中國儲能網(wǎng)訊：5月11日，我國首個大容量鈉離子電池儲能電站——伏林鈉離子電池儲能電站在廣西南寧投運。這是國家重點研發(fā)計劃“百兆瓦時級鈉離子電池儲能技術”項目示范工程的一期工程，裝機規(guī)模為2.5兆瓦/10兆瓦時。工程的投產(chǎn)標志著鈉離子電池大規(guī)模儲能工程技術研制取得關鍵性突破，我國新型儲能發(fā)展開啟了鈉離子電池技術新紀元。
從鋰到鈉
電力儲能落地新技術路線
在南寧市武鳴區(qū)，投運已28年的伏林變電站迎來了“新鄰居”。穿過變電站的設備區(qū)域，進入鈉離子電池儲能電站，2排看似“彩色集裝箱”的電池艙和變流器艙整齊排列，與右側墻壁涂有綠色元素繪畫的3層中控大樓相映矗立。而這片占地僅10余畝的儲能裝置投入運行后，我國具有完全自主知識產(chǎn)權的大容量鈉離子儲能技術也實現(xiàn)了在電力工程的首次應用。
在電站中控樓里，技術人員正在通過電子大屏實時監(jiān)控剛投產(chǎn)的儲能電站運行情況?！氨酒谕懂a(chǎn)規(guī)模為十兆瓦時，項目整體建成規(guī)模將達到百兆瓦時。通過大屏，我們可以看到儲能電站運行設備的實時參數(shù)，通過相連的線路，儲能電站可以智能化參與電力調峰，實現(xiàn)靈活存儲和釋放新能源電量，把清潔電力送到千家萬戶”，南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)公司南寧供電局高級工程師羅傳勝介紹。
該電站由南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)公司投資建設，本期投產(chǎn)規(guī)模為十兆瓦時。項目整體建成規(guī)模將達到百兆瓦時，每年能發(fā)出清潔電能7300萬度，相應減少二氧化碳排放5萬噸，滿足3.5萬居民用戶的用電需求。
當前，我國正加快推動新型儲能多元化高質量發(fā)展，在產(chǎn)業(yè)規(guī)模化增長的同時，新技術不斷涌現(xiàn)，技術路線“百花齊放”。截至2024年一季度末，全國已建成投運新型儲能項目累計裝機規(guī)模達到3530萬千瓦。其中，以鋰電池為代表的電化學儲能占比超過95%，處于絕對主導地位。然而，鋰離子電池原材料依賴進口、資源短缺，難以支撐我國新型儲能產(chǎn)業(yè)可持續(xù)快速發(fā)展，能與鋰電池儲能形成互補和有效替代的新材料需求迫切。
據(jù)了解，鈉離子電池與鋰離子電池具有相似的電化學機理，都是通過陽離子在正負極之間的可逆脫出和嵌入實現(xiàn)能量的存儲和釋放。兩種電池的負極都是碳材料，不同的是，鋰離子電池的正極材料含有鋰離子，而鈉離子電池的正極材料含有鈉離子。充電時，鈉離子從電池正極脫出，經(jīng)電解液和隔膜進入負極，正極電勢升高，負極電勢降低，把能量儲存到電池中;放電時，鈉離子運動方向與充電過程相反，正極電勢降低，負極電勢升高，把電池中的能量釋放到電力系統(tǒng)。
相對于鋰離子電池儲能，“親兄弟”鈉離子電池儲能原材料儲量豐富、易于提取、成本低廉，低溫條件下性能更好，在大規(guī)模儲能方面具有明顯優(yōu)勢?！扳c離子電池儲能進入規(guī)?；l(fā)展階段，成本造價可降低20%至30%，在充分改進電池結構和工藝、提高材料利用率和循環(huán)壽命的前提下，度電成本可下探至0.2元/千瓦時，是推動新型儲能經(jīng)濟應用的重要技術方向”，全國電力儲能標準化技術委員會副秘書長、南方電網(wǎng)戰(zhàn)略級技術專家陳滿表示。
從技術研究到工程應用
攻關成果實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化落地
盡管我國在鈉離子電池產(chǎn)品研發(fā)制造、標準制定以及市場推廣應用等方面的工作已經(jīng)全面展開，但把鈉離子電池技術運用于大容量儲能電站國際上還沒有先例。
2022年11月，廣西電網(wǎng)公司聯(lián)合南網(wǎng)儲能公司、中國科學院物理研究所、中科海鈉科技有限責任公司等多家單位組成的項目團隊，正式啟動了國家重點研發(fā)計劃項目子課題“百兆瓦時級鈉離子電池儲能系統(tǒng)集成技術及應用示范”研究攻關任務?！拔覀儑@高性能電芯規(guī)模制備、系統(tǒng)集成和安全防控等關鍵技術開展攻關，形成了具有自主知識產(chǎn)權的鈉離子電池制備及系統(tǒng)集成技術”，項目負責人、南方電網(wǎng)廣西電網(wǎng)公司創(chuàng)新部副主任高立克介紹。
高性能電芯是整套鈉離子電池儲能系統(tǒng)的基礎單元。經(jīng)過長達一年半的研究，項目團隊研制出了全球首款長壽命、寬溫區(qū)、高安全 210安時鈉離子儲能電池。“從性能看，我們這種鈉離子電池具有工作溫區(qū)寬、快充和倍率性好等優(yōu)點，12分鐘可以充電90%”，中國科學院物理研究所研究員胡勇勝介紹。
作為項目的主要技術參與方，南網(wǎng)儲能公司儲能科研院在鋰電池儲能的系統(tǒng)集成和安全防控等領域有著較為豐富的研究經(jīng)驗，承擔了國家重點研發(fā)計劃“鋰離子電池儲能系統(tǒng)全壽命周期應用安全技術”?！半m然鈉電和鋰電的反應原理相似，但要結合鈉電充放電特性研制出成套儲能系統(tǒng)，卻需要攻克很多新的難題”，南網(wǎng)儲能公司技術專家李勇琦感慨地說到。
以系統(tǒng)集成為例，項目團隊創(chuàng)新采用了基于鈉離子電池寬電壓的分散式儲能架構，整套系統(tǒng)一體集成了88個模塊化變流器，實現(xiàn)與電池簇的“一一對應”，而傳統(tǒng)鋰電分散式架構的儲能系統(tǒng)僅需集成40多個變流器即可。變流器數(shù)量成倍增長直接目的是提高容量可用率和能量轉換效率。這套鈉電池儲能系統(tǒng)的能量整體轉換效率超過92%，鋰電池一般低于90%，有望與鋰電池形成互補和有效替代，應用于大規(guī)模電化學儲能、電動汽車、工程機械等領域。
而在安全防控方面，團隊開發(fā)了液冷系統(tǒng)熱管理策略以及模組級熱阻隔、高效滅火等鈉離子電池儲能系統(tǒng)成套火災防控技術。整套系統(tǒng)的22000多個鈉電池單體的溫度差控制在3攝氏度以內。運用兼?zhèn)渖岷蜔崾Э刈韪舻牟ＡЮw維氣凝膠作為電芯間的熱阻隔材料后，可將電池單體熱失控蔓延時間由30分鐘延長至2小時，足足延長至4倍，大大提升了電池模塊的安全性。而團隊研發(fā)的液氮高效滅火、降溫、抗復燃技術，能夠在5秒內撲滅電池初期火災，做到24小時不復燃不爆炸?！爱斍颁囯姾外c電儲能技術之間的互促提升特征明顯，這套鈉離子電池儲能系統(tǒng)研究實用的液氮高效滅火、降溫、抗復燃技術由鋰離子電池儲能系統(tǒng)全壽命周期應用安全技術轉化應用，在鋰電、鈉電儲能系統(tǒng)同步首次工程應用”，李勇琦表示。
2024年1月28日，由中國工程院蔣劍春院士，中國科學院程時杰院士、張躍院士，歐盟科學院孫金華院士等專家組成的中國機械工業(yè)聯(lián)合會鑒定委員會對項目成果作出評審鑒定：該項目團隊研制的“十兆瓦時電力儲能電站用鈉離子電池儲能系統(tǒng)”整體技術處于國際領先水平。
從十兆瓦時到百兆瓦時
大規(guī)模發(fā)展前景廣闊
隨著關鍵技術的突破，鈉離子電池有望成為成本最低的電化學儲能技術，將加快推動我國新型儲能電站向集中式、大型化趨勢發(fā)展，促進新能源發(fā)電高比例消納，以新型儲能新質生產(chǎn)力發(fā)展助力新型電力系統(tǒng)和新型能源體系構建?！拔覀冄邪l(fā)的這個系統(tǒng)可以靈活地進行模塊化組合擴展，好比搭積木，積木越多，規(guī)模越大?！备吡⒖私榻B，該系統(tǒng)通過模塊化組合實現(xiàn)靈活擴展，可以達到百兆瓦時級以上規(guī)模。
未來，鈉離子電池突破方向主要在能量密度、循環(huán)壽命方面，進而實現(xiàn)度電成本的持續(xù)降低。隨著電站運行數(shù)據(jù)積累和分析，項目在系統(tǒng)集成技術方面還可以持續(xù)優(yōu)化，進一步降低儲能系統(tǒng)投資成本，有利于鈉電池儲能的規(guī)?；瘧?。(黃昉 陳欽榮)
