新型儲能技術(shù)發(fā)展與展望

楊于馳 張媛 莫堃

(東方電氣集團(tuán)科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，四川 成都 611731)

2020年9月，習(xí)近平總書記向全球作出“碳達(dá)峰、碳中和”鄭重承諾，實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰和碳中和成為中國高質(zhì)量發(fā)展的內(nèi)在要求。其中電力行業(yè)是實(shí)現(xiàn)我國“雙碳”目標(biāo)的主力軍[1-2]。目前，我國已明確“構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”。新能源發(fā)電具有綠色、低碳或零碳排放的特點(diǎn)，但面臨季節(jié)性、間隔性和波動性等突出問題，與電力需求存在錯配。當(dāng)未來以風(fēng)電、光伏為代表的新能源逐漸成為新型電力系統(tǒng)的主體時(shí)，需要配置大量靈活性調(diào)節(jié)資源以實(shí)現(xiàn)電力供需時(shí)空解耦，保證電力供需安全[2-3]。

儲能作為一種電力靈活性調(diào)節(jié)資源，可利用介質(zhì)或者設(shè)備，通過化學(xué)或物理的方式把過剩的能量以電、熱、化學(xué)物質(zhì)等形式存儲起來，根據(jù)應(yīng)用需求再以特定能量形式釋放，一般來說儲能主要指電力儲能。儲能是構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)裝備，是實(shí)現(xiàn)發(fā)電端和負(fù)荷端時(shí)空解耦、推動源網(wǎng)荷儲一體化和多能互補(bǔ)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)和完成能源革命的重要支撐技術(shù)，也是催生國內(nèi)能源新業(yè)態(tài)的重要依托[4-6]。

依據(jù)《新型儲能項(xiàng)目管理規(guī)范(暫行)》(國能發(fā)科技規(guī)〔2021〕47號)文件定義，新型儲能主要指“除抽水蓄能外以輸出電力為主要形式，并對外提供服務(wù)的儲能項(xiàng)目”。新型儲能技術(shù)包括電化學(xué)儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、超級電容儲能、氫儲能、熔鹽儲能等方式。本文總結(jié)了現(xiàn)階段主流的鋰離子電池、液流電池、鈉離子電池、壓縮空氣儲能技術(shù)研究現(xiàn)狀和前沿技術(shù)進(jìn)展，作為未來開展新型儲能技術(shù)研究工作的基礎(chǔ)，同時(shí)為儲能領(lǐng)域相關(guān)人員提供參考。

1 儲能技術(shù)發(fā)展總體情況

1.1 儲能技術(shù)分類

不同儲能技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性、技術(shù)特點(diǎn)和使用場景不同。如圖1所示，根據(jù)技術(shù)特點(diǎn)和能量形式不同，儲能技術(shù)可分為機(jī)械儲能、電化學(xué)儲能、熱儲能、電磁儲能、化學(xué)儲能共五大類。

圖1 儲能技術(shù)對比圖

機(jī)械儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、二氧化碳儲能、飛輪儲能、重力儲能等，其中抽水蓄能是目前技術(shù)最為成熟、成本最低、裝機(jī)規(guī)模最大的儲能技術(shù)。電化學(xué)儲能包含鉛蓄電池、鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池、鈉離子電池、超級電容器等，其中鋰離子電池是應(yīng)用最為廣泛、發(fā)展?jié)摿ψ畲蟆⒀b機(jī)規(guī)模增速最快的電化學(xué)儲能技術(shù)。熱儲能包含水儲熱、熔鹽儲熱、固體顆粒儲熱、熱化學(xué)等。電磁儲能主要指超導(dǎo)磁儲能?；瘜W(xué)儲能包含氫儲能(PEM電解水制氫)、合成天然氣、合成化工產(chǎn)品等[7-9]。

1.2 儲能技術(shù)指標(biāo)

不同儲能技術(shù)成熟度與系統(tǒng)成本差異較大，技術(shù)特點(diǎn)決定了儲能的應(yīng)用場景。技術(shù)成熟度高、應(yīng)用場景豐富、系統(tǒng)成本低的儲能方式將在未來儲能市場上成為主流技術(shù)，表1總結(jié)了不同儲能的技術(shù)指標(biāo)[5-9]。

表1 儲能技術(shù)參數(shù)對比分析

1.3 新型儲能市場規(guī)模

近年來，儲能規(guī)模化應(yīng)用呈現(xiàn)強(qiáng)勁趨勢，多種儲能技術(shù)正廣泛應(yīng)用于可再生能源開發(fā)、消納、綜合智慧能源系統(tǒng)、有源配電網(wǎng)、微電網(wǎng)，不斷在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)推廣應(yīng)用。如圖2所示，截至2021年底全球已投運(yùn)儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模達(dá)到了209.4 GW，其中抽水蓄能的裝機(jī)規(guī)模是180.5 GW，新型儲能裝機(jī)規(guī)模是25.5 GW[10]。如圖3所示，在新型儲能技術(shù)中，除了主流的鋰離子電池儲能技術(shù)以外，熔鹽儲熱、鉛蓄電池、鈉硫電池、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等技術(shù)也有一定的裝機(jī)量占比，尤其是2022年壓縮空氣儲能裝機(jī)規(guī)模有了明顯增長。

圖2 全球電力儲能市場累計(jì)裝機(jī)規(guī)模

圖3 全球新型儲能市場累計(jì)裝機(jī)規(guī)模

2 鋰離子電池

2.1 基本概述

鋰離子電池的特點(diǎn)是能量密度高、充放電效率高、響應(yīng)速度快、產(chǎn)業(yè)鏈完整，是近年來發(fā)展最快、潛力最大的電化學(xué)儲能技術(shù)，裝機(jī)規(guī)模僅次于抽水蓄能，目前處于商業(yè)化應(yīng)用早期。鋰離子電池的儲能容量取決于單體電芯的容量以及模塊化組裝的電池?cái)?shù)量。

2.2 發(fā)展現(xiàn)狀

目前鋰離子電池作為一種主流的新型儲能技術(shù)，已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化初期階段，在全球范圍內(nèi)裝機(jī)規(guī)模顯著。鋰離子電池儲能系統(tǒng)主要由電池組、儲能變流器(PCS)、電池管理系統(tǒng)(BMS)、能量管理系統(tǒng)(EMS)以及其他電氣設(shè)備組成。電池是其中成本最高、技術(shù)門檻最高的部分，是整個鋰離子電池儲能的核心，鋰電池的經(jīng)濟(jì)性和性能高度依賴于電池的經(jīng)濟(jì)性和性能。按照鋰電池所使用的正極材料不同，鋰離子電池可以分為磷酸鐵鋰電池、鎳鈷錳三元鋰電池、鈷酸鋰電池以及錳酸鋰電池[11]。

2.3 前沿技術(shù)

現(xiàn)階段，高性能、低成本的正負(fù)極關(guān)鍵材料體系和電池固態(tài)化是研究重點(diǎn)。關(guān)鍵材料體系研究方面，美國阿貢國家實(shí)驗(yàn)室Khalil Amine、陸俊和北京大學(xué)潘鋒教授等[12]研究了鈷對于電池性能的影響，發(fā)現(xiàn)錳的替代能夠有效緩解鈷的破壞作用，并成功制備出了一種無鈷正極材料LiNiαMnβXγO2。王春生等[13]報(bào)道了一種高濃度水系電解液體系，通過在水系電解液中添加高濃度的雙三氟甲基磺酰亞胺鹽，緩解了傳統(tǒng)水系鋰離子電池的充放電電壓區(qū)間窄、能量密度低的問題，將水系體系的電壓窗口擴(kuò)大至3 V。Gao J X等[14]制備出一種新型的固體電解質(zhì)材料Li3Zr2Si2PO12，其電導(dǎo)率突破了10～4 S/cm(20℃)。

陳海生、李泓等[15]梳理了近期主流企業(yè)在鋰電池前沿技術(shù)方面取得的最新成果，包括蜂巢能源研制出充電10 min，巡航里程可達(dá)400 km的鋰離子電池新體系；蔚來發(fā)布了電芯能量密度突破360 Wh/kg的半固體電池；北京衛(wèi)藍(lán)新能源聯(lián)合浙江鋰鋒共同開發(fā)出一款長壽命的混合固液電解質(zhì)儲能鋰電池，實(shí)現(xiàn)了10000次的超長壽命等。

2.4 發(fā)展展望

未來，鋰離子電池技術(shù)將朝著長壽命、高安全性、低成本方向發(fā)展，循環(huán)壽命長、安全性高、成本低廉的正負(fù)極材料體系，能量密度高、安全的電池模組結(jié)構(gòu)，精準(zhǔn)可控的電池管理系統(tǒng)等是重點(diǎn)技術(shù)研發(fā)方向。“十四五”期間將開發(fā)百兆瓦級大規(guī)模、本質(zhì)安全的鋰離子電池儲能技術(shù)，系統(tǒng)成本降低30%以上，循環(huán)壽命突破15000次。

3 液流電池

3.1 基本概述

液流電池是通過儲罐將電解液輸送至電堆內(nèi)并在交換膜處發(fā)生氧化還原反應(yīng)進(jìn)行能源存儲與轉(zhuǎn)化，按照液流電池反應(yīng)中參與元素不同，可分為全釩液流電池、鋅基液流電池、鐵鉻液流電池等[15-16]。全釩液流電池由新南威爾士大學(xué)M.Skyllas-Kazacos首次提出[17]，是目前裝機(jī)規(guī)模最大的一種液流電池，其突出特點(diǎn)是壽命長、規(guī)模大、安全性高、電解液可回收利用、能實(shí)現(xiàn)能量和功率解耦，缺點(diǎn)是現(xiàn)階段成本高昂，維護(hù)成本高；體積和質(zhì)量龐大，能量密度低；運(yùn)行溫度范圍較窄，相較于鋰離子電池，全釩液流電池使用溫度要保持在0～45℃[15-16]。全釩液流電池的能量密度由電解液的濃度和體積決定。

3.2 發(fā)展現(xiàn)狀

技術(shù)研究方面，張華民團(tuán)隊(duì)[18-21]在電解質(zhì)溶液、非氟離子傳導(dǎo)膜、碳塑復(fù)合雙極板和電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)等方面開展了深入研究，團(tuán)隊(duì)研制的2 kW電堆在恒功率充放電測試時(shí)，保持電堆能量效率大于80%的工況下電堆的工作電流密度能達(dá)到345 mA/cm2，顯著提升了電堆能量密度。

產(chǎn)業(yè)化方面，以北京普能、大連融科等為代表的國內(nèi)外多家企業(yè)在材料制備、關(guān)鍵零部件制造、系統(tǒng)集成、智能控制等取得了一些成果。其中北京普能已安裝并運(yùn)行50多套全釩液流電池儲能系統(tǒng)；大連融科已實(shí)現(xiàn)了釩液流電池材料的國產(chǎn)化和批量化生產(chǎn)。

3.3 前沿技術(shù)

目前液流電池前沿技術(shù)研究主要集中在新型離子液成分和隔膜研究，以提升液流電池經(jīng)濟(jì)性。離子液方面，鐵、鋅、錳等儲量豐富的金屬被當(dāng)作電解液有效成分得到了廣泛研究?，F(xiàn)階段，多個團(tuán)隊(duì)相繼開發(fā)出鋅錳[22]、鋅碘[23]、鈦錳[24]、鐵基[25]等多種新型離子液體系。Xie C X等[23]研究出一種鋅-碘液流電池，選擇KI和ZnBr2作為電解液活性物質(zhì)。Savinell團(tuán)隊(duì)[25]報(bào)道了一種全新的全鐵液流電池，利用鐵離子和金屬鐵單質(zhì)間可逆的氧化還原反應(yīng)儲存能量。相較于全釩液流電池，鐵離子的成本更低、不具備毒性，如果能進(jìn)一步提升容量和循環(huán)壽命，更加適用于大規(guī)模長時(shí)儲能。隔膜方面，目前傳統(tǒng)的質(zhì)子交換膜成本較高，基礎(chǔ)研究多聚焦于開發(fā)新一代低成本隔膜，例如復(fù)合膜、陰離子交換膜等。張華民等[26]報(bào)道了一種聚醚砜(PES)和磺化聚醚醚酮(SPEEK)復(fù)合多孔膜，應(yīng)用在鋅-鐵液流電池體系中，有效提升了液流電池的電化學(xué)性能，且成本不高。

3.4 發(fā)展展望

為了提升液流電池經(jīng)濟(jì)性，推動其產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，開發(fā)高性能、耐腐蝕的碳?xì)植牧象w系，完善液流電池電堆密封技術(shù)和模塊化設(shè)計(jì)，提升電堆整體性能和可靠性，強(qiáng)化電解液回收利用技術(shù)，進(jìn)一步降低液流電池系統(tǒng)成本是技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)。未來將加快實(shí)現(xiàn)百兆瓦級大型液流電池儲能關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和試點(diǎn)示范項(xiàng)目建設(shè)，積極推動液流電池產(chǎn)業(yè)化。

4 鈉離子電池

4.1 基本概述

鈉離子電池作為一種二次電池，與鋰離子電池的結(jié)構(gòu)和工作原理類似，由正極、負(fù)極、電解液和隔膜組成，并依靠鈉離子在正負(fù)極之間來回穿梭工作。目前鈉離子電池儲能技術(shù)處于技術(shù)研發(fā)階段，是未來具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ男滦碗娀瘜W(xué)儲能技術(shù)。

4.2 發(fā)展現(xiàn)狀

鈉離子電池的能量密度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的鉛蓄電池，且接近目前主流的磷酸鐵鋰電池。與鋰離子電池相比，鈉離子電池作為一種先進(jìn)的電化學(xué)儲能技術(shù)，在資源豐度、成本、安全性、高溫性能等方面具有顯著的優(yōu)勢：金屬鈉的儲量豐富，遠(yuǎn)高于金屬鋰的儲量(鈉的地殼豐度為2.75%，鋰的地殼豐度為0.0065%)；鈉離子電池的原材料成本低(碳酸鋰價(jià)格約50萬元/噸，碳酸鈉價(jià)格約3000元/噸)，據(jù)中科海納測算，鈉離子電池材料成本比鋰離子電池低30%～40%；鈉枝晶不易生成，裝配后的電池安全性更好；鈉離子高低溫性能保持率更高，在-20℃下使用仍然有90%的容量保持；與鋰離子生產(chǎn)工藝可兼容[27-28]。國內(nèi)外已有超過二十家新能源企業(yè)布局鈉離子電池產(chǎn)業(yè)，在核心材料制備和電池性能研究方面已經(jīng)取得了一些成果。

4.3 前沿技術(shù)

目前，鈉離子電池前沿技術(shù)研究主要集中在高性能、高安全性的材料體系開發(fā)。鈉離子電池正極材料體系主要分為三類：層狀氧化物、聚陰離子類化合物、普魯士藍(lán)類。其中，層狀氧化物的代表性產(chǎn)品為NaFeO2和NaMnO2，特性是比容量和電壓平臺較高，能量密度高，但穩(wěn)定性差；聚陰離子化合物，代表性產(chǎn)品為Na3V2(PO4)3，其特性是安全性和穩(wěn)定性好，但比容量較低，導(dǎo)電性不佳；普魯士藍(lán)類化合物，其特性是比容量高，但穩(wěn)定性稍差。傳統(tǒng)的層狀氧化物能量密度較低，Rong X H等[29]研究發(fā)現(xiàn)，在層狀氧化物中引入陰離子氧化還原反應(yīng)后可有效提升材料的比容量；Qi Y R等[30]報(bào)道了一種室溫條件下批量化制備聚陰離子類正極材料的方法。負(fù)極材料研究方面，Meng Q S等[31]報(bào)道了一種用于提升鈉離子電池性能的硬碳負(fù)極材料；Wang Y等[32]研制出一種Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2負(fù)極材料，性能優(yōu)異。

4.4 發(fā)展展望

未來，鈉離子電池將集中攻克單體電池和電池系統(tǒng)等關(guān)鍵技術(shù)，包括低成本、高性能正負(fù)極核心材料制備放大技術(shù)，電解液/隔膜體系優(yōu)選技術(shù)，電芯安全可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)，高安全、高倍率和寬溫電芯設(shè)計(jì)制造技術(shù)、電池正負(fù)極材料的評價(jià)技術(shù)、大圓柱及大方形鋁殼電芯的制造工藝技術(shù)、電池的安全性設(shè)計(jì)及評價(jià)技術(shù)、電池大規(guī)模篩選及成組技術(shù)等，盡快實(shí)現(xiàn)百兆瓦級大規(guī)模儲能應(yīng)用。

5 壓縮空氣儲能技術(shù)

5.1 基本概述

壓縮空氣儲能技術(shù)具有儲能容量大、儲能周期長、系統(tǒng)效率高、運(yùn)行壽命長、比投資低等優(yōu)點(diǎn)，是繼抽水蓄能之后第二大適合吉瓦級大規(guī)模電力儲能技術(shù)，目前處于項(xiàng)目試點(diǎn)示范階段。

5.2 發(fā)展現(xiàn)狀

壓縮空氣儲能技術(shù)分為傳統(tǒng)與新型兩大技術(shù)路線。傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)又可稱為補(bǔ)燃式壓縮空氣儲能(CAES)，是基于燃?xì)廨啓C(jī)技術(shù)開發(fā)的一種儲能系統(tǒng)。在用電低谷，將空氣壓縮并存于儲氣室中，使電能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能存儲起來；在用電高峰，高壓空氣從儲氣室釋放，進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室同燃料一起燃燒，然后驅(qū)動透平發(fā)電。傳統(tǒng)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟度高、設(shè)備運(yùn)行可靠，但依賴于儲氣洞穴與化石燃料，系統(tǒng)效率低下，存儲與轉(zhuǎn)換過程會帶來新污染。

與傳統(tǒng)壓縮空氣儲能相比，新型壓縮空氣儲能攻克了傳統(tǒng)壓縮空氣儲能的部分技術(shù)瓶頸，未來具有規(guī)?；瘧?yīng)用潛能。絕熱壓縮空氣儲能中增加了蓄熱回?zé)峒夹g(shù)，回收再利用氣體壓縮過程所產(chǎn)生的壓縮熱，在壓縮空氣發(fā)電時(shí)不需再燃燒化石燃料，不再依靠補(bǔ)燃的方式發(fā)電，提高了壓縮空氣儲能的適應(yīng)性和清潔化；等溫壓縮空氣儲能是在壓縮過程中實(shí)時(shí)分離壓縮熱能和壓力勢能，使得空氣在壓縮和膨脹過程中不發(fā)生較大的溫度變化，最終通過空氣在準(zhǔn)等溫壓縮過程和膨脹過程中變化實(shí)現(xiàn)能量的存儲與轉(zhuǎn)化，一般以小功率為主；液態(tài)空氣儲能是將空氣壓縮液化儲存或高壓氣態(tài)存儲于儲氣裝置中，擺脫對儲氣洞穴的依賴，提高了壓縮空氣儲能對選址的適應(yīng)性；超臨界壓縮空氣儲能是通過壓縮、膨脹、超臨界蓄熱及換熱、系統(tǒng)集成優(yōu)化，整體提高系統(tǒng)效率，同時(shí)解決傳統(tǒng)壓縮空氣儲能所有技術(shù)瓶頸[33-35]。

壓縮空氣儲能目前還處于技術(shù)迭代和示范項(xiàng)目運(yùn)行階段，僅有小規(guī)模裝機(jī)項(xiàng)目，還未實(shí)現(xiàn)規(guī)模化商業(yè)化項(xiàng)目運(yùn)行。2013年河北廊坊建成國內(nèi)首套1.5 MW壓縮空氣儲能系統(tǒng)，儲能系統(tǒng)效率為52%。2017年貴州畢節(jié)10 MW壓縮空氣儲能項(xiàng)目開始運(yùn)行。2017年，我國壓縮空氣儲能首個國家示范工程項(xiàng)目——江蘇金壇60 MW壓縮空氣示范項(xiàng)目開工建設(shè)，并于2022年正式投產(chǎn)。

5.3 前沿技術(shù)

壓縮空氣儲能前沿技術(shù)研究主要集中在壓縮機(jī)、膨脹機(jī)等關(guān)鍵零部件性能研究以及系統(tǒng)集成能力提升，陳海生、徐玉杰等[4]對壓縮空氣儲能技術(shù)進(jìn)展做了詳細(xì)總結(jié)分析。壓縮機(jī)方面，Sun J T等[36]研究了濕壓縮法對壓縮機(jī)性能的影響，發(fā)現(xiàn)壓縮機(jī)利用濕壓縮法在設(shè)計(jì)工況下耗功降低1.47%；膨脹機(jī)方面，孫冠珂等[37]詳細(xì)研究了膨脹機(jī)進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，通過內(nèi)部流場的分析，揭示了內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)和損失機(jī)理；系統(tǒng)集成方面，中國科學(xué)院工程熱物理所[4]積極攻克百兆瓦級先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)集成技術(shù)，在張家口建設(shè)國際首套100 MW壓縮空氣儲能系統(tǒng)。

5.4 發(fā)展展望

持續(xù)攻克寬工況壓縮機(jī)技術(shù)、高負(fù)荷軸流式膨脹機(jī)技術(shù)、高效蓄熱換熱器技術(shù)以及系統(tǒng)集成技術(shù)，推動百兆瓦級別大規(guī)模先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)廣泛應(yīng)用是技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)，進(jìn)一步降低大規(guī)模壓縮空氣儲能系統(tǒng)成本，提升經(jīng)濟(jì)性。

6 結(jié)論

在“雙碳”及構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的目標(biāo)下，“新能源+儲能”的發(fā)展模式已經(jīng)成為行業(yè)共識，儲能作為獨(dú)立市場的主體地位已基本明確，儲能產(chǎn)業(yè)將迎來飛速發(fā)展。抽水蓄能技術(shù)受限于建設(shè)周期長、響應(yīng)時(shí)間長、環(huán)境適應(yīng)性等問題，不能充分滿足未來新型電力系統(tǒng)發(fā)展要求，以鋰電池為代表的電化學(xué)儲能技術(shù)因?yàn)檠b機(jī)靈活性高、建設(shè)周期短、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等因素逐漸在儲能市場中受到重視，裝機(jī)規(guī)模不斷增長，經(jīng)濟(jì)性不斷提升。此外，壓縮空氣儲能作為有發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模長時(shí)儲能技術(shù)，技術(shù)迭代和工程示范也不斷加快。傳統(tǒng)抽水蓄能和各種新型儲能技術(shù)各有優(yōu)勢，未來，針對不同應(yīng)用場景和各地區(qū)電力系統(tǒng)需求，創(chuàng)新探索高效、低成本、本質(zhì)安全、多時(shí)間尺度的儲能技術(shù)，持續(xù)提升儲能系統(tǒng)集成能力和智慧可控水平，并綜合考慮不同儲能方式的技術(shù)特點(diǎn)及度電成本，開展多元化、多時(shí)間尺度的綜合儲能技術(shù)研究將是儲能市場的發(fā)展趨勢。