儲能鈉電池技術(shù)發(fā)展的挑戰(zhàn)與思考

胡英瑛，吳相偉，溫兆銀，侯明，衣寶廉

（1. 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，上海 200050；2. 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，遼寧大連 116023）

一、前言

2017年10月，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局等五部委聯(lián)合出臺了《關(guān)于促進(jìn)我國儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出加快儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對于構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系具有重要的戰(zhàn)略意義。這一政策的出臺直接推動了“十三五”期間我國儲能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。隨著“十四五”期間“雙碳”目標(biāo)的提出，2021年4月，國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局再次聯(lián)合發(fā)布了第二部針對儲能產(chǎn)業(yè)的國家級綜合性政策文件《關(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》，明確提出到2025年，實現(xiàn)3×107kW的儲能目標(biāo)，實現(xiàn)儲能跨越式發(fā)展；到 2030 年，實現(xiàn)新型儲能全面市場化發(fā)展?！蛾P(guān)于加快推動新型儲能發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》還指出，儲能技術(shù)要以需求為向?qū)?，堅持多元化發(fā)展，這為儲能技術(shù)的發(fā)展明確了目標(biāo)和方向。目前，儲能系統(tǒng)從發(fā)電側(cè)、輸配電側(cè)到用戶側(cè)的一系列支撐服務(wù)逐漸成為彈性和高效電網(wǎng)的重要組成部分 [1]。較小型的分布式儲能系統(tǒng)今后也將更廣泛地在家庭、企業(yè)和通信基站中推廣應(yīng)用。

我國儲能呈現(xiàn)多元化發(fā)展的良好態(tài)勢：抽水蓄能發(fā)展迅速，鋰離子電池儲能技術(shù)成熟度飛速提高，壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能和超級電容、鈉硫電池、液流電池、鉛蓄電池等儲能技術(shù)研發(fā)應(yīng)用加速，儲氫、儲熱、儲冷技術(shù)也取得了一定進(jìn)展。其中，電化學(xué)儲能（或二次電池儲能）技術(shù)相對于水電、火電等常規(guī)功率調(diào)節(jié)手段具有較大技術(shù)優(yōu)勢：響應(yīng)時間為毫秒級，跟蹤負(fù)荷變化能力強(qiáng)，便于精確控制；對實施的地理環(huán)境要求較低；具有削峰填谷的雙向調(diào)節(jié)能力。2021年4月，中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）發(fā)布的《儲能產(chǎn)業(yè)研究白皮書2021》顯示，截至2020年年底，中國已投運儲能項目累計裝機(jī)規(guī)模35.6 GW，占全球市場總規(guī)模的18.6%，同比增長9.8%，其中電化學(xué)儲能的累計裝機(jī)規(guī)模僅次于抽水蓄能，位列第二。

目前，各種電化學(xué)儲能技術(shù)的基本特征和成熟度各不相同，每一種技術(shù)都有不同的數(shù)量在全球不同的地點進(jìn)行部署。包括鋰離子電池、鈉硫電池、鈉–金屬氯化物電池、液流電池和鉛酸電池在內(nèi)的5類電池技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為是較可靠的能源供應(yīng)體系，在全球范圍內(nèi)有兆瓦級的裝機(jī)規(guī)模。2017年以來，鋰離子電池急劇發(fā)展，占據(jù)了中國和美國儲能市場絕大部分份額，技術(shù)成熟度不斷提高。隨著越來越多鋰電儲能系統(tǒng)的部署，安全事故的風(fēng)險也隨之增加，尤其是電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的安全事故頻發(fā)引起了人們的重視和擔(dān)憂。2019年，國家電網(wǎng)有限公司發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)電化學(xué)儲能健康有序發(fā)展的指導(dǎo)意見》，意見強(qiáng)調(diào)要嚴(yán)守儲能安全紅線。不僅如此，鋰等元素昂貴，地殼中含量少且分布極不均勻，對于長期規(guī)?；瘧?yīng)用而言可能會成為一個重要問題。鈉元素和鋰元素有相似的物理化學(xué)特性，且在地殼中儲量豐富，資源分布廣泛，因此發(fā)展針對規(guī)?；瘍δ軕?yīng)用的儲能鈉電池技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義，近年來得到研究者的廣泛關(guān)注。已經(jīng)在儲能領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用的鈉電池體系主要包括兩種，即基于固體電解質(zhì)體系的高溫鈉硫電池和鈉–金屬氯化物電池體系。它們的負(fù)極活性物質(zhì)均為金屬鈉，更準(zhǔn)確地被稱為鈉電池。鈉離子電池通常指有機(jī)體系鈉離子電池，由于其技術(shù)水平提升較快，成為極有前景的儲能電池之一。目前全球從事鈉離子電池工程化的公司已有20 家以上。最近，中國科學(xué)院物理研究所與中科海鈉科技有限責(zé)任公司聯(lián)合推出的1 MWh鈉離子電池光儲充智能微網(wǎng)系統(tǒng)在山西太原投入運行。寧德時代新能源科技有限公司（CATL）近期也發(fā)布了他們的第一代鈉離子電池，能量密度達(dá)到160 Wh/kg。然而鈉離子電池尚未在儲能產(chǎn)業(yè)上大規(guī)模推廣，其應(yīng)用優(yōu)勢有待驗證。水系鈉離子電池具有環(huán)保、低成本、制造方便、安全性好、易回收等優(yōu)點，但是存在電壓窗口較低、電極材料副反應(yīng)等嚴(yán)重影響壽命的問題。因此，本文主要針對大規(guī)模儲能用安全性改善的鈉硫電池和鈉–金屬氯化物電池儲能鈉電池體系進(jìn)行綜述和研究。

二、儲能鈉電池技術(shù)概述

（一）鈉硫電池

鈉硫電池是一種基于固體電解質(zhì)的高溫二次電池，它以鈉作為陽極，以滲入碳?xì)种械牧蜃鳛殛帢O，傳導(dǎo)鈉離子的β"-氧化鋁陶瓷在中間同時起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用[2]。它的電池形式為（–）Na（l）| β"-Al2O3|S/Na2Sx（l）|C（+），其中x=3~5，基本的電池反應(yīng)是：2Na+xS ←→ Na2Sx。電池的工作溫度控制在300~350 ℃，此時鈉與硫均呈液態(tài)，β"-氧化鋁具有高的離子電導(dǎo)率（~0.2 S/cm），電池具有快速的充放電反應(yīng)動力學(xué)。鈉硫電池以Na2S3為最終產(chǎn)物的正極理論比容量約為558 mAh·g–1，在350 ℃的工作溫度下具有2.08 V的開路電壓。

鈉硫電池一般設(shè)計為中心負(fù)極的管式結(jié)構(gòu)，即鈉被裝載在陶瓷電解質(zhì)管中形成負(fù)極。電池由鈉負(fù)極、鈉極安全管、固體電解質(zhì)（一般為β"-氧化鋁）及其封接件、硫（或多硫化鈉）正極、硫極導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（一般為碳?xì)郑⒓黧w和外殼等部分組成。通常固體電解質(zhì)陶瓷管一端開口一端封閉，其開口端通過熔融硼硅酸鹽玻璃與絕緣陶瓷進(jìn)行密封，正負(fù)極終端與絕緣陶瓷之間通過熱壓鋁環(huán)進(jìn)行密封。

鈉硫電池?fù)碛性S多優(yōu)良的特性[3]：①比能量高。目前，鈉硫電池的實際能量密度已達(dá)到 240 Wh/kg和390 Wh/L以上，與三元鋰離子電池相當(dāng)。②功率密度高。用于儲能的鈉硫單體電池功率可達(dá)到120 W以上，形成模塊后，模塊功率通常達(dá)到數(shù)十千瓦，可直接用于儲能。③長壽命。電池可滿充滿放循環(huán)4500次以上，壽命為10~15年。 ④庫倫效率高。由于采用固體電解質(zhì)，電池幾乎沒有自放電，充放電效率約為100%。⑤環(huán)境適應(yīng)性好。由于電池通過保溫箱恒溫運行，因此環(huán)境溫度適應(yīng)范圍廣，通常為–40~60℃。⑥電池運行無污染。電池采用全密封結(jié)構(gòu)，運行中無振動、無噪聲，沒有氣體放出。⑦電池原料成本低廉，無資源爭奪隱患，結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便。

（二）鈉–金屬氯化物電池

鈉–金屬氯化物電池（也稱ZEBRA電池）可與鈉硫電池統(tǒng)稱為鈉-beta二次電池，其結(jié)構(gòu)與鈉硫電池類似，負(fù)極是液態(tài)的金屬鈉，β"-Al2O3陶瓷作為固態(tài)電解質(zhì)，不同的是， ZEBRA電池工作溫度略低，為270~320℃，正極部分由液態(tài)的四氯鋁酸鈉（NaAlCl4）輔助電解液與固態(tài)的金屬氯化物組成，其中氯化鎳的應(yīng)用研究最為廣泛。鈉–氯化鎳電池的基本電池反應(yīng)是：2Na+NiCl2←→ 2NaCl+Ni，300 ℃下開路電壓為2.58 V。

與鈉硫電池類似，鈉–金屬氯化物電池同樣具有長壽命、庫侖效率高、環(huán)境適應(yīng)性好、無污染運行等特點。鈉–金屬氯化物電池的實際比能量偏低，為110~140 Wh/kg，但仍是鉛酸電池的3倍左右，而且還具有其他一些值得關(guān)注的優(yōu)良特性[4]： ①高安全性。鈉–金屬氯化物電池具有短路溫和放熱和過充過放可逆等特點，確保電池在電氣和機(jī)械濫用時的高安全性。②無鈉組裝。電池以放電態(tài)組裝，僅在正極腔室裝填金屬粉體、氯化鈉和電解液，制造過程安全性高。③高電壓。開路電壓較鈉硫電池提高20%以上。④維護(hù)成本低。電池內(nèi)部短路時特有的低電阻損壞模式大大降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本。

（三）儲能鈉電池生產(chǎn)制造的核心技術(shù)

高溫鈉硫電池電芯的核心技術(shù)包括了β"-氧化鋁精細(xì)陶瓷的燒制、電池密封技術(shù)、負(fù)極潤濕保護(hù)管設(shè)計、正極外殼防腐蝕和正負(fù)極裝填技術(shù)等。首先，β"-氧化鋁精細(xì)陶瓷的質(zhì)量和一致性深刻影響電池的電化學(xué)性能和安全特性，是最為關(guān)鍵的一環(huán)。其次，任何一個密封部件的損壞都會導(dǎo)致正負(fù)極材料的蒸汽直接接觸而發(fā)生反應(yīng)，因此電池密封技術(shù)成為鈉硫電池的核心技術(shù)之一。再次，熔融硫和多硫化鈉對金屬具有強(qiáng)腐蝕性，因此包括作為正極集流體的外殼在內(nèi)的接液部件的防腐蝕技術(shù)也是鈉硫電池實用化的關(guān)鍵。最后，電池正負(fù)極的有效裝填及其與固體電解質(zhì)之間界面的潤濕層設(shè)計是電池高性能運行的必備要素。相對于鈉硫電池，鈉–氯化鎳電池電芯無須對外殼進(jìn)行防腐蝕處理，但是正極長循環(huán)穩(wěn)定技術(shù)成為電池的核心技術(shù)之一。

高溫鈉電池模組的核心技術(shù)包括了絕熱保溫箱技術(shù)、模組熱管理技術(shù)、模組內(nèi)/間阻燃技術(shù)以及電池管理系統(tǒng)與保護(hù)電路設(shè)計等。電池的高溫運行環(huán)境對電池保溫箱提出了較高的要求。絕熱保溫箱技術(shù)一方面需要保證電池在待機(jī)時的低電耗，另一方面還要保證保溫箱輕量化，以提升電池整體的能量密度。由于電池放電模式下的化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，此時模塊內(nèi)部將出現(xiàn)22~35 ℃的升溫，而充電過程中溫度會下降到待機(jī)水平。長時間的升降溫循環(huán)不僅考驗電池密封材料的熱機(jī)械性能，還對模塊的熱管理提出了快速響應(yīng)的要求，否則可能造成溫度無法及時復(fù)原。另外，模組內(nèi)/間防火技術(shù)以及電池管理系統(tǒng)與保護(hù)電路設(shè)計對電池的長期安全運行也具有重要意義。

三、儲能鈉電池的應(yīng)用需求

儲能鈉電池可針對極端環(huán)境（如高熱、高寒、高鹽腐蝕等）下的風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電企業(yè)配套大容量、安全可靠的儲能系統(tǒng)；為載人潛艇、陸軍戰(zhàn)車、水下平臺等提供動力，服務(wù)國防科技事業(yè)；為第五代移動通信技術(shù)（5G）通信基站、數(shù)據(jù)中心等室內(nèi)用電大戶提供備用電源，為國家的節(jié)能減排事業(yè)及“碳中和”戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。儲能鈉電池的應(yīng)用領(lǐng)域為鋰離子電池技術(shù)提供有益補(bǔ)充，其主要的應(yīng)用場景如下。

（一）極端環(huán)境應(yīng)用

隨著全球氣候變暖，國內(nèi)外50 ℃以上的極端高溫天氣頻繁，亞熱帶和熱帶地區(qū)更是如此。電池的高溫運行需求逐漸受到重視。油氣勘探的井下溫度可超過170 ℃，能耐受如此高溫的電池很少，目前井下儀器的電能供應(yīng)采用的是鋰一次電池[5]。軍用電池需要適應(yīng)多種惡劣的應(yīng)用環(huán)境，被要求在–50~70 ℃的溫度范圍內(nèi)正常工作。作為下一代無線通信體系的重要組成，高空平臺通信系統(tǒng)是位于平流層的高空平臺向上連接衛(wèi)星、向下連接低空無人機(jī)和地面節(jié)點，作為空中基站或中繼節(jié)點，提供快速、穩(wěn)定、靈活的應(yīng)急通信系統(tǒng)。高空平臺通信系統(tǒng)運載器是一個保持在20 km高度并停留5 年時間的靜止平臺。運載器所需能源由太陽能電池板提供，對其所搭載的儲能電池要求高比能（>110 Wh/kg）、性能的高可靠性和穩(wěn)定性（>5年壽命和性能降低<10%）和超低溫運行（–55℃）[6]。另外，海島、近海等高鹽霧環(huán)境也限制了大量電池體系的應(yīng)用。

研究表明，鋰離子電池在無人機(jī)上的應(yīng)用受到高低溫環(huán)境的極大限制[7]。電池正常使用溫度范圍是–15~50 ℃。低溫條件下，鋰離子電池面臨的鋰枝晶問題和離子擴(kuò)散遲緩問題會更加嚴(yán)重，高溫條件則會加速鋰離子電池陰極固液界面的副反應(yīng)和電解液退化，引發(fā)嚴(yán)重的熱失控[8]。事實上，傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)基二次電池難以滿足極端高低溫應(yīng)用需求。具有較高的能量密度、10年以上運行壽命和對環(huán)境溫度不敏感等特性的固體電解質(zhì)基鈉硫電池和鈉–氯化鎳電池則被證明非常適合極端高低溫的應(yīng)用場景。在熱帶沙漠氣候的阿拉伯聯(lián)合酋長國，鈉硫電池被認(rèn)為是比鋰離子電池更優(yōu)異的儲能技術(shù)。在日本，鈉硫電池被選擇成為火箭發(fā)射場的備用電源。ZEBRA電池作為高低溫下可靠耐用的二次電池，目前已成為井下設(shè)備電源的優(yōu)選方案[5]，同時也針對高空平臺通信系統(tǒng)運載器開展應(yīng)用示范[6]。

（二）高安全應(yīng)用

高安全應(yīng)用場景指發(fā)生安全事故時難以止損或事故代價大的應(yīng)用場景。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等技術(shù)的發(fā)展，大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)速度激增，運營規(guī)模也越來越大。然而，一方面，數(shù)據(jù)中心需要大量的電能來維持正常運營，電力成本成為數(shù)據(jù)中心的重要成本組成。通過智能微網(wǎng)的建設(shè)來降低能耗已成為各大數(shù)據(jù)中心運營公司降本增效的重要途徑。另一方面，數(shù)據(jù)中心需要配備非常安全可靠的備用電源以應(yīng)對不時之需。大型數(shù)據(jù)中心等室內(nèi)儲能或備用電源高安全應(yīng)用場景對其儲能系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求。交通運輸領(lǐng)域的危化品運輸車、地下裝載機(jī)等交通工具以及水下應(yīng)用領(lǐng)域的載人潛水器、深海平臺用電源等也對電源安全性提出了更高的要求。

ZEBRA電池作為一種電化學(xué)本征安全的電池體系，在高安全要求的領(lǐng)域具有其獨特優(yōu)勢。它曾被選為英國和北約LR7型深潛救生艇的動力電源 [5]。2013年，通用電氣有限公司（GE）生產(chǎn)的ZEBRA電池成功地為Coal River Energy公司位于美國西弗吉尼亞州明礬溪的采礦鏟車提供動力支撐 [9]。在儲能安全越來越受重視的今天，ZEBRA電池體系將會有更大的發(fā)展空間。

（三）長時儲能

長時電化學(xué)儲能能夠更加靈活地以半天甚至幾天的時間跨度來管理風(fēng)能和太陽能的間歇性，將可再生能源轉(zhuǎn)化為全天候資源，為無碳電網(wǎng)鋪平道路。隨著可再生能源份額的增長，更大的挑戰(zhàn)將是在數(shù)周或數(shù)月的時間跨度上消除可再生能源產(chǎn)量的可變性。發(fā)展長時儲能技術(shù)勢在必行。近年來，鋰離子電池在新型儲能建設(shè)中占據(jù)絕對主導(dǎo)地位，但它們的供電持續(xù)時間很少能超過4 h。雖然鋰離子電池在技術(shù)上可以實現(xiàn)更長時間的放電，但是出于資源稀缺和安全性的考慮，將它用于長時儲能的成本通常高于它的價值。

鈉硫電池已在全球范圍內(nèi)提供容量超過540 MW/3780 MWh的儲能系統(tǒng)，顯示了有效的調(diào)峰、負(fù)載均衡和節(jié)能減排的能力，被認(rèn)為是最有效的額定輸出6 h以上的長時電化學(xué)儲能電池之一 [10]。同時，鈉硫電池具有模塊化擴(kuò)展的特性，有潛力提供8 h以上或更長時的供電系統(tǒng)。意大利非凡蓄電池公司（FIAMM）生產(chǎn)的ZEBRA電池在歐洲的意大利、法國以及南美洲的圭亞那等地區(qū)部署了多個兆瓦級的儲能電站。這些電站的運行情況證實用于大規(guī)模電化學(xué)儲能的高安全性鈉–氯化鎳電池技術(shù)已經(jīng)成熟 [11]。

四、儲能鈉電池的國內(nèi)外發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

（一）鈉硫電池在國內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

雖然鈉硫電池早期在國內(nèi)外航空航天和電動汽車等領(lǐng)域開展應(yīng)用示范，但是鈉硫電池的儲能商業(yè)化運作始于1983年日本礙子株式會社（NGK公司）和東京電力公司的合作，開發(fā)用于靜態(tài)能量存儲的鈉硫電池儲能系統(tǒng)。2002年，NGK公司正式量產(chǎn)鈉硫電池，并通過東京電力公司開發(fā)儲能系統(tǒng)投入商業(yè)運行，目前在全球運行了超過200個儲能電站項目，4 GWh以上的鈉硫電池儲能系統(tǒng)[10]。然而，2011年9月，東京電力公司為三菱材料株式會社筑波廠安裝的鈉硫電池（NGK生產(chǎn)）系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)，這一事件在一定程度上造成了業(yè)界對于鈉硫電池安全性的擔(dān)憂。其后，NGK先對正在運行的鈉硫電池電站的模組和系統(tǒng)進(jìn)行安全隱患維護(hù)，并對新生產(chǎn)的電池在電芯層面和模塊層面同時采取了多種提高安全保障的新措施[12]。通過采取一系列應(yīng)對舉措后，從2013年開始，NGK生產(chǎn)的鈉硫電池在日本、阿聯(lián)酋和歐洲等國家和地區(qū)持續(xù)有大型儲能項目上線。2016年3月，NGK公司和九州電力株式會社共同推出的50 MW/300 MWh鈉硫電池儲能系統(tǒng)改善電力供需平衡的示范項目開始運行，是當(dāng)時全球最大的大容量儲能電站（見圖1a）[10]。 2019年，NGK在阿布扎比酋長國完成的一個項目使用了108 MW/648 MWh的鈉硫電池儲能系統(tǒng)，持續(xù)放電時間達(dá)6 h。圖1b顯示的是應(yīng)用于意大利南部高壓電網(wǎng)的34.8 MW鈉硫電池儲能電站的局部照片[12]。在意大利，鈉硫電池的電芯和模塊經(jīng)過了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘L(fēng)險評估，包括內(nèi)源性短路和外源性火災(zāi)、地震、洪水、直接和間接閃電、蓄意破壞、高空墜落等濫用場景。評估結(jié)果顯示，經(jīng)過安全性提升的鈉硫電池技術(shù)具有較高的安全可靠性[13]。

圖1 鈉硫電池儲能系統(tǒng)/電站的商業(yè)應(yīng)用實例

近些年，鈉硫電池技術(shù)在日本以外的其他國家也得到了應(yīng)用研究和推廣，包括美國、中國、韓國、瑞士等。2006年，由中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所（SICCAS）與上海電力公司合作開展用于大規(guī)模儲能應(yīng)用的鈉硫電池研究。SICCAS開發(fā)的30 Ah和650 Ah兩種規(guī)格鈉硫單體電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，壽命超過1200次[14]。此后，一條年產(chǎn)能2 MW的650 Ah單電池中試生產(chǎn)線建成。2010年 上海世界博覽會期間，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所和上海電力公司合作，實現(xiàn)了100 kW/800 kW鈉硫電池儲能系統(tǒng)的并網(wǎng)運行（見圖1c）。2011年 10月，上海電氣集團(tuán)與中科院上海硅酸鹽研究所以及上海電力公司簽訂合資合同，成立上海電氣鈉硫儲能技術(shù)有限公司，開始鈉硫電池的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。2015年，上海鈉硫電池儲能技術(shù)有限公司在崇明島風(fēng)電場實現(xiàn)了兆瓦時級的商業(yè)應(yīng)用示范（見圖1d）。中科院固體物理研究所近年也突破了β-Al2O3陶瓷的制備技術(shù)，掌握了陶瓷燒結(jié)、陶瓷玻璃封接、金屬與陶瓷連接等核心技術(shù)，目前處于鈉硫電池組研制的中試階段。除此之外，韓國浦項產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究院（RIST）針對平板和管式鈉硫電池進(jìn)行較為系統(tǒng)的工程化開發(fā)[15]。RIST從2005年開始申請鈉硫電池材料與制造的專利，目前持有53項以上相關(guān)有效專利。

（二）鈉–金屬氯化物電池在國內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀

美國通用電氣有限公司于2007年購買了英國beta R & D公司的ZEBRA電池技術(shù)，建立“Durathon”電池品牌，經(jīng)過11年研發(fā)，投入資金超過4億美元。早期主要面向車用，圖2a為裝載Durathon動力電池的礦車。目前GE在全球多個國家和地區(qū)的電網(wǎng)和電信領(lǐng)域運行了總計15 MW以上、30余個ZEBRA電池儲能項目。圖2d分別為Durathon擴(kuò)展儲能系統(tǒng)。2017年1月，超威電池與GE開展技術(shù)合作，合資成立浙江綠能（安力）能源有限公司，進(jìn)軍國內(nèi)儲能電池市場。

圖2 鈉-金屬氯化物電池儲能產(chǎn)品及其商業(yè)應(yīng)用實例

2010年，與GE擁有同一技術(shù)源頭的MESDEA公司和FIAMM成立新公司FZ SONICK SA，并推出了SONICK商標(biāo)的ZEBRA電池，主要應(yīng)用在電動車、備用電源等領(lǐng)域。2015年，F(xiàn)Z SONICK的ZEBRA電池儲能解決方案被德國航空和運輸領(lǐng)域的跨國公司龐巴迪公司選中，為Innovia Monorail 300平臺列車項目提供備用電源服務(wù)[16]。圖2b和圖2e分別為SONICK電池應(yīng)用于微網(wǎng)儲能及其儲能單元的情況。FZ SONICK還為薩沃納大學(xué)校園提供了智能電網(wǎng)儲能系統(tǒng)[17]。從2016年開始，德國弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)與系統(tǒng)研究所（IKTS）也在ZEBRA電池上持續(xù)投入。2019年3月，歐洲儲能展會上，IKTS展示其最新開發(fā)的“Cerenergy”陶瓷鈉–氯化鎳高溫電池。該型號的鈉鎳電池容量為5 kWh，由20個單電池組成，每千瓦時成本將低于100歐元。2015年11月，作為SunShot聚光太陽能發(fā)電阿波羅計劃的子計劃，美國能源部提供猶他州鹽湖城Ceramatec公司和喬治亞技術(shù)研究所總計234.878萬美元經(jīng)費支持，重點開發(fā)聚光太陽能高溫熔鹽鈉鹽蓄電模塊，預(yù)計實現(xiàn)92%以上的蓄電效率目標(biāo)。同時，美國西北太平洋國家實驗室在美國能源部支持下持續(xù)開展平板型鈉鹽電池的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。在國內(nèi)，從2014年開始，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所在前期鈉硫電池和鈉鎳電池的研發(fā)基礎(chǔ)上，開展鈉鎳電池產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)工作。2017年，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所參股成立上海奧能瑞拉能源科技有限公司，開展鈉鎳電池產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。如圖2c和圖2f，目前該公司已完成年產(chǎn)100 MWh的鈉鎳電池工廠的全線調(diào)試，進(jìn)入第一代產(chǎn)品的試生產(chǎn)階段。

五、我國儲能鈉電池發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)

儲能鈉電池在電力系統(tǒng)和電信系統(tǒng)具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢，并得到全球儲能市場的普遍認(rèn)可，但是由于其技術(shù)難度大，目前儲能鈉電池的成熟技術(shù)在全球范圍內(nèi)僅由日本NGK、美國GE、意大利FIAMM等幾家企業(yè)掌握，我國儲能鈉電池的發(fā)展還面臨以下諸多挑戰(zhàn)。

（一）儲能鈉電池技術(shù)幾乎被國外壟斷

近年來，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所在儲能鈉電池的相關(guān)領(lǐng)域開展了技術(shù)革新和示范應(yīng)用，基本掌握了鈉硫電池和鈉鎳電池的全套技術(shù)，形成了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的儲能鈉電池完整技術(shù)路線，但是總體而言，我國自主知識產(chǎn)權(quán)儲能鈉電池的技術(shù)成熟度不高，規(guī)?；a(chǎn)設(shè)備需要高代價的定制，尚未形成儲能鈉電池的成熟產(chǎn)品體系。超威集團(tuán)引進(jìn)美國GE的成熟技術(shù)，進(jìn)行儲能鈉電池國產(chǎn)化的嘗試也尚未在國內(nèi)外市場打開局面，根本原因是我國儲能鈉電池的發(fā)展目前仍然只能依賴和引進(jìn)日本和美國公司的技術(shù)，尚不具備獨立開發(fā)新一代儲能鈉電池的能力，技術(shù)革新的速度無法應(yīng)變市場的需求。

（二）儲能鈉電池上下游產(chǎn)業(yè)鏈供給不足導(dǎo)致高成本

儲能鈉電池的高溫技術(shù)瓶頸極大地限制了涉足儲能鈉電池開發(fā)的研究院所和企業(yè)的數(shù)量，導(dǎo)致儲能鈉電池在產(chǎn)業(yè)鏈的推動上困難重重。經(jīng)過測算，1 GWh鈉–氯化鎳電池生產(chǎn)線上生產(chǎn)電池的成本約為 1050元/度電，當(dāng)生產(chǎn)線產(chǎn)能提高至10 GWh，電池成本可降至800元/度電以下。然而，目前儲能鈉電池的生產(chǎn)規(guī)模不足以帶動上下游產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。NGK、GE等公司同樣面臨電池成本偏高的困境。對我國而言，儲能鈉電池中鈉硫電池的含耐腐蝕涂層的集流體外殼等零部件、鈉–氯化鎳電池的關(guān)鍵原材料T255鎳粉（英國Inco公司）還依賴進(jìn)口，國產(chǎn)化替代方案缺失。儲能鈉電池的中溫運行環(huán)境對保溫箱等下游供應(yīng)的要求較高，但我國尚沒有類似產(chǎn)品開發(fā)。儲能鈉電池上下游產(chǎn)業(yè)鏈供給不足成為推動儲能鈉電池技術(shù)發(fā)展和成本降低的一大障礙。

（三）儲能鈉電池的評估檢測標(biāo)準(zhǔn)和評估平臺缺失

1998年，美國能源部國家可再生能源實驗室就鈉鹽電池的健康狀態(tài)、濫用安全特性和回收處理辦法出具了說明書式的研究報告[17]。2017年，F(xiàn)IAMM SoNick公司根據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)UL 9540A對ZEBRA電池產(chǎn)品進(jìn)行了安全性測試，從單芯、模組和電池單元架三個層面進(jìn)行了系統(tǒng)的安全性能評估。2018年，電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）出臺了編號為IEEE Std 1679.2—2018，標(biāo)題為“靜態(tài)儲能應(yīng)用中鈉-beta電池的表征和評估指導(dǎo)”的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為靜態(tài)儲能應(yīng)用的用戶評估鈉-beta電池的性能、安全性，以及進(jìn)行合格評估測試和監(jiān)管等問題提供了指導(dǎo)。這些研究報告和標(biāo)準(zhǔn)的建立很大程度上促進(jìn)了美國和歐洲等國家和地區(qū)儲能鈉電池的規(guī)范化和市場化。由于我國儲能鈉電池的產(chǎn)業(yè)化處于初級階段，相關(guān)評估檢測標(biāo)準(zhǔn)缺失，相應(yīng)的評估平臺和評估機(jī)構(gòu)尚不支持儲能鈉電池的性能和安全性評估，這也成為儲能鈉電池產(chǎn)業(yè)大步推進(jìn)的障礙之一。

六、對策建議

（一）支持儲能鈉電池相關(guān)材料科學(xué)的研發(fā)和工程化技術(shù)攻關(guān)

從國外的發(fā)展經(jīng)驗來看，儲能鈉電池最初的很多成果出自國家能源部門或能源用戶部門牽頭組織的應(yīng)用研發(fā)和技術(shù)攻關(guān)。2020年1月，教育部、國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯(lián)合制定了《儲能技術(shù)專業(yè)學(xué)科發(fā)展行動計劃（2020—2024年）》（簡稱《行動計劃》），旨在立足儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展重大需求，統(tǒng)籌整合高等教育資源，加快發(fā)展儲能技術(shù)學(xué)科專業(yè)，加快培養(yǎng)儲能領(lǐng)域“高精尖缺”人才，破解共性和瓶頸技術(shù)，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)和自主創(chuàng)新能力，以產(chǎn)教融合發(fā)展推動儲能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展?！缎袆佑媱潯穼閮δ苄袠I(yè)的發(fā)展注入強(qiáng)大的動力。提升我國自主知識產(chǎn)權(quán)儲能鈉電池的技術(shù)成熟度同樣需要重視相關(guān)基礎(chǔ)材料的研發(fā)，更重要的是從戰(zhàn)略層面組織有研發(fā)基礎(chǔ)的優(yōu)質(zhì)企業(yè)和科研院所合作開展工程化技術(shù)攻關(guān)，提供相關(guān)項目支撐，集中精力解決儲能鈉電池中存在的“卡脖子”問題和推進(jìn)儲能鈉電池在國外經(jīng)驗基礎(chǔ)上的升級換代，以期在短期內(nèi)實現(xiàn)我國儲能鈉電池技術(shù)體系的成熟化發(fā)展。

（二）推動儲能鈉電池相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)的聚集發(fā)展

產(chǎn)業(yè)規(guī)模是儲能鈉電池發(fā)展的關(guān)鍵因素，形成一定體量的產(chǎn)業(yè)集群對于降低儲能鈉電池的制造成本，提高儲能鈉電池的市場競爭力至關(guān)重要。在提升儲能鈉電池的技術(shù)成熟度的中后期，儲能鈉電池相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)的聚集發(fā)展是儲能鈉電池真正走向應(yīng)用市場的關(guān)鍵一環(huán)。引導(dǎo)社會資本，圍繞技術(shù)創(chuàng)新鏈布局產(chǎn)業(yè)鏈，加強(qiáng)技術(shù)、資本與產(chǎn)業(yè)的融合，通過產(chǎn)業(yè)鏈合作及協(xié)同，提高資源利用效率，提升儲能鈉電池的市場競爭力。大型儲能鈉電池示范項目的規(guī)劃和實施是推動相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個契機(jī)，有望使我國儲能鈉電池的發(fā)展駛?cè)肓夹匝h(huán)的快速通道。

（三）建立健全儲能鈉電池的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及推動高溫鈉電池評估平臺的建設(shè)

2018年以來，國內(nèi)外頻發(fā)的起火事故給正在起步的儲能產(chǎn)業(yè)澆了一盆冷水，也讓儲能的安全問題成為輿論焦點。有業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，儲能事故并非是一個簡單的技術(shù)問題，更多是標(biāo)準(zhǔn)的問題。標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)發(fā)展的總結(jié)，也需要政策法規(guī)從上而下的引導(dǎo)。國家能源局會同其他主管部門曾多次發(fā)文，力推儲能標(biāo)準(zhǔn)化工作，要求建立起較為系統(tǒng)的儲能標(biāo)準(zhǔn)體系。儲能鈉電池作為新型的儲能技術(shù)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失的問題尤為突出，迫切需要建立健全相關(guān)檢測和評價標(biāo)準(zhǔn)。如果我國以出臺儲能鈉電池的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，甚至能夠出臺發(fā)布國家標(biāo)準(zhǔn)，相信能在很大程度上推動儲能鈉電池的商業(yè)化發(fā)展。認(rèn)證機(jī)構(gòu)基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以推動高溫鈉電池評估平臺的建設(shè)，從而從政策上督促儲能鈉電池開發(fā)市場標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，為其大規(guī)模應(yīng)用、順利與應(yīng)用市場接軌打下堅實基礎(chǔ)。