根據(jù)能源存儲的方式，儲能技術(shù)一般分為機(jī)械儲能、電磁儲能及電化學(xué)儲能。
圖 1 不同儲能技術(shù)的功率特性與能量特性對比
電化學(xué)儲能技術(shù)的核心是電池技術(shù)，對電池技術(shù)的深入研究，改善電池的性能，開發(fā)出低成本、長壽命、高效的電池，并按照特定場景合理定制不同的儲能電池系統(tǒng)，能夠有效促進(jìn)電化學(xué)儲能技術(shù)的發(fā)展，擴(kuò)大其市場滲透率。
目前常用的電池技術(shù)包括鋰/鈉離子電池、高溫鈉硫電池、液流電池，它們在全球范圍內(nèi)都有MW級的裝機(jī)規(guī)模。本文詳細(xì)分析了近年來比較熱門的電池技術(shù)，闡述不同電池的技術(shù)特點(diǎn)，并分析儲能電池技術(shù)在細(xì)分市場上的未來發(fā)展方向。
1.鋰離子電池
鋰離子電池是實(shí)現(xiàn)電子設(shè)備無線使用、擺脫傳統(tǒng)化石能源的重要技術(shù)手段。在目前的電化學(xué)儲能技術(shù)中，鋰離子電池占據(jù)了主導(dǎo)地位，占據(jù)全球電化學(xué)儲能裝機(jī)規(guī)模的92%，是現(xiàn)階段最重要的電化學(xué)儲能技術(shù)。
鋰離子電池是通過鋰離子在正負(fù)電極之間反復(fù)脫嵌，從而在外電路形成電流的濃度差電池，常被成為“搖椅式電池”，如圖2所示。
鋰電池的優(yōu)勢在于：
①具有較高的能量密度，磷酸鐵鋰電池的單體能量密度最高可達(dá)到210Wh/kg,三元電池的單體能量密度則突破了300Wh/kg；
②充放電快，適合用于儲能電站的調(diào)峰、調(diào)頻；
③能量轉(zhuǎn)化效率高，可達(dá)到80~90%；
④響應(yīng)時間快速；
⑤循環(huán)壽命已經(jīng)實(shí)現(xiàn)萬次突破(衰減斜率預(yù)測結(jié)果)，寧德時代設(shè)計(jì)的福建晉江儲能電站預(yù)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)電池單體12000次的長壽命循環(huán)。
鋰離子電池在商業(yè)化使用過程中也面臨著很多突出問題：
①使用過程中存在安全隱患，無論是作為動力電池還是儲能電池，鋰離子電池爆炸或著火的現(xiàn)象頻發(fā)；
②鋰資源的儲量有限。鋰資源在地殼中的含量僅占0.0065%，目前的鋰資源無法支撐未來汽車電氣化和電化學(xué)儲能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。
2.鈉離子電池
鈉離子電池作為一種二次電池，與鋰離子電池的工作原理類似，依靠鈉離子在正負(fù)極之間來回穿梭工作，因而鈉離子電池同鋰離子電池一樣被稱作“搖椅式電池”。由于鈉離子半徑(0.102nm)比鋰離子(0.076nm)大，對正負(fù)極材料的配位數(shù)、晶格常數(shù)、晶體結(jié)構(gòu)等會產(chǎn)生比較大影響，在電極材料的選擇上需要注意。
常見的鈉離子電池正極材料包括：層狀氧化物、隧道型氧化物、普魯士藍(lán)類化合物、聚陰離子型化合物。負(fù)極材料包括：硬碳等碳基材料、鈦基嵌入型材料、有機(jī)類負(fù)極材料及合金及轉(zhuǎn)化類負(fù)極材料。
與鋰離子電池相比，鈉離子電池最大的特點(diǎn)是：
①鈉資源豐富，全球的鈉含量為2.75%，遠(yuǎn)高于鋰(0.0065%)；
②成本低。鈉離子電池的電極原材料和集流體(正負(fù)極均可使用鋁)的成本低，使得鈉離子電池的理論制造成本為0.55元/Wh，隨著產(chǎn)能的擴(kuò)大和工藝的改進(jìn)，其電芯成本有望降至0.2~0.3元/Wh，遠(yuǎn)低于鋰離子電池、高溫鈉硫電池和全釩液流電池的制造成本；
③安全性好。對比鋰離子電池，鈉離子電池充放電過程中安全性更高，高低溫性能保持率高，在－20℃下使用仍然有90%的容量保持。
鈉離子電池和鋰離子電池的技術(shù)和生產(chǎn)制造路線相似，能夠很好地借鑒當(dāng)前鋰離子電池的生產(chǎn)制造工藝，容量較高(略低于磷酸鐵鋰電池)，鈉資源儲量豐富，是未來極具有發(fā)展?jié)摿褪袌鰞r(jià)值的電池技術(shù)。
目前以寧德時代、中科海鈉為代表的電池公司均聚焦于鈉離子電池技術(shù)研發(fā)。在未來鈉離子電池有望部分替代鋰離子電池，應(yīng)用于低速交通、儲能電站中。
3.高溫鈉硫電池
高溫鈉硫電池作為一種重要的儲能技術(shù)，適用于大規(guī)模固定式儲能，目前裝機(jī)量占全球電化學(xué)儲能市場的3.6%，主要技術(shù)由日本NGK公司掌握，國內(nèi)上海電氣鈉硫儲能技術(shù)公司和東方電氣集團(tuán)公司也有一定的技術(shù)儲備。然而其安全問題一直倍受關(guān)注，成為制約其產(chǎn)業(yè)大規(guī)模發(fā)展的關(guān)鍵要素。
圖3 鈉硫電池的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖
高溫鈉硫電池的優(yōu)勢在于：
①資源豐富(鈉和硫的儲量豐富)；
②充放電壽命長；
③能量密度高，在大規(guī)模發(fā)電側(cè)儲能領(lǐng)域具有商業(yè)化和可持續(xù)發(fā)展?jié)摿Α?/span>
但高溫鈉硫電池工作溫度過高 (300~350℃)，存在嚴(yán)重的安全隱患，限制了其大規(guī)模產(chǎn)業(yè)發(fā)展。目前高溫鈉硫電池的生產(chǎn)制造集中主要集中日本，由于其安全性問題沒有得到有效解決，在全球范圍內(nèi)尚未產(chǎn)生規(guī)?；?yīng)。
4.全釩液流電池
全釩液流電池(VRB)通過不同價(jià)態(tài)的釩離子相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)電能的儲存與釋放，電解液是水相體系，是唯一使用同種元素組成的水系電池系統(tǒng)。與傳統(tǒng)二次電池不同，全釩液流電池反應(yīng)過程不涉及相變，其工作原理圖如圖4所示，正極存儲V5+/V4+的硫酸水溶液，負(fù)極存儲V3+/V2+的硫酸水溶液。
圖4全釩液流電池的的結(jié)構(gòu)和工作原理示意圖
通過磁力泵將電解液從儲罐輸送到電堆中，不同價(jià)態(tài)的釩離子組分會在電極表面發(fā)生氧化還原反應(yīng)，完成電化學(xué)反應(yīng)后再由磁力泵輸送回儲罐中。充電過程，正極的V4+轉(zhuǎn)變?yōu)閂5+，負(fù)極的V3+轉(zhuǎn)變?yōu)閂2+，同時釋放出H+，放電過程與之相反。其電極反應(yīng)機(jī)理如下式(1)：
(1)因此其容量取決于所使用的電解液濃度和體積，其功率由電池的電極面積和數(shù)量決定。
全釩液流電池具有以下的優(yōu)勢：
①安全環(huán)保。全釩液流電池的活性物質(zhì)是含有釩離子的稀硫酸水溶液，無有機(jī)物質(zhì)，電池故障時不易發(fā)生爆炸和燃燒；同時釩電解液也可以循環(huán)利用；
②循環(huán)壽命長。電池充放電循環(huán)次數(shù)在15000次以上，使用壽命在15~20年，高于鋰離子電池；
③能量轉(zhuǎn)換效率高，充放電特性好；
④可深度放電(100%充放電)，能耐受大電流充放，適合大電流快速充放電；通過更換電解液能實(shí)現(xiàn)電池的“即時充電”，具備快速響應(yīng)的特性；
⑤儲能容量大，儲能容量為數(shù)百千瓦時至數(shù)百兆瓦時，適合大容量固定儲能。
全釩液流電池的突出問題是：
①制造成本過高，依據(jù)大連融科公司統(tǒng)計(jì)，釩液流電池的制造成本在4000元/kWh左右，阻礙釩電池的推廣普及；
②體積龐大、不易搬運(yùn)，相同儲能容量下，全釩液流電池沉重、龐大，不易搬運(yùn)，不適宜用于電動汽車等便捷式交通設(shè)備，只能應(yīng)用于大規(guī)模固定儲能；
③對環(huán)境溫度要求苛刻，全釩液流電池的工作溫度在0~45℃，不適合在極端環(huán)境中使用；⑤正極極板易報(bào)廢，壽命不超過兩年，維修成本高；
⑥比能量低，難以進(jìn)一步提高。釩電池的質(zhì)量比能量僅是鋰電或高溫鈉硫電池的1/3~1/2。
電化學(xué)儲能應(yīng)用場景高度依賴于電池的技術(shù)特性，針對于上述幾種常見的電池技術(shù)，分別分析了其成本、性能及潛在應(yīng)用場景，總結(jié)在下表1中。
作為新興產(chǎn)業(yè)，儲能正處于政策積極引導(dǎo)、技術(shù)不斷迭代、市場逐漸成熟的階段，面臨著多重機(jī)遇和挑戰(zhàn)。一方面，儲能是構(gòu)建靈活電源的關(guān)鍵，在新型電力系統(tǒng)和“雙碳”目標(biāo)下將迎來重大發(fā)展；另一方面，目前儲能電池技術(shù)在成本、安全性、性能、標(biāo)準(zhǔn)體系建設(shè)等方面還有待進(jìn)一步提升。
未來幾年，電化學(xué)儲能技術(shù)仍然將以鋰離子電池為主。隨著鋰資源的逐步消耗，鈉離子電池的低成本、安全性和豐富存量等特征日益凸顯，性能不斷優(yōu)化，未來鈉離子電池在儲能領(lǐng)域會迎來更大的發(fā)展。
此外，隨著大電網(wǎng)對于長時儲能的需求逐步顯現(xiàn)，具有超長壽命的液流電池等新型長時儲能技術(shù)也將在特定領(lǐng)域中發(fā)揮其重要價(jià)值。電池技術(shù)不斷進(jìn)步、應(yīng)用場景不斷豐富，未來儲能電池技術(shù)必將進(jìn)入百花齊放的多元發(fā)展時代，要能夠充分發(fā)揮儲能市場對資源的調(diào)配作用，使各種電池技術(shù)依據(jù)特點(diǎn)統(tǒng)籌發(fā)展。
原文始發(fā)于微信公眾號（艾邦儲能與充電）：儲能電池技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：鋰離子、鈉離子、高溫鈉硫、全釩液流......