儲能(電)技術(shù)可分為物理儲能技術(shù)和電化學(xué)儲能技術(shù)。其中，電化學(xué)儲能技術(shù)不受地理地形環(huán)境的限制，可以對電能直接進行存儲和釋放，且從鄉(xiāng)村到城市均可使用，因而引起新興市場和科研領(lǐng)域的廣泛關(guān)切。電化學(xué)儲能技術(shù)在未來能源格局中的具體功能如下：①在發(fā)電側(cè)，解決風能、太陽能等可再生能源發(fā)電不連續(xù)、不可控的問題，保障其可控并網(wǎng)和按需輸配;②在輸配電側(cè)，解決電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻、削峰填谷、智能化供電、分布式供能問題，提高多能耦合效率，實現(xiàn)節(jié)能減排;③在用電側(cè)，支撐汽車等用能終端的電氣化，進一步實現(xiàn)其低碳化、智能化等目標。如圖?1?所示，以儲能技術(shù)為先導(dǎo)，在發(fā)電側(cè)、輸配電側(cè)和用電側(cè)實現(xiàn)能源的可控調(diào)度，保障可再生能源大規(guī)模應(yīng)用，提高常規(guī)電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)效率，驅(qū)動電動汽車等終端用電技術(shù)發(fā)展，建立“安全、經(jīng)濟、高效、低碳、共享”的能源體系，成為未來?20?年我國落實“能源革命”戰(zhàn)略的必由之路。
圖 1 能源革命中的電化學(xué)儲能技術(shù)及發(fā)展預(yù)期
電化學(xué)儲能技術(shù)盡管已有?200?多年歷史，但從來沒有一個歷史時期比?21?世紀更引人注目。電化學(xué)儲能技術(shù)共有上百種，根據(jù)其技術(shù)特點，適用的場合也不盡相同。其中，鋰離子電池一經(jīng)問世，就以其高能量密度的優(yōu)勢席卷整個消費類電子市場，并迅速進入交通領(lǐng)域，成為支撐新能源汽車發(fā)展的支柱技術(shù)。與此同時，全釩液流電池、鉛炭電池等技術(shù)經(jīng)過多年的實踐積累，正以其突出的安全性能和成本優(yōu)勢，在大規(guī)模固定式儲能領(lǐng)域快速拓展應(yīng)用。此外，鈉離子電池、鋅基液流電池、固態(tài)鋰電池等新興電化學(xué)儲能技術(shù)也如雨后新筍般涌現(xiàn)，并以越來越快的速度實現(xiàn)從基礎(chǔ)研究到工程應(yīng)用的跨越。目前，電化學(xué)儲能技術(shù)水平不斷提高、市場模式日漸成熟、應(yīng)用規(guī)模快速擴大，以儲能技術(shù)為支撐的能源革命的時代已經(jīng)悄然到來!
國內(nèi)外電化學(xué)儲能政策
為了搶占能源競爭戰(zhàn)略的制高點，主要發(fā)達國家和地區(qū)都加強了頂層設(shè)計戰(zhàn)略主導(dǎo)，能源科技戰(zhàn)略推陳出新。①美國。2018?年?4?月，美國針對涵蓋新能源和新能源汽車產(chǎn)業(yè)的“中國制造?2025”加征?500?億美元關(guān)稅;同年?9?月，美國能源部(DOE)為儲能聯(lián)合研究中心(JCESR)投入?1.2?億美元(5?年)，以推進電池科學(xué)和技術(shù)研究開發(fā)。②歐盟。2018?年?5?月，歐洲電池聯(lián)盟發(fā)布戰(zhàn)略行動計劃，提出六大戰(zhàn)略行動，將啟動預(yù)計規(guī)模為?10?億歐元的新型電池技術(shù)旗艦研究計劃，打造一個創(chuàng)新、可持續(xù)、具有全球領(lǐng)導(dǎo)地位的電池全價值鏈;同年?6?月，歐盟在“地平線?2020”計劃(支持能源和交通領(lǐng)域電池研究，經(jīng)費?1.14?億歐元)基礎(chǔ)上制定了“地平線歐洲”框架計劃，明確支持“可再生能源存儲技術(shù)和有競爭力的電池產(chǎn)業(yè)鏈”，其中氣候、能源和交通領(lǐng)域的研發(fā)經(jīng)費為?150?億歐元。③日本。2018?年?7?月，日本經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省發(fā)布了《第五期能源基本計劃》，提出降低化石能源依賴度，舉政府之力加快發(fā)展可再生能源;經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省下屬的新能源與工業(yè)技術(shù)開發(fā)組織(NEDO)通過了“創(chuàng)新性蓄電池-固態(tài)電池”開發(fā)項目，將聯(lián)合?23?家企業(yè)、15?家日本國立研究機構(gòu)，并投入?100?億日元，用以攻克全固態(tài)電池商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸技術(shù)，為在?2030?年左右實現(xiàn)規(guī)模化量產(chǎn)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。④德國。2018?年?9?月，德國公布《第七期能源研究計劃》，計劃在未來?5?年投入?64?億歐元，支持多部門通過系統(tǒng)創(chuàng)新推進能源轉(zhuǎn)型，明確支持電力儲能材料的研究。美、日、歐通過前瞻性布局和重金投入推動電池技術(shù)研發(fā)，無疑將加快電化學(xué)儲能的規(guī)模化應(yīng)用步伐。
中國對電化學(xué)儲能技術(shù)也進行了規(guī)范和指導(dǎo)發(fā)展。2016?年?4?月，國家能源局頒布《2016?年能源工作指導(dǎo)意見》;8?月，工信部頒布《中國制造?2025》;10?月，工信部發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》;11?月，國務(wù)院印發(fā)《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》(國發(fā)〔2016〕67?號)。2017?年，財政部、科技部、工信部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》。上述文件均明確提出加快全釩液流電池、鋰離子電池、鉛炭電池等電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展。與此同時，科學(xué)技術(shù)部、國家自然科學(xué)基金委員會、中國科學(xué)院也對電化學(xué)儲能技術(shù)和應(yīng)用示范進行立項支持。然而，這些研究支持相對分散，其實際效果還有待考察。值得一提的是，從?2013?年至今，中國政府對電動汽車行業(yè)的補貼已達數(shù)百億美元之巨，有效促進了鋰離子電池技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展。然而，對于在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用，尚無相應(yīng)的補貼政策。
國內(nèi)外電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展趨勢
在能源革命的黃金時代，各類電化學(xué)儲能技術(shù)需針對其細分市場進行差異化發(fā)展。然而無論對于哪一種儲能技術(shù)，其必須滿足?3?個基本要求：安全性高，全生命周期的性價比高，以及全生命周期的環(huán)境負荷低。目前，技術(shù)成熟度較高的鋰離子電池、全釩液流電池和鉛炭電池等電化學(xué)儲能技術(shù)都基本實現(xiàn)市場運營，在不斷發(fā)展的能源格局中迭代發(fā)展，其基本技術(shù)參數(shù)列于表?1。在未來?20?年內(nèi)，這些技術(shù)有望占領(lǐng)絕大部分電化學(xué)儲能市場。
鋰離子電池
鋰離子電池的種類很多，比較有代表性的是以錳酸鋰、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料、鎳鈷鋁三元材料為正極的商品化電池體系。其中，錳酸鋰成本低、循環(huán)穩(wěn)定性差，可用于低端電動汽車、儲能電站以及電動工具等方面。鈷酸鋰成本高、能量密度高，主要應(yīng)用領(lǐng)域為消費類電子產(chǎn)品。鎳鈷錳三元材料與鈷酸鋰結(jié)構(gòu)類似，但較之具有更長的循環(huán)壽命、更高的穩(wěn)定性、更低的成本，適用于電動工具、電動汽車及大規(guī)模儲能領(lǐng)域。磷酸鐵鋰具有相對較長的循環(huán)壽命、相對較好的安全性、相對較低的成本，已大規(guī)模應(yīng)用于電動汽車、規(guī)模儲能、備用電源等領(lǐng)域。
國際上研發(fā)鋰離子電池儲能系統(tǒng)的公司主要包括美國的特斯拉公司、A123 Systems?公司(現(xiàn)在已被中國萬向集團收購)，日本三菱重工公司，韓國三星公司、LG?公司;國內(nèi)的代表廠商有比亞迪、中航鋰電、力神等公司。特別是美國特斯拉公司，其依托日本松下公司的電池技術(shù)和獨有的電池管理技術(shù)，在電動汽車領(lǐng)域和儲能領(lǐng)域迅速崛起。2017?年，其在澳大利亞的南澳州建成了世界最大規(guī)模的?100 MW/129 MWh?的儲能電站，并成功運行。
盡管如此，鋰離子電池由于能量密度很高、大量使用有機電解液，其發(fā)生的燃爆事故層出不窮，需要選擇合適的應(yīng)用模式，并在大規(guī)模應(yīng)用場合嚴格監(jiān)控。而且，隨著新能源汽車電池逐漸退役，我國預(yù)計到?2020?年退役的動力電池將突破?20 GWh，因而亟待發(fā)展退役動力電池的梯次利用回收技術(shù)，使能源的使用形成閉環(huán)。
經(jīng)過?10?多年的發(fā)展，中、日、韓三國的鋰離子電池電芯產(chǎn)值已占據(jù)全球市場的?90%?以上，鋰離子電池行業(yè)三國鼎立的競爭格局已經(jīng)形成。未來，鋰離子電池需要在降低成本的基礎(chǔ)上繼續(xù)大幅提高安全性，以實現(xiàn)在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的普及使用。
鈉基電池
鈉基電池主要包括高溫鈉硫電池、Zebra?電池和室溫鈉離子電池。鈉硫電池是一種適用于大規(guī)模固定式儲能的技術(shù)。日本?NGK?公司是世界上最大的鈉硫電池生產(chǎn)企業(yè)。自?1983?年開始，NGK?和東京電力公司合作開發(fā)鈉基電池。1992?年實現(xiàn)第一個鈉硫電池示范儲能電站至今，已有?20?余年的應(yīng)用歷程，其中包括全球規(guī)模最大的?34 MW?風力發(fā)電儲能應(yīng)用示范，保證了風力發(fā)電平穩(wěn)輸出。在我國，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所和上海電力公司合作于?2014?年實施了國內(nèi)首個?1.2 MWh?鈉硫儲能電站工程化應(yīng)用示范項目。Zebra?電池的主要研發(fā)企業(yè)為美國?GE?公司，2011?年斥資建造了年產(chǎn)能?1GWh?的?Zebra?電池制造工廠，所生產(chǎn)的?Durathon?電池自?2012?年開始實現(xiàn)了商業(yè)應(yīng)用。高溫鈉基電池存在短路燃燒的風險，其運行安全性仍需進一步驗證。
室溫鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類似，但具有原材料來源豐富、成本低廉、無過放電、安全性好等優(yōu)點，2010?年以來受到國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。目前國內(nèi)外有?10?余家企業(yè)(英國法拉第公司，美國?Natron Energy?公司，法國?TIAMAT?公司，日本岸田、豐田、松下、三菱等公司，以及我國中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、遼寧星空等公司)正在進行相關(guān)中試技術(shù)研發(fā)，并取得了重要進展。其中，依托中國科學(xué)院物理研究所技術(shù)的中科海鈉公司已經(jīng)研制出?120 Wh/kg?的軟包裝鈉離子電池，循環(huán)?2?000?周后的容量保持率高達?80%。2019?年?3?月，中科海鈉與中國科學(xué)院物理研究所聯(lián)合推出?30 kW/100 kWh?鈉離子電池儲能電站，實現(xiàn)用戶側(cè)的示范應(yīng)用。鈉離子電池技術(shù)的開發(fā)成功有望在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發(fā)的儲能電池發(fā)展受限問題。
鉛炭電池
鉛炭電池(或先進鉛酸電池)是傳統(tǒng)鉛酸電池的升級產(chǎn)品，通過在負極加入特種炭材料，彌補了鉛酸電池循環(huán)壽命短的缺陷，其循環(huán)壽命可達到鉛酸電池的?4?倍以上，是目前成本最低的電化學(xué)儲能技術(shù)。并且，由于鉛炭電池適合在部分荷電工況下工作、安全性好，因而適合在各種規(guī)模的儲能領(lǐng)域應(yīng)用。在國際上，美國桑迪亞國家實驗室、美國?Axion Power?公司、國際先進鉛酸電池聯(lián)合會、澳大利亞聯(lián)邦科學(xué)與工業(yè)研究組織、澳大利亞?Ecoult?公司和日本古河電池公司等機構(gòu)均開展了鉛炭電池的研發(fā)工作，并成功將該技術(shù)應(yīng)用在數(shù)?MW?的儲能系統(tǒng)中，可滿足中小規(guī)模儲能和大規(guī)模儲能市場的需求。
中國在鉛炭電池研究、開發(fā)、生產(chǎn)與示范應(yīng)用方面也取得了長足的進步。比較有代表性的是南都電源、雙登電源等鉛酸電池企業(yè)，它們通過與中國人民解放軍防化研究院、哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位合作，開發(fā)出自己的鉛炭電池技術(shù)，并在國內(nèi)成功實施了多個風光儲應(yīng)用示范。例如，浙江鹿西島?6.8?MWh?并網(wǎng)新型能源微網(wǎng)項目，珠海萬山海島?8.4?MWh?離網(wǎng)型新能源微網(wǎng)項目，無錫新加坡工業(yè)園?20?MW?智能配網(wǎng)儲能電站等。2018?年，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所與中船重工風帆股份有限公司合作，開發(fā)出擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能、低成本儲能用鉛炭電池，開展了光伏儲能應(yīng)用示范。
目前，盡管鉛炭電池的循環(huán)壽命比鉛酸電池有大幅提高，但是比起鋰離子電池來說還有明顯不足。如何進一步提高鉛炭電池壽命，以及如何進一步降低鉛炭電池成本，成為其后續(xù)發(fā)展亟待解決的關(guān)鍵問題。
液流電池
液流電池是一類較獨特的電化學(xué)儲能技術(shù)，通過電解液內(nèi)離子的價態(tài)變化實現(xiàn)電能存儲和釋放。自?1974?年?Taller?提出液流儲能電池概念以來，中國、澳大利亞、日本、美國等國家相繼開始研究開發(fā)，并研制出多種體系的液流電池。這些液流電池根據(jù)正負極活性物質(zhì)不同，可分為鐵鉻液流電池、多硫化鈉溴液流電池、全釩液流電池、鋅溴液流電池等體系。其中，全釩液流電池技術(shù)最為成熟，已經(jīng)進入了產(chǎn)業(yè)化階段。全釩液流電池使用水溶液作為電解質(zhì)且充放電過程為均相反應(yīng)，因此具有優(yōu)異的安全性和循環(huán)壽命(>1?萬次)，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域極具應(yīng)用優(yōu)勢。
在國際上，日本住友電工的技術(shù)最具代表性，其?2016?年在日本北海道建成了?15 MW/60 MWh?的全釩液流電池儲能電站，主要在風電并網(wǎng)中應(yīng)用。在中國，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的技術(shù)最具代表性，其在?2008?年將該技術(shù)轉(zhuǎn)入大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司(以下簡稱“融科儲能”)進行產(chǎn)業(yè)化推廣。融科儲能于?2012?年完成了當時全球最大規(guī)模的?5 MW/10 MWh?商業(yè)化全釩液流電池儲能系統(tǒng)，已經(jīng)在遼寧法庫?50 MW?風電場成功并網(wǎng)并安全可靠穩(wěn)定運行了近?7?年，該成果奠定了我國在液流儲能電池領(lǐng)域的世界領(lǐng)軍地位。2014?年，融科儲能開發(fā)的全釩液流儲能電池儲能系統(tǒng)成功進軍歐美市場，開始全球戰(zhàn)略布局。2016?年，國家能源局批復(fù)融科儲能建設(shè)規(guī)模為?200 MW/800 MWh?的全釩液流儲能電池調(diào)峰電站，用于商業(yè)化運行示范。目前，全釩液流儲能電池依然存在能量密度較低、初次投資成本高的問題，正在通過市場模式和技術(shù)創(chuàng)新予以完善。在未來，還需要開發(fā)具有更低成本的長壽命液流電池技術(shù)，以實現(xiàn)技術(shù)的迭代發(fā)展。
我國電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展戰(zhàn)略
當前，我國的能源革命還處于初期階段，相應(yīng)的儲能市場體系還不完善，有必要通過補貼的方式迅速培養(yǎng)出完整的市場和產(chǎn)業(yè)鏈。在推動能源生產(chǎn)革命和消費革命的過程中，要充分發(fā)揮市場對資源的調(diào)配作用，使各類電化學(xué)儲能技術(shù)依據(jù)其技術(shù)特點統(tǒng)籌發(fā)展。在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)方面，仍應(yīng)繼續(xù)加強對研發(fā)的投入，并充分調(diào)動國內(nèi)產(chǎn)學(xué)研優(yōu)勢力量進行聯(lián)合攻關(guān)。
對于液流電池技術(shù)，需要進一步支持全釩液流電池降低成本，開展百?MW?級系統(tǒng)的應(yīng)用示范并推廣應(yīng)用;同時，加強高能量密度、低成本鋅基液流儲能電池的研究，突破其規(guī)模放大技術(shù)，開展示范應(yīng)用，推進其產(chǎn)業(yè)化。對于鉛炭電池技術(shù)，戰(zhàn)略發(fā)展的重點在于實現(xiàn)炭材料的國產(chǎn)化，進一步提高鉛炭電池的性價比，并在器件量產(chǎn)的基礎(chǔ)上，推動儲能系統(tǒng)集成技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展。對于鋰離子技術(shù)，未來需要發(fā)展不易燃的電解液和固態(tài)電解質(zhì)以提高其安全性，結(jié)合退役動力電池梯次利用以大幅降低其成本，并實現(xiàn)廢舊鋰離子電池的無害化處理。與此同時，需要重點開發(fā)耐低溫的鋰離子電池，以實現(xiàn)在我國北方地區(qū)的普及應(yīng)用。除此之外，需要布局新興鈉離子電池技術(shù)的應(yīng)用示范。雖然鈉離子電池能量密度不及鋰離子電池，但鈉離子電池的原材料儲量豐富、成本低廉，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域的優(yōu)勢明顯。未來需要進一步降低成本，提升循環(huán)壽命，全面評測鈉離子電池的電化學(xué)及安全性能，盡快建立鈉離子電池正極材料、負極材料、電解質(zhì)鹽的產(chǎn)業(yè)鏈，開展?MW?級系統(tǒng)的應(yīng)用示范，推進其產(chǎn)業(yè)化。
作為能源革命的關(guān)鍵支撐技術(shù)，電化學(xué)儲能未來發(fā)展的前景極其廣闊。目前，我國多種電化學(xué)儲能技術(shù)均已進入產(chǎn)業(yè)化階段，還有很多新的儲能技術(shù)迭代發(fā)展。但是我國儲能市場的發(fā)展還很不成熟，需要進一步政策引導(dǎo)和激勵發(fā)展。中美貿(mào)易摩擦或?qū)⒔o我國的新能源發(fā)展帶來一定困難，但也同時給我們創(chuàng)造了自主發(fā)展的機遇。為了實現(xiàn)我國能源革命的重大戰(zhàn)略，需要全國科學(xué)家、企業(yè)家的共同努力，不斷推進電化學(xué)儲能技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。
