引言：预计到2050年，清洁能源的大规模开发利用将为全球带来500TWh（TWh太瓦时，1太瓦小时=10^12瓦时=10^9千瓦时=10亿千瓦时=10亿度电）的储能需求；工信部：2022年3-4月全国储能电池产量超过10.5GWh（GWh吉瓦时，1GWH吉瓦时=10^9瓦时=10^6千瓦时=100万度电）。一辆特斯拉的汽车存电量大约是60~90度电。纯电动车目标是百公里耗电约12度。

电力能源以其清洁、便利等特点，已成为人类现代生产和生活中不可或缺的重要部分，但现阶段全球电力能源仍以火力发电为主体（占到了68％，而中国更高达75％以上）。火力发电产生的废气给环境保护带来了巨大压力，加上煤炭、石油等石化资源的不均衡分布和有限储量，使得电力能源成本持续攀升，电力使用的安全保障逐渐下降。近年来，无论是为了应对能源危机，还是缓解日益严峻的环境压力，世界各国都把目光投向可再生的绿色新能源。

▲新能源项目需得搭配大号充电宝-储能站

然而与传统的火力发电相比，这些新能源形式有一个内在缺陷，那就是它们的正常运转受到自然条件的限制，造成电能的输出与用户的需求往往不能很好地匹配。例如用太阳能给一个住宅区供电，白天居民大多不在家，太阳能电池产生的电能供大于求，白白浪费掉；到了晚上居民下班回家，用电量激增，太阳能电池此时却又无法正常供电。此时，就需要新型储能提供重要装备基础和关键技术支撑，用以建设新型电力系统，实现电网安全可控。”

机械和电化学储能是目前技术最成熟，规模最大的储能技术。按照储能介质形态分类，目前的储能技术可分为五种形式：电化学储能、机械储能、电磁储能、化学储能和冷/热储能等。抽水蓄能电站是最成熟装机量最大的储能路线，但装机受地形限制大。电化学储能具有能量密度高、响应时间快、维护成本低、灵活方便等优点，成为目前大规模储能技术的发展方向。

电化学储能	包括锂离子电池、铅酸电池等，主要优点是使用方便，不受地域限制
机械储能	以抽水储能为主，具有容量大、寿命长的特点
电磁储能	电磁储能：包括超导储能和超级电容器，存在成本较高的缺点
化学储能	以氢储能、合成燃料为主，能量转换效率低且存在安全隐患
冷/热储能	有热化学储能、相变储能等，但可靠性较低且应用场景受限

电网静态电化学储能与汽车动力电源对电池特性的要求各有侧重，前者以储能价格和电池寿命作为第一要素，而后者则以能量密度、功率特性和安全性能作为研发重点。从面向电网大规模储能的角度来看，储能价格和电池寿命是电化学储能技术的关键参数，下文我们一起来看看适用于大规模储能领域的电池类型~

1、锂离子电池

目前从技术路线上来说，业界对锂离子电池比较常见的分类为钴酸锂电池、锰酸锂电池、镍钴铝酸锂电池（进口三锂元）、镍钴锰酸锂电池（国产三锂元）、磷酸铁锂电池、钛酸锂电池。其中钴酸锂电池产业化最成熟，已广泛应用在手机、笔记本电脑等小型移动设备上；锰酸锂电池以低成本、高性能的优势成为潜在的电动汽车电池，在日本有一定的成熟度；三元电池，以相对廉价的镍和锰取代了钴酸锂中三分之二以上的钴，成本相比钴酸锂更低、能量密度高于磷酸铁锂，收到了动力电池厂家的成本，但伴随着钴资源的日渐紧缺，成本优势还是不够明显；磷酸铁锂电池以长寿命、低成本以及高安全性等优势成为目前最热门的储能和电动汽车电池。

▲锂离子电池产生电流的工作原理（锂离子电池是预先在正极使用含锂金属化合物，负极使用能吸储锂的碳(石墨) ）

▼锂离子电池的种类和特点

20世纪90年代末，Padhi等人合成了一种磷酸铁锂（LiFePO4）的正极材料，首次从材料上降低了锂离子电池的价格，使得锂离子电池在大规模储能领域的应用成为可能。此外，快速发展的新能源汽车动力蓄电池开始迎来“退役潮”，退役的锂离子电池应用于储能系统也成为了一个重要的方向。

▲道达尔在法国的25MW的存储容量锂离子电池储能项目

▲2021年6月，Arevon在加利福尼亚州的一个100MW/400MWh的Saticoy储能项目上线运行，使用142个3MWhMegapack开发和建造。知情人士透露称，特斯拉Megapack采用的是宁德时代的铁锂电池。

2、液流电池

液流电池和通常以固体作电极的普通蓄电池不同，液流电池的活性物质是具有流动性的液体电解质溶液，由于大量的电解质溶液可以存储在外部并通过泵输送到电池内反应，液流电池的规模相对于普通蓄电池可以大幅提高。电池内的正、负极电解液由离子交换膜隔开，在充、放电过程中，电解液中的活性物质离子在惰性电极表面发生价态的变化。目前最有前景的分为全钒液流电池(VRFB)、锌溴液流电池（ZBFB或ZBB）、铁基液流电池三种技术路线，其中全钒路线最为成熟。总的来说，液流电池能量密度低于锂电池，但安全性更好，但成本也高出不少。

 

液流电池的基本原理

目前，已经有兆瓦／兆瓦时级和超过兆瓦级的全钒液流电池组投入运营液流电池具有容量大、功率大、效率高、寿命长、安全性高等优点，使其在很短的时间内得到了较快的发展。但是，其产业化仍面临电解液、电极极板特别是离子交换膜等关键材料的制约及实际储能价格偏高等问题。

▲2022年5月24日0时32分，220千伏储南线和储湾线顺利送电，大连液流电池储能调峰电站成功接入大连电网，标志着大连电网首个“黑启动”电源投入使用。本期投入的716个灰白色电解液储罐将可储存400MWH(兆瓦时)电量，即40万度电

 

▲央广网5月26日消息近日，由大连化物所提供的20kWh新一代液流电池储能系统在比利时调试运行成功

3、钠硫电池

钠硫电池于1966年首先由美国福特公司针对电动汽车中的应用而提出。但是随后的研究发现，由于钠硫电池具有高比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、温度稳定性以及无自放电等特性，使其成为目前最具市场活力和较好应用前景的储能电池。钠硫电池的电极材料是钠和硫，储量丰富，成本较低。钠硫电池储能成本约为400~600美元/（kW·h）和1000-3000美元/kW，比较接近大规模储能市场预期。但由于它使用了金属钠，是一种易燃物，又运行在高温下，所以存在一定的风险。

以熔融态的钠和硫分别作为负极和正极，以β″-Al2O3陶瓷管作为固态电解质兼正负极隔膜，电池的工作温度在300~350℃，以使电极处于熔融状态，工作原理如下。

钠硫电池

目前，日本NGK公司是国际上钠硫储能电池研制、发展和应用的标志性机构。NGK采用50kW的模块，可由多个50kW的模块组成MW级的大容量的电池组件。在日本、德国、法国、美国等地已建有约200多处此类储能电站，主要用于负荷调平、移峰、改善电能质量和可再生能源发电，电池价格仍然较高。

▲2021年10月20日，日本碍子（NGK-insulators）宣布，向德国化工集团巴斯夫提供的钠硫电池（NAS）已在巴斯夫安特卫普Verbund工厂（比利时）开始运行，这也是巴斯夫集团首次安装钠硫电池

4、钠离子电池

锂离子电池的飞速发展必然会导致锂资源的紧缺，从而影响其储能价格和大规模持续供给。金属钠价格低廉、储量丰富，且与锂电位相近，以其作为电极材料构成的钠离子电池在大规模储能应用中将有很大的发展潜力。钠离子电池与锂离子电池结构和原理相似，正负极材料均采用钠离子容易嵌入/脱嵌的活性材料，电解质是溶解有钠离子的有机溶剂或采用盐类掺杂的固态聚合物。与锂离子电池相比，钠离子电池预计在大规模储能领域更具有优势，不仅原材料价格低廉、储量丰富，而且钠的电位比锂高0.3V，尽管能量密度稍低一些，但这意味着钠离子电池可以使用分解电压更低的电解质溶液，使其安全性能明显优于锂离子电池。

钠离子电池原理

“双碳”背景下，储能行业发展前景广阔。受此影响，钠离子电池一直站在风口上。今年以来，具有更低成本储能优势、更安全性能的钠离子电池开始受到业界青睐。2022年5月13日，国家能源局公布了2021年度能源领域首台(套)重大技术装备(项目)名单，包括75项技术装备，其中储能领域涉及8个技术装备(项目)，氢能涉及4个。中科海钠研发并于2021年6月28日投运的1MWh钠离子储能电池系统成功入选。该项目是中国科学院A类战略性先导科技专项大规模储能关键技术与应用示范项目，由中科海钠和中科院物理所联合打造，目前运行状况良好。

2021年度能源领域首台(套)重大技术装备(项目)名单部分

▲▼2021年6月28日，全球首套1MWh钠离子储能系统在山西太原正式投运

该系统以钠离子电池为储能主体，结合市电、光伏和充电设施形成微网系统，可根据需求与公共电网智能互动。1MWh钠离子储能电池系统研制成功具有重大意义，标志着我国在钠离子电池技术及其产业化走在了世界前列，同时意味着钠离子电池步入商业化应用新阶段。

5、液态金属电池

液态金属电池正负极均为金属，电解质为无机盐，运行时正负极金属和无机盐电解质均为熔融态，液态金属与无机熔盐互不混溶，且由于密度差自动分为三层。在设计电极和电解质材料时，上层负极液态金属密度最小，下层正极液态金属密度最大，中间熔盐电解质层密度居中，熔盐电解质兼作正负极间隔离层。

液态金属电池示意图(a)放电(b)充电

液态电极不存在长期使用造成的电极形变和枝晶生长等影响电池寿命及安全性能的因素，因此可以长期安全运行，预计电池寿命可以达到15年。无机熔盐电解质兼做正负极隔离层，电池无需特殊隔膜，既降低了电池的成本，又使得电池体系容易放大和生产。由于不存在隔膜技术的制约，且电极和电解质来源广泛、价格较低，通过测算得出液态金属电池系

统的储能价格有望低于250美元/(kW·h)，能满足目前市场对大规模储能的价格预期。液态金属电池的高倍率充放电性能及电池系统的可放大性，使得液态金属电池能满足能量型和功率型双重应用，在大规模储能中有着广阔的应用前景。

在美国麻省理工教授DonaldSadoway主导下，一家美国科技初创公司Ambri于2010年成立，该公司声称其新型液态金属电池可以用于长期储能应用。该公司已获得1.44亿美元投资，并与一家关键材料供应商签署了协议。Ambri的电池芯阳极使用液态钙合金以及熔融盐电解液；阴极由固体锑颗粒制成，并装入不锈钢外壳。然后将它们放入准备安装的DC集装箱系统中。

Ambri称其生产过程步骤更少，产品成本将低于锂离子电池。当电池在500℃高温下工作时，不受热逃逸、电解液分解和废气排放的影响，适用于高容量、循环频繁、寿命长、效率高的应用场合。据称这种非流动电池的预期寿命为20年。

电网静态电化学储能与汽车动力电源对电池特性的要求各有侧重，前者以储能价格和电池寿命作为第一要素，而后者则以能量密度、功率特性和安全性能作为研发重点。因此，静态电化学储能技术的发展如果完全沿用动力电池的研究思路，将很难实现新的技术突破。实现储能技术的低价格、长寿命、高效率和易放大，是电网电化学储能研究领域的共同目标。

 

参考资料：

1、几类面向电网的储能电池介绍蒋凯1，2，李浩秒1，2，李威1，2，程时杰1（1．强电磁工程与新技术国家重点实验室，华中科技大学，湖北省武汉市430074；2．华中科技大学材料科学与工程学院，湖北省武汉市430074）

2、化学储能技术及其在电力系统中的应用/苏伟等编著.-北京：科学出版社，2013.8

粉体圈编辑：Alpha

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