鋰電池技術(shù)在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用與發(fā)展趨勢(shì)研究

李海杰

（河南省法恩萊特新能源科技有限公司，河南 焦作 454150）

鋰電池是我國(guó)重要的儲(chǔ)能設(shè)備，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域中，該電池由于應(yīng)用技術(shù)成熟，具有較大的發(fā)展空間。為了實(shí)現(xiàn)綠色生產(chǎn)，合理回收綠色電能，提高儲(chǔ)電設(shè)備使用效率，儲(chǔ)能設(shè)備公司要加強(qiáng)儲(chǔ)能設(shè)備的研究，實(shí)現(xiàn)設(shè)備升級(jí)。相關(guān)企業(yè)要加強(qiáng)對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究，同時(shí)規(guī)范原有使用技術(shù)，進(jìn)而提升鋰電池使用效率，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)步。

1 儲(chǔ)能行業(yè)最新政策

儲(chǔ)能是一種新型的電力系統(tǒng)，以新能源為主，它是保證國(guó)家能源安全的重要技術(shù)與設(shè)備的重要支撐。為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和、占領(lǐng)國(guó)際戰(zhàn)略新高地，提供了有力的支持?，F(xiàn)已成為我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的戰(zhàn)略性、基礎(chǔ)性和先導(dǎo)性的工業(yè)?！丁笆奈濉毙滦蛢?chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《方案》，標(biāo)志著一個(gè)新的行業(yè)正在蓬勃發(fā)展。

《方案》著重論述了“十四五”期間發(fā)展新型儲(chǔ)能的指導(dǎo)方針和基本原則，確定了發(fā)展的主要目標(biāo)和工作重點(diǎn)。這是“十四五”期間促進(jìn)新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)高品質(zhì)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)，同時(shí)，也為新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新示范、完善產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)提供了有力的參考，為產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新和可持續(xù)發(fā)展提供了指導(dǎo)。

《方案》對(duì)我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)“技術(shù)水平和裝機(jī)規(guī)模穩(wěn)定提高、應(yīng)用領(lǐng)域和業(yè)務(wù)方式逐步擴(kuò)大、制度和市場(chǎng)機(jī)制逐步健全”的情況進(jìn)行了歸納。并認(rèn)為“十四五”是我國(guó)新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的重要階段，迫切需要盡快構(gòu)建符合我國(guó)國(guó)情的市場(chǎng)化、可持續(xù)發(fā)展的新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)體系。比如，把新型儲(chǔ)能與電力系統(tǒng)、新能源等的發(fā)展要求相結(jié)合，制定長(zhǎng)期穩(wěn)定的激勵(lì)措施，拓寬新型儲(chǔ)能業(yè)務(wù)模式，推動(dòng)市場(chǎng)的發(fā)展；強(qiáng)化對(duì)儲(chǔ)能項(xiàng)目的技術(shù)指導(dǎo)，強(qiáng)化新型儲(chǔ)能的安全管理，改善儲(chǔ)能的品質(zhì)控制等薄弱環(huán)節(jié)，并在今后五年里彌補(bǔ)不足，努力取得新的突破。

“十三五”期間，我國(guó)的新型儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)正處于從研究和試驗(yàn)到商業(yè)化的初級(jí)階段，在技術(shù)設(shè)備的研究與開(kāi)發(fā)、示范項(xiàng)目的建設(shè)、商業(yè)模式的探索以及政策體系的建立等方面已有重大的進(jìn)步，市場(chǎng)應(yīng)用的范圍穩(wěn)定增長(zhǎng)，為能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變提供了有力的支持。2020年年末，我國(guó)新型儲(chǔ)能共裝機(jī)約330萬(wàn)千瓦，居全球首位。

從整體上講，我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展?fàn)顩r已經(jīng)趨于完善，但是，在商業(yè)化運(yùn)行方面還存在諸多問(wèn)題，電化學(xué)儲(chǔ)能的安全性、商業(yè)模式尚處在摸索與試驗(yàn)的過(guò)程中。因此，《方案》建議到2025年，全國(guó)新型儲(chǔ)能總裝機(jī)量將超過(guò)3000萬(wàn)千瓦；電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的性能得到了極大地提高，同時(shí)，也使整個(gè)體系的運(yùn)行費(fèi)用下降了30%;基于傳統(tǒng)電源的新型儲(chǔ)能技術(shù)，如梯級(jí)電站儲(chǔ)能、火電和核電抽汽儲(chǔ)能等，已在工程上得到了廣泛的應(yīng)用；百兆瓦壓縮空氣儲(chǔ)能、兆瓦級(jí)的飛輪儲(chǔ)能等技術(shù)逐漸趨于完善；在長(zhǎng)時(shí)間尺度儲(chǔ)能技術(shù)方面，如氫儲(chǔ)能、熱（冷）儲(chǔ)能等獲取突破。

2 電力系統(tǒng)與儲(chǔ)能設(shè)備

今后的電力系統(tǒng)必須具有供需的靈活性，能夠適應(yīng)大規(guī)模的可再生能源接入，能夠解決能源生產(chǎn)、儲(chǔ)存、輸送和消耗過(guò)程中的智能化控制。在發(fā)、輸、配、用四個(gè)方面，儲(chǔ)能電源發(fā)揮著關(guān)鍵的作用。因此，必須持續(xù)推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)與市場(chǎng)的多元化發(fā)展，提高能源品質(zhì)，確保供求均衡，減少能源消耗，讓消費(fèi)者真正體會(huì)到其經(jīng)濟(jì)、安全的價(jià)值。

2.1 發(fā)電側(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)需求

當(dāng)電網(wǎng)斷電后，火電機(jī)組不能正常運(yùn)行，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以起到輔助供電的作用。通常只需要1～10MW，就可以連續(xù)供電2～3h?？稍偕茉慈顼L(fēng)光發(fā)電，由于其時(shí)斷時(shí)續(xù)、不穩(wěn)定等特點(diǎn)，極易對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響，無(wú)法充分地適應(yīng)電力系統(tǒng)的調(diào)度需要，因此，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)了大量的棄用。采用這種儲(chǔ)能系統(tǒng)，可以使電力系統(tǒng)在發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)得到充分的平衡，提高了風(fēng)、光等可再生能源的利用率。也可以在可再生能源電站中提供后備電力。

2.2 輸電側(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)需求

由于電力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化以及負(fù)荷周期的變化，使得儲(chǔ)能系統(tǒng)必須對(duì)電網(wǎng)的頻率、電壓、頻率保持穩(wěn)定作出反應(yīng)。調(diào)頻儲(chǔ)能系統(tǒng)通常具有1MW或更大的裝機(jī)容量，充、放時(shí)間為1～15min，周期為20～40次/天，響應(yīng)時(shí)間為1min以?xún)?nèi)。而調(diào)峰一般具有10MW或更大的裝機(jī)容量，充、放時(shí)間為2～4h，每天1次，響應(yīng)時(shí)間為1h以?xún)?nèi)。

2.3 配電側(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)需求

在配電網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)配電網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，其儲(chǔ)能系統(tǒng)將繼續(xù)提供給客戶(hù)，此外，采用可調(diào)節(jié)負(fù)荷和控制供電方式實(shí)現(xiàn)配電網(wǎng)絡(luò)的供電質(zhì)量，解決了電壓波動(dòng)、諧波等問(wèn)題。為了改善配電網(wǎng)絡(luò)的可靠度，采用10MW或更多的能量存儲(chǔ)方式，充放電的持續(xù)時(shí)間為0.5～2h，響應(yīng)時(shí)間為10min以?xún)?nèi)，提高電力質(zhì)量的儲(chǔ)能系統(tǒng)具有很大的裝機(jī)容量，視實(shí)際需要而定，一般在1～40MW以?xún)?nèi)，充放電時(shí)間為1～60s，周期為10～100次/天，響應(yīng)時(shí)間在毫秒級(jí)。

2.4 用電側(cè)的儲(chǔ)能系統(tǒng)需求

在需求側(cè)管理的持續(xù)改進(jìn)下，儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅可以減少小用戶(hù)的負(fù)荷峰谷差，而且還可以極大地解決目前電網(wǎng)容量不足的問(wèn)題。在用戶(hù)端方面，存在著多種不同的應(yīng)用領(lǐng)域，比如，削峰填谷、高峰電力的補(bǔ)充，以及緊急情況下的緊急電力供應(yīng)。該儲(chǔ)能系統(tǒng)可以按使用者的用電量和負(fù)荷特性來(lái)設(shè)計(jì)，其容量可以在連續(xù)高峰時(shí)供電2h，在低谷時(shí)段為8～10h，充放電周期為1次/天。

3 鋰電池技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

當(dāng)前，國(guó)內(nèi)研究鋰電池主要從三個(gè)技術(shù)方面開(kāi)展，即鈦酸型鋰電池、三元體型鋰電池和磷酸鐵型鋰體系三個(gè)研究路線(xiàn)。在儲(chǔ)能研究方面主要考慮電池的投資回報(bào)，而當(dāng)前階段市場(chǎng)中還有很大一部分鉛蓄電池。據(jù)中關(guān)村CNESA統(tǒng)計(jì)，截至2016年，我國(guó)化學(xué)儲(chǔ)能設(shè)備總計(jì)243MW，其中大部分電池以鉛和鋰離子技術(shù)為主，鋰電池裝機(jī)比例為6成。

比能量參數(shù)方面，磷酸鐵型鋰電池可以達(dá)到140瓦時(shí)每千克以上，常溫充放電條件下使用壽命達(dá)到3000次以上，自放電相對(duì)較小，無(wú)記憶效應(yīng)，可支持快速充電和放電，以調(diào)節(jié)波峰波谷運(yùn)行模式為主，使用時(shí)間可達(dá)到10～15年，該電池的使用特點(diǎn)能夠應(yīng)對(duì)大部分使用需求。2017年第二季度我國(guó)增加電化學(xué)設(shè)備21.1MW，鋰電池所占比例已經(jīng)達(dá)到88%，說(shuō)明該電池在市場(chǎng)已經(jīng)被大多數(shù)使用者認(rèn)可。

三元體型鋰電池比能量較其他鋰電池高，但是，非常受循環(huán)技術(shù)和安全技術(shù)的限制。該類(lèi)電池如果受到較大力的沖擊，集中在一點(diǎn)的沖擊以及過(guò)充或者短路問(wèn)題時(shí)，其內(nèi)部溫度能夠快速達(dá)到200～300℃，極易導(dǎo)致正極部分內(nèi)部反應(yīng)引起電池整體膨脹甚至爆炸。一旦發(fā)生問(wèn)題，電池很難保持可控狀態(tài)。儲(chǔ)能技術(shù)和新能源車(chē)的不同在于系統(tǒng)所占空間較大，對(duì)質(zhì)量比的敏感程度低，相對(duì)來(lái)說(shuō)，儲(chǔ)能設(shè)備能量較大，在使用中要時(shí)刻關(guān)注其安全性，如果出現(xiàn)起火、爆炸等情況，可能會(huì)危害周邊人員生命健康以及各類(lèi)財(cái)產(chǎn)安全，所以使用該鋰電池的企業(yè)多數(shù)停留在理論階段或在理想環(huán)境中使用，并要對(duì)電池狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

鈦酸型鋰電池的比能量數(shù)值沒(méi)有其他兩種類(lèi)型的鋰電池高，但是，該電池在低溫環(huán)境中性能十分優(yōu)異，大倍率條件下充放次數(shù)可達(dá)到上萬(wàn)次。許多企業(yè)將該技術(shù)作為主要研究路線(xiàn)，該電池在國(guó)內(nèi)東北地區(qū)公共交通車(chē)輛中廣泛應(yīng)用。在儲(chǔ)能應(yīng)用時(shí)，該電池電壓平臺(tái)為1.5V，要達(dá)到與PCS直流段相匹配，需要增加電池串聯(lián)數(shù)量，由于電池一致性效果較差，致使管理系統(tǒng)相對(duì)較大，需要做好控制策略。此外，還要在保證使用壽命的前提下，通過(guò)壓低高倍率性能達(dá)到控制成本的目的，發(fā)揮電池低溫高效使用的特點(diǎn)，這方面的發(fā)展目前在儲(chǔ)能技術(shù)中占據(jù)不可替代的地位。儲(chǔ)蓄電池經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展與進(jìn)步，技術(shù)成熟性不斷提升，在電池種類(lèi)不斷增加的前提下，相關(guān)技術(shù)水準(zhǔn)也在不斷提升。傳統(tǒng)鉛炭電池在不斷發(fā)展中，循環(huán)能力已經(jīng)得到了極大地提升，但是，成果多為試驗(yàn)條件下得出的，實(shí)際應(yīng)用較少。同時(shí)，為了創(chuàng)造綠色發(fā)展道路，國(guó)內(nèi)鉛及相關(guān)產(chǎn)品的產(chǎn)量也在不斷下降。同時(shí)，隨著鋰電池技術(shù)和生產(chǎn)能力的發(fā)展，價(jià)格優(yōu)勢(shì)逐漸凸顯，尤其是磷酸鐵型鋰電池，具有較大的價(jià)格優(yōu)勢(shì)，在不斷發(fā)展后，可能會(huì)取代傳統(tǒng)鉛電池在市場(chǎng)中的地位。

4 工業(yè)儲(chǔ)能電源系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

工業(yè)儲(chǔ)能形式的電源存儲(chǔ)產(chǎn)品大多是通過(guò)集裝箱裝載的，在使用過(guò)程中，需要結(jié)合實(shí)際使用需求，選擇合理的電池組以及能量管理系統(tǒng)。其關(guān)鍵技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)如下。

（1）從模塊形式的電池向包式方向轉(zhuǎn)變，進(jìn)而提升單獨(dú)電池箱在體積不變的情況下的能量存儲(chǔ)量。固定式存儲(chǔ)方式通常使用功能模塊形式的設(shè)計(jì)，單個(gè)電池箱能量存儲(chǔ)可達(dá)1MW。上海某電源技術(shù)公司通過(guò)研究和創(chuàng)新，設(shè)計(jì)出了高密度集成技術(shù)，能夠承載1MW時(shí)的儲(chǔ)電系統(tǒng)，利用引入包層級(jí)，在一定程度上減少了絕緣、地址防護(hù)、系統(tǒng)穩(wěn)定性、高壓直流電使用安全等各類(lèi)問(wèn)題，有效降低了線(xiàn)束外場(chǎng)工作產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)，降低了工作量。同時(shí)，利用插拔設(shè)計(jì)，完美避免了電池安裝中工藝方面的問(wèn)題，使之便于維護(hù)。

（2）從固定式朝著移動(dòng)式方向發(fā)展。隨著技術(shù)的成熟，儲(chǔ)能設(shè)備的使用變得越來(lái)越廣，已經(jīng)不限于電力服務(wù)工作和調(diào)整用電波峰、波谷等固定使用場(chǎng)景，逐漸被應(yīng)用于民用防災(zāi)工作，石油開(kāi)采工作，機(jī)場(chǎng)應(yīng)用等方面。隨著移動(dòng)式儲(chǔ)電設(shè)備的發(fā)展，將會(huì)應(yīng)用到更多應(yīng)用場(chǎng)景中，能夠代替多數(shù)柴油發(fā)電應(yīng)用狀況，發(fā)展綠色海港、綠色機(jī)場(chǎng)等目標(biāo)。

（3）市場(chǎng)對(duì)熱插拔，浮充供電以及較大電流平穩(wěn)技術(shù)的需求日益凸顯。近年來(lái)，儲(chǔ)能設(shè)備相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展良好的情況下，可以看出其發(fā)展勢(shì)頭良好，使用該技術(shù)，能夠確保在工作中用長(zhǎng)期穩(wěn)定地運(yùn)行系統(tǒng)，獲得持續(xù)性收益。熱插拔技術(shù)是在系統(tǒng)正常運(yùn)行的情況下，對(duì)模組或是連接器進(jìn)行插拔操作。

浮充供電是通過(guò)特殊的電池化學(xué)設(shè)計(jì)，促進(jìn)其在特別的電壓力下開(kāi)展充電工作，繼而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)且均衡的保護(hù)效果，能夠在多數(shù)情況下避免電池出現(xiàn)自放電、充電深度增加的情況，是保證電池長(zhǎng)期穩(wěn)定使用的有效方法，能夠提升電池的使用周期。通常情況下，動(dòng)力電池中均衡電流是運(yùn)行單位為毫安陪，系統(tǒng)需要10A甚至更強(qiáng)的電流加快實(shí)現(xiàn)均衡速度。

5 儲(chǔ)能電源系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展要素

5.1 安全性

電網(wǎng)工作開(kāi)展中應(yīng)用的儲(chǔ)能設(shè)備在理論上較電動(dòng)汽車(chē)的儲(chǔ)能設(shè)備更加安全，但仍要使用成本極高的配套設(shè)備使其處于安全的使用環(huán)境中。此外，電池電源屬于直流形式，對(duì)安全性的要求較高。

5.2 經(jīng)濟(jì)性

電池使用時(shí)間在一定程度上與成本成正比例關(guān)系，當(dāng)前，電池能量轉(zhuǎn)化能力和管理技術(shù)已經(jīng)相對(duì)成熟，在成本壓縮方面具有較大的發(fā)展空間，如果能夠提高系統(tǒng)集成性，能夠獲得較多的利潤(rùn)。

5.3 便捷性

能量?jī)?chǔ)存在使用中最好做到即插即用，要將發(fā)展重點(diǎn)放在分布式系統(tǒng)建設(shè)方向，以方便使用人員將其融合進(jìn)市場(chǎng)中使用的電力系統(tǒng)，同時(shí)，還要兼顧用戶(hù)的滿(mǎn)意程度。

6 結(jié)語(yǔ)

電力企業(yè)在開(kāi)展儲(chǔ)能設(shè)備應(yīng)用中，要充分發(fā)揮設(shè)備作用，結(jié)合鋰電池應(yīng)用現(xiàn)狀以及工業(yè)儲(chǔ)能電源系統(tǒng)集成技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，加強(qiáng)對(duì)相關(guān)技術(shù)的研究，結(jié)合發(fā)展要素，提高儲(chǔ)能電源的安全性、經(jīng)濟(jì)性和便捷性。