锂离子电池和铅蓄电池，这两类电池的新增装机占比分别为62%和37%。

根据国际可再生能源署（IRENA）日前发布“电力储存与可再生能源——2030年的成本与市场”报告，到2017年年中全球储能装机容量为176GW，其中169GW为抽水蓄能（占96%）；3.3GW为热能储存（1.9%）；1.9GW为电池储能（1.1%）；1.6GW为机械储能（0.9%），其他为0.1%。尽管抽水蓄能仍占绝对优势，但是未来其成本下降空间有限，而各类电池储能成本可望下降50%～60%。预计2030年抽水蓄能装机将小幅增至235GW，而电池储能将快速攀升至175GW。

电池储能作为电能存储的重要方式，其特点在于应用灵活，响应速度快，不受地理条件限制，适合大规模应用和批量化生产。蓄电池种类众多，各具优点，因此在电网中的应用较其他储能更为灵活。各类蓄电池虽在运行机理和技术成熟度都存在差异，但一般较易实现大规模储能，储能效率为60%～90%，这取决于相应的电化学性质和服务周期。目前，实际应用于电力领域的电池储能技术，除了传统铅酸电池，还有几种新兴电池诸如锂离子电池、全钒氧化还原液流电池以及钠硫电池等。

进入21世纪后，以钠硫电池、液流电池、锂离子电池和铅碳电池为代表的电化学储能技术相继取得关键技术突破，其为储能载体至今在全世界范围内一共实施了200多个兆瓦级以上示范工程，展现出了巨大的应用潜力。由于化学储能具有能量转换效率高、系统设计灵活、充放电转换迅速、选址自由等诸多优势，被认为是未来大规模储能技术发展的主要方向。

1.锂离子电池

锂离子电池（Lithium-ion Battery）在充电时，锂离子从正极脱嵌，穿过电解质和隔膜，嵌入到负极材料之中，放电时则相反。锂离子电池具有单体电压水平高、比能量大、比功率大、效率高、自放电率低、无记忆效应、对环境友好等特点，是具有实现规模化储能应用潜力的二次电池。

1）应用领域。近年来，锂离子电池各项关键技术尤其是安全性能方面的突破以及资源和环保方面的优势，使得锂离子电池产业发展速度极快，在新能源汽车、新能源发电、智能电网、国防军工等领域的应用越来越受到关注。大规模锂离子电池可用于改善可再生能源功率输出、辅助削峰填谷、调节电能质量以及用作备用电源等。随着锂离子电池制造技术的完善和成本的不断降低，锂离子电池储能将具有良好的应用前景。

2）技术成熟度。对电极新型化学材料的研究是锂离子电池技术的研究重点，国际上锂离子电池重要部分（如电极、电解液和隔膜）的关键材料都有很大程度的改进和提高。锂离子电池负极材料主要是石墨，电解液和隔膜的选择比较单一，主要通过正极材料名称区分锂离子电池类型。其中，正极的改进经历了从较昂贵的钴酸锂到较便宜、较稳定的磷酸铁锂和锰酸锂的变化。磷酸铁锂以其结构稳定、成本低、安全性能好、绿色环保等优势成为近年来研究的热点。此外，具有较高充放电速率的纳米磷酸铁锂技术（美国A123公司）及钛酸锂技术（Altair Nano公司）的研究已取得突破，并实现了商业化运作。

国内锂离子电池产业的发展得益于手机、笔记本电脑市场的蓬勃发展，随着新材料技术的突破与制造工艺技术的进步，以及电动交通运输工具的兴起与推广，推动了锂离子电池技术的商业化发展。

3）产业化进程。目前已实现产业化的锂离子电池包括钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池和三元材料电池等，主要参数见表1-1。

当前已趋于成熟的小型锂离子电池产业，多服务于小型电器、电动工具以及电动交通工具，而规模化储能型锂离子电池的研发规模距离产业化还有一定距离，正逐渐成为当前电池产业领域关注的焦点。目前，中国、美国、日本等国家均已建成了兆瓦级锂离子电池储能应用示范项目。

2.全钒氧化还原液流电池

氧化还原液流电池（Redox Flow Battery）简称液流电池，最早由美国航空航天局（NASA）资助设计，1974年由ThallerH.L.公开发表并申请了专利。30多年来，多国学者通过变换氧化-还原电对，提出了多种不同的液流电池体系，如铈钒体系、全铬体系、溴体系、全铀体系、全钒体系等。

在众多液流电池体系中，由于全钒氧化还原液流电池（Vanadium Redox Flow Battery，VRB）系统的正、负极活性物质为价态不同的钒离子，可避免正、负极活性物质通过离子交换膜扩散造成的元素交叉污染，优势明显，是目前主要的液流电池产业化发展方向。

正、负极活性物质均为液体的全钒电池具有其他固相化学电池所不具备的特性与优势，但因全钒电池仍存在环境温度适用范围窄、能量转换效率不高等问题尚未普及推广。其特点简述如下：

1）能量与功率独立设计，输出功率取决于电堆体积，储能容量取决于电解液储量和浓度，易扩容、易维护。

2）活性物质存放于电堆之外的液罐中，自放电率低，理论储存寿命长。

3）响应速度快，支持充放电频繁切换以及深度放电。

4）安全系数稳定，支持正、负极电解液混合，且电解液可重复循环使用。

5）特有的液路管道结构，导致支路电流损耗显著，影响储能系统效率。

根据全钒电池运行特性，其应用领域多涉及辅助削峰填谷、改善新能源功率输出、不间断电源（UPS）及分布式电源等场合，如图1-2～图1-5所示。

3.钠硫电池

钠硫电池（Sodium Sulfur battery，简称NaS）是一种以金属钠为负极、硫为正极、陶瓷管β″-Al ₂ O ₃ 为电解质隔膜的二次电池。在一定工作条件下，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，形成能量的释放和储存。钠硫电池原材料丰富，能量密度和转换效率高；但因钠和硫两种元素的大量聚集存在安全隐患，且其运行温度高达280～350℃，启停周期较长，同时因垄断造成成本高且降价空间小，因此尚未推广普及。图1-6所示即容量为180Ah的NaS电池单体实物照片。

目前钠硫电池储能系统已经成功应用于平滑可再生能源发电功率输出、削峰填谷、应急电源等领域。

1）平滑可再生能源发电功率输出的应用如图1-7所示。

2）削峰填谷。通过在用电需求小于发电量时储存多余电能，而在用电需求大于供给时释放已储存电能的手段，钠硫电池储能系统可以有效解决因供需不平衡而造成的电力紧张现象，从而实现削峰填谷，提高现有设备利用率。

4.铅酸电池

铅酸电池的电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液。铅酸电池在负荷状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；放电状态下正负极的主要成分均为硫酸铅。铅酸电池存储容量一般为1kW～10MW，铅酸电池的标称电压为2.0V，比能量为25～30Wh/kg，比功率为150W/kg，工作温度为-20～40℃，最大放电电流为200A，每月自放电率为4%～5%，铅酸电池在放电深度为80%时的循环次数约为2000次，使用寿命为3～20年，电池原理为氧化还原，充放电方法为恒流，最佳工作温度为-20～60℃。可用于容量备用电源、输配电/电网支持/削峰填谷、黑启动。铅酸电池原材料丰富、价廉、技术成熟，但是存在铅污染，电池成本高且循环使用寿命短等问题。

其技术特点如下：

1）较低的比能量和比功率。

2）可平抑几分钟至几小时内的中频波动部分。

3）成本高且循环使用寿命短。

其应用场合如下：

1）电能质量。

2）频率控制。

3）电站备用。

4）黑启动。

5）可再生储能。

5.镍氢电池

镍氢电池属于密封免维护型电池，但相较镍镉电池其不含有毒成分，使用时不必担心环境污染。镍氢电池的能量密度较高，是镍镉电池的1.5～2倍，充/放电速率快，具有较好的低温运行性能，安全性高，无记忆效应，循环寿命长。但镍氢电池的自放电率要明显大于镍镉电池，定期的全充电不可避免，成本也较高。

几种主要电池储能系统的技术参数对比见表1-2。