電力儲能技術(shù)進(jìn)展與挑戰(zhàn)

蔣凱

（華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

◆本刊專稿◆

電力儲能技術(shù)進(jìn)展與挑戰(zhàn)

蔣凱

（華中科技大學(xué) 強(qiáng)電磁工程與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074）

近年來，我國在全國范圍內(nèi)進(jìn)行電網(wǎng)改造和升級，對工業(yè)企業(yè)進(jìn)行節(jié)電改造，對全國居民的生活節(jié)能節(jié)電給予補(bǔ)貼，標(biāo)志著我國電力工業(yè)已經(jīng)進(jìn)入需求側(cè)管理時(shí)代。電力儲能技術(shù)的引入將有效削減負(fù)荷峰谷差，降低供電成本，有效實(shí)現(xiàn)需求側(cè)管理。同時(shí)，規(guī)模儲能技術(shù)的廣泛應(yīng)用將大大增強(qiáng)電網(wǎng)對大規(guī)?？稍偕茉吹慕蛹{能力，實(shí)現(xiàn)間歇式可再生能源發(fā)電的可預(yù)測、可控制、可調(diào)度，促進(jìn)傳統(tǒng)電網(wǎng)的升級與變革，實(shí)現(xiàn)發(fā)電和用電之間在時(shí)間和空間上的解耦，徹底改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)的建設(shè)模式，促進(jìn)電力系統(tǒng)從外延擴(kuò)張型向內(nèi)涵增效型的轉(zhuǎn)變，提高供電可靠性和電能質(zhì)量［1］。因此儲能技術(shù)在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中具有舉足輕重的作用（如圖1所示）［2］。現(xiàn)有儲能技術(shù)包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能和超導(dǎo)磁儲能等物理儲能技術(shù)，和鋰離子電池、鉛炭電池、液流電池、鈉硫電池、液態(tài)金屬電池和超級電容器等電化學(xué)儲能技術(shù)［3—6］。不同儲能技術(shù)的工作原理、轉(zhuǎn)化效率以及成本、壽命等儲能特性都存在著很大的差異，因此它們在電力系統(tǒng)中適用的場合也各不相同［2］。一般來說，飛輪儲能、超導(dǎo)磁儲能和超級電容器等適合高倍率的功率型應(yīng)用，其他技術(shù)適合規(guī)模儲能的能量型應(yīng)用。下面將對不同類型的儲能技術(shù)分別進(jìn)行簡要介紹，以期為電力儲能技術(shù)的發(fā)展提供一定的參考。

圖1 用于發(fā)、輸、配和終端客戶的電力儲存應(yīng)用示意圖［2］

1 物理儲能技術(shù)簡介

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能技術(shù)成熟、可靠、經(jīng)濟(jì)性強(qiáng)，適用于調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相、電網(wǎng)的黑啟動(dòng)電源和事故備用等，是目前最成熟的大規(guī)模儲能技術(shù)。但其對廠址的要求較高，大多建設(shè)在山區(qū)丘陵地帶，受地理因素等限制?，F(xiàn)階段，我國迫切需要攻克高水頭、大容量機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造難關(guān)，實(shí)現(xiàn)機(jī)組設(shè)計(jì)制造國產(chǎn)化，從根本上降低我國抽水蓄能電站的工程造價(jià)，實(shí)現(xiàn)抽水儲能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展［7］。

1.2 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能規(guī)模大、效率高、能量密度較高，相比于抽水儲能選址更為靈活，因此得到廣泛的關(guān)注，有望成為未來大規(guī)模儲能的重要技術(shù)方向之一［8］。目前壓縮空氣儲能仍然面臨一些亟待解決的問題，例如:效率偏低、儲氣室受限、燃料的限制、初始投資巨大和投資動(dòng)力不強(qiáng)等。未來壓縮空氣儲能的發(fā)展在克服以上問題的同時(shí)，將會朝著儲能規(guī)模大、效率高、投資成本低、能量密度高的超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)等方向發(fā)展。

1.3 飛輪儲能

飛輪儲能技術(shù)具有功率密度大、能量轉(zhuǎn)換效率高、對溫度不敏感、環(huán)境友好、使用壽命長和充電時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)。但是飛輪儲能的儲能密度相對較低，自放電率較高，其應(yīng)用和發(fā)展受到了較大的限制［9］。我國在該項(xiàng)技術(shù)領(lǐng)域起步較晚，投入不足，目前還處于初級研發(fā)階段?，F(xiàn)階段需要大力加強(qiáng)飛輪轉(zhuǎn)子的故障保護(hù)、高速電機(jī)設(shè)計(jì)制備和低能耗真空獲得與維護(hù)等技術(shù)研發(fā)，實(shí)現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)的工業(yè)化應(yīng)用。

2 電化學(xué)儲能技術(shù)介紹

電化學(xué)儲能具有功率和能量可以根據(jù)不同應(yīng)用需求靈活配置、響應(yīng)速度快、不受地理資源等外部條件的限制等優(yōu)勢，適合批量化生產(chǎn)和大規(guī)模應(yīng)用，在電力儲能方面具有廣闊的發(fā)展前景［3］。電化學(xué)儲能包括液流電池、鋰離子電池、鈉硫電池（ZEBRA電池）、鉛酸（炭）電池、鎳氫電池和液態(tài)金屬電池等，表1為各種電化學(xué)儲能技術(shù)的相關(guān)參數(shù)［10—13］。下面著重對幾類應(yīng)用前景較好的儲能電池技術(shù)進(jìn)行介紹。

2.1 鋰離子電池

鋰離子電池以其較高的比能量/比功率、充放電效率和輸出電壓，較長的單體電池使用壽命，自放電小、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)在移動(dòng)電子設(shè)備、動(dòng)力工具和新能源汽車等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用［14］。鋰離子電池的工作原理如圖2所示［15］。電池在充電過程中，正極中的鋰離子脫出，經(jīng)過電解液傳遞并嵌入負(fù)極石墨層間晶格，放電則執(zhí)行相反的過程。鋰離子電池反應(yīng)機(jī)理被稱為“搖椅式”機(jī)制。

表1 不同儲能技術(shù)參數(shù)比較［10—13］

圖2 鋰離子電池工作原理模型［15］

近年來，在美國華盛頓、加利福尼亞、紐約和密歇根等地方建立了不同規(guī)模的鋰離子電池儲能系統(tǒng)，用于削峰填谷，提高電網(wǎng)可靠性和實(shí)現(xiàn)微網(wǎng)可再生發(fā)電等方面。智利和韓國等國家也采用鋰離子電池儲能技術(shù)進(jìn)行電網(wǎng)調(diào)頻和改善電能質(zhì)量等。我國作為鋰離子電池生產(chǎn)大國，自2010年起已經(jīng)在福建安溪、寧德，河南鄭州，廣東東莞和江蘇常州等地建立起鋰離子電池儲能系統(tǒng)，成功應(yīng)用于削峰填谷，提高電網(wǎng)接納風(fēng)電能力等［16］。在未來鋰離子電池的發(fā)展中，需要進(jìn)一步發(fā)展高比容量，循環(huán)性能優(yōu)異且成本低廉的關(guān)鍵電極材料，優(yōu)化正極、負(fù)極、電解質(zhì)溶液的匹配技術(shù)和電池制造工藝，顯著提升鋰離子電池的循環(huán)壽命和安全特性，進(jìn)一步降低電池成本。

2.2 鉛炭電池

鉛酸電池發(fā)展歷史悠久，原料豐富、成本低廉、安全性好，在蓄電池市場有著不可取代的地位，但是鉛酸電池負(fù)極硫酸鹽化現(xiàn)象導(dǎo)致循環(huán)壽命較短，限制了電池的長足發(fā)展［17］。鉛炭電池作為一種新型鉛酸電池，只需在鉛酸電池負(fù)極添加適量的碳材料即可，有效抑制負(fù)極硫酸鹽化現(xiàn)象，其倍率性能和循環(huán)壽命得到了顯著提升，有望在儲能領(lǐng)域廣泛應(yīng)用［18］。鉛炭電池的結(jié)構(gòu)原理圖如圖3所示［19］。

圖3 鉛炭電池結(jié)構(gòu)原理圖［19］

鉛炭電池儲能技術(shù)在國內(nèi)外均有廣泛的示范應(yīng)用。2011年前后，美國在北美地區(qū)建立了容量為3 MW/1～4 MWh的電網(wǎng)級鉛炭電池儲能項(xiàng)目，在夏威夷Oahu和Maui分別建立了容量為15 MW/10 MWh和10 MW/20 MWh的鉛炭電池風(fēng)電儲能系統(tǒng)，應(yīng)用于電網(wǎng)輔助能量存儲、頻率調(diào)節(jié)和能源需求管理等。澳大利亞將3 MW/1.6 MWh的鉛炭電池儲能系統(tǒng)投入到King島項(xiàng)目中，保證新能源接入電網(wǎng)。哥倫比亞和南極洲部分區(qū)域也建立起了以鉛炭電池技術(shù)為核心的儲能系統(tǒng)。目前鉛炭電池儲能技術(shù)在我國的河北、青海、西藏、浙江等省的14個(gè)微網(wǎng)儲能項(xiàng)目中均有應(yīng)用。在未來應(yīng)該優(yōu)化鉛炭電池制作工藝，探討碳材料最優(yōu)添加量，對碳材料進(jìn)行改性或者添加析氫抑制劑以抑制負(fù)極析氫現(xiàn)象，從而進(jìn)一步提高鉛炭電池的循環(huán)壽命。

2.3 液流電池

液流電池是利用正負(fù)極電解液分開存放，各自循環(huán)的一種高性能儲能電池。其活性物質(zhì)存在于電解液中，實(shí)現(xiàn)了電極與活性物質(zhì)空間上的分離。電池功率由電極的尺寸大小和電堆中電池的數(shù)目決定，電池容量則由電解質(zhì)的濃度和體積決定，因此電池功率和容量可以分開設(shè)計(jì)，靈活方便。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖4所示［20］。充放電時(shí)無固相電極過程及形貌變化，理論壽命較長，安全性能較高。目前比較成熟的液流電池體系包含鐵鉻體系、鐵鈦體系、釩溴體系和全釩體系等［21—24］。其中全釩液流電池的正負(fù)極活性物質(zhì)均為釩，可以避免活性物質(zhì)通過離子交換膜擴(kuò)散造成的元素交叉污染，優(yōu)勢明顯，是目前最主要的商用化發(fā)展技術(shù)方向。

圖4 氧化還原液流電池示意圖［20］

液流電池在提升可再生能源入網(wǎng)、平衡電網(wǎng)穩(wěn)定性等方面將發(fā)揮重要作用，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。美國在2011年儲能發(fā)展規(guī)劃中已將液流電池作為重要的儲能技術(shù)發(fā)展方向，之后一年內(nèi)資助建立了12個(gè)液流電池儲能系統(tǒng)。2015年加拿大安大略省也開展了4個(gè)液流電池儲能項(xiàng)目。我國于2012年建立了全球最大規(guī)模的5 MW/10 MWh遼寧臥牛石風(fēng)電場全釩液流儲能系統(tǒng)，在國內(nèi)外率先實(shí)現(xiàn)了該技術(shù)的示范應(yīng)用。當(dāng)前我國正在建立200 MW/800 MWh全釩液流電池國家儲能示范項(xiàng)目?，F(xiàn)階段液流電池發(fā)展面臨的主要問題為發(fā)展高性能電解液，優(yōu)化隔膜和極板材料，進(jìn)一步降低成本，提高性能，從而更好的推動(dòng)其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。

2.4 鈉硫電池和ZEBRA電池

鈉硫電池的正負(fù)極材料分別為熔融態(tài)的硫和鈉，電解質(zhì)為氧化鋁陶瓷管，當(dāng)工作溫度在300～350℃。鈉硫電池的原理圖如圖5a所示［25］，鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生的可逆反應(yīng)，從而進(jìn)行能量的釋放和儲存。鈉硫電池的理論比能量高達(dá)760 Wh/Kg，實(shí)際可達(dá)150 Wh/Kg，為鉛酸電池的3—4倍，充放電效率高，循環(huán)壽命較長［3］。ZEBRA電池與鈉硫電池的結(jié)構(gòu)十分相似，但不同的是ZEBRA以固態(tài)多孔的二氯化鎳（NiCl2）等為正極并且加入液態(tài)的NaAlCl4為二次電解質(zhì)，其原理圖如圖5b所示［10］。ZEBRA電池放電時(shí)，負(fù)極中的金屬鈉離子化后通過β"-A12O3，擴(kuò)散到正極與NiCl2反應(yīng)生成Ni金屬和NaCl，充電則執(zhí)行相反的過程。ZEBRA電池的能量密度可達(dá)到100 Wh/Kg，壽命較長，儲能成本低，具有較好的耐過充過放特性，安全性能較高。

圖5 鈉硫電池原理圖［25］和ZEBRA電池原理圖［10］

日本NGK公司是全球唯一鈉硫電池供應(yīng)商，早在20世紀(jì)80年代就與東京電力公司合作研發(fā)鈉硫電池應(yīng)用于儲能領(lǐng)域。20世紀(jì)90年代末期，成功發(fā)展了兆瓦時(shí)級的儲能系統(tǒng)，主要用來削峰填谷、輔助備用和穩(wěn)定電網(wǎng)［26］。2002年美國在俄亥俄州利用NGK公司提供的鈉硫電池建成了100 kW/500 kVA的示范電站，2006年相繼在西弗吉尼亞州建立了鈉硫儲能電站，成功保證了周邊地區(qū)居民的電能供應(yīng)。在我國，鈉硫電池也得到了越來越多的關(guān)注。目前上海電力與中科院硅酸鹽所針對β-氧化鋁陶瓷管電解質(zhì)的規(guī)模化制備和一致性控制等開展了系列研究，已經(jīng)成功研制出650 Ah單體，建立了2 MW的電池單體中試線［27］。2010年100 kW/800 kWh的鈉硫電池儲能系統(tǒng)被成功應(yīng)用于上海世博園智能電網(wǎng)項(xiàng)目。上海電力公司在2013年陸續(xù)通過了3個(gè)鈉硫電池儲能項(xiàng)目的驗(yàn)收。但是鈉硫電池制造成本較高，倍率性能較差，實(shí)際壽命有限，安全隱患大，嚴(yán)重限制了其在儲能系統(tǒng)中的應(yīng)用。

瑞士的MAS?DEA公司和美國的GE公司已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了管型設(shè)計(jì)的ZEBRA的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。ZEBRA電池已經(jīng)被成功用在奔馳、寶馬3和Clio等汽車中，在通信和軍事上也具有良好的應(yīng)用前景［28—31］。今后需要加大對ZEBRA電池的研發(fā)力度，進(jìn)一步提升電池的能量密度和功率密度，推進(jìn)ZEBRA電池的國產(chǎn)化和商業(yè)應(yīng)用。

2.5 液態(tài)金屬電池

近年來，一種廉價(jià)、高效的新型液態(tài)金屬電池儲能技術(shù)［32—34］得到了較快的發(fā)展。圖6為液態(tài)金屬電池的工作原理圖，電池由上下2層液態(tài)金屬和中間的無機(jī)熔融鹽電解質(zhì)組成，其中3層液態(tài)互不混溶且根據(jù)密度差異自動(dòng)分層。電池的運(yùn)行溫度在300～500℃。液態(tài)金屬電池在長期使用的情況下不存在電極形變和枝晶生長的現(xiàn)象，展現(xiàn)出良好的安全性能和較長的循環(huán)壽命（預(yù)計(jì)壽命長達(dá)10 000循環(huán)，15年）。液態(tài)金屬電池不需要特殊的隔膜，使電池體系易放大和生產(chǎn)不受關(guān)鍵技術(shù)限制，儲能成本（低于250美元/kWh）。液態(tài)金屬電池的優(yōu)良特性可以滿足大規(guī)模儲能市場的要求，因此在儲能領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖6 液態(tài)金屬電池工作原理圖

目前華中科技大學(xué)等單位致力于研發(fā)液態(tài)金屬電池，針對關(guān)鍵電極和電解質(zhì)材料做了大量研究工作，有效提高了電池的安全特性，成功實(shí)現(xiàn)了電池單體放大，快速推動(dòng)了液態(tài)金屬電池儲能技術(shù)的發(fā)展。要實(shí)現(xiàn)液態(tài)金屬電池規(guī)模應(yīng)用，必須有效解決電池的高溫密封和腐蝕等問題，同時(shí)發(fā)展新材料、新體系，進(jìn)一步降低電池操作溫度，降低儲能成本。

3 結(jié)束語

儲能產(chǎn)業(yè)在傳統(tǒng)電網(wǎng)的改造和智能電網(wǎng)建設(shè)方面的重要性日益凸顯。目前抽水儲能發(fā)展最為成熟，但是仍然需要進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)高性能機(jī)組設(shè)計(jì)、制造國產(chǎn)化，降低儲能成本。壓縮空氣儲能作為重要規(guī)模儲能技術(shù)，今后的發(fā)展方向?yàn)樾?、穩(wěn)定性更高，成本更低的超臨界壓縮空氣儲能。飛輪儲能技術(shù)起步較晚，目前仍處于初級階段，需要加大研發(fā)力度。

電化學(xué)儲能技術(shù)已經(jīng)在削峰填谷、提高電網(wǎng)穩(wěn)定性和微網(wǎng)可再生發(fā)電等方面得到應(yīng)用。目前鋰離子電池使用最為廣泛，但是需要進(jìn)一步提高電池的安全性能，降低電池成本。鉛炭電池有望成為大規(guī)模儲能系統(tǒng)發(fā)展中的重要技術(shù)，其制作工藝和負(fù)極析氫問題仍需進(jìn)一步優(yōu)化與改進(jìn)。液流電池在提升可再生能源并網(wǎng)率、平衡電網(wǎng)穩(wěn)定性等方面有廣泛的應(yīng)用，但需要進(jìn)一步優(yōu)化關(guān)鍵材料，降低成本。鈉硫電池的制造成本和安全性能仍然需要重點(diǎn)研究，需要加大對ZEBRA電池的研發(fā)力度，盡早實(shí)現(xiàn)電池的國產(chǎn)化。液態(tài)金屬電池作為新型的廉價(jià)、高效的電池體系，其儲能成本低、壽命長，經(jīng)過技術(shù)攻關(guān)，有望在儲能領(lǐng)域得到出較好的應(yīng)用。D

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（本欄責(zé)任編輯 徐文紅）

The developmentand challenges ofelectric energy storage technologies

JIANG Kai

（State Key Laboratory ofAdvanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University ofScience and Technology,Wuhan 430074,China）

電能存儲技術(shù)是實(shí)現(xiàn)需求側(cè)能量高效管理、有效提高可再生能源入網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)。介紹了面向電力儲能應(yīng)用的抽水儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等物理儲能技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和亟待解決的問題，重點(diǎn)闡述了具有廣闊應(yīng)用前景的電化學(xué)儲能技術(shù)，包括鋰離子電池、鉛炭電池、液流電池、鈉硫電池（ZEBRA電池）和液態(tài)金屬電池等的工作原理、技術(shù)優(yōu)勢及其在電網(wǎng)中的應(yīng)用和挑戰(zhàn)，為電力儲能技術(shù)的發(fā)展提供參考。

電力儲能；物理儲能技術(shù)；電化學(xué)儲能技術(shù)

Electric energy storage is the key enabler for im?provementofthe demand side energy managementand integration of renewable energy into grid.This paper analyzes the developmentsit?uation and the problems urgently needed to be solved in the field of physical energy storage technologies such as pumping energy stor?age,compressed air energy storage and flywheel energy storage. More importantly,a detailed discussion is made on the working prin?ciples,technicaladvantages as wellas the applications and challeng?es of electrochemical energy storage technologies,including lithium ion battery,lead carbon battery,flow battery,sodium sulfur battery( ZEBRA battery)and liquid metalbattery.This paper offers some ref?erences forthe developmentofelectric energy storage technologies.

electric energy storage;physical energy storage technologies;electrochemicalenergy storage technologies

10.3969/j.issn.1009-1831.2017.04.001

TK02

E

2017-06-07

蔣凱（1976），男，湖南湘陰人，博士，教授，國家“青年千人計(jì)劃”入選者，研究方向?yàn)殡娀瘜W(xué)儲能材料與器件。