梅 簡(jiǎn)1，張 杰1，劉雙宇2，裘呂超1
（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014；2.全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司，北京 102209）
本文引文信息：梅簡(jiǎn),張杰,劉雙宇,裘呂超.電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].浙江電力,2020,39(03):75-81.
0 引言
受全球新能源發(fā)電、電動(dòng)汽車(chē)及新興儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的大力推動(dòng)，多類(lèi)型儲(chǔ)能技術(shù)于近年來(lái)取得長(zhǎng)足進(jìn)步。除了早已商業(yè)化應(yīng)用的抽水蓄能及洞穴式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)，以鋰離子電池為首的電池儲(chǔ)能技術(shù)在源網(wǎng)荷側(cè)已初具商業(yè)應(yīng)用潛力[1-2]。
電池儲(chǔ)能技術(shù)利用電能和化學(xué)能之間的轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和輸出，不僅具有快速響應(yīng)和雙向調(diào)節(jié)的技術(shù)特點(diǎn)，還具有環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、小型分散配置且建設(shè)周期短的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，顛覆了源網(wǎng)荷的傳統(tǒng)概念，打破了電力發(fā)輸配用各環(huán)節(jié)同時(shí)完成的固有屬性，可在電力系統(tǒng)電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)承擔(dān)不同的角色，發(fā)揮不同的作用[3-4]。截至2018 年底，全球電池儲(chǔ)能技術(shù)裝機(jī)規(guī)模6 058.9 MW，其中，中國(guó)裝機(jī)規(guī)模1 033.7 MW，美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)排名前三位。
本文結(jié)合產(chǎn)業(yè)發(fā)展實(shí)際，剖析主要電池儲(chǔ)能技術(shù)水平、市場(chǎng)應(yīng)用、問(wèn)題與挑戰(zhàn)以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，為電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展提供多維度視角及基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
1 典型電池儲(chǔ)能技術(shù)
電池儲(chǔ)能技術(shù)主要包括鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池、鈉基電池和其它類(lèi)型電池儲(chǔ)能技術(shù)，細(xì)分技術(shù)如圖1 所示。
圖1 已商用或示范電池儲(chǔ)能技術(shù)分類(lèi)
1.1 鉛蓄電池
應(yīng)用于儲(chǔ)能工程的鉛蓄電池包括鉛酸電池和鉛炭電池。鉛炭電池是在傳統(tǒng)鉛酸電池基礎(chǔ)上對(duì)負(fù)極材料進(jìn)行了電容式改進(jìn)[5]，結(jié)合了鉛酸電池和超級(jí)電容器兩者的優(yōu)勢(shì)，由于加了碳材料，阻止了負(fù)極硫酸鹽化現(xiàn)象，顯著提升了電池的循環(huán)壽命。從鉛酸電池的500～1 000 次（60%～70%DOD，DOD 為放電深度）增加到鉛炭電池的3 700～4 200次（60%～70%DOD），儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本1 000～1 300 元/kWh，度電成本為0.5～0.7 元/kWh。近年來(lái)，鉛蓄電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用多數(shù)以度電成本更低的鉛炭電池為主，尤其是針對(duì)工商業(yè)峰谷電價(jià)差較高的江蘇、廣東、北京等地已初步具備商業(yè)化應(yīng)用的條件。
1.2 鋰離子電池
應(yīng)用于儲(chǔ)能工程的鋰離子電池種類(lèi)繁多，包括2011—2015 年投運(yùn)較多的聚合物鋰電池、錳酸鋰電池、以及鈦酸鋰電池，以及近年來(lái)發(fā)展迅猛的磷酸鐵電池、三元鋰電池和梯次利用鋰電池。從一次性投資成本、循環(huán)壽命、安全性角度來(lái)說(shuō)，磷酸鐵鋰無(wú)疑是儲(chǔ)能領(lǐng)域綜合特性最為優(yōu)異的鋰離子電池儲(chǔ)能體系，廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)發(fā)輸配用的各個(gè)環(huán)節(jié)[6]。磷酸鐵鋰電池具有穩(wěn)定性高、循環(huán)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，是國(guó)內(nèi)電力儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱門(mén)及應(yīng)用最多的鋰離子電池技術(shù)，儲(chǔ)能用磷酸鐵鋰電池能量密度120～150 Wh/kg，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率85%～88%，小倍率充放電循環(huán)壽命3 500～5 000 次，儲(chǔ)能系統(tǒng)投資成本1 600～2 000元/kWh，度電成本0.7～1.0 元/kWh。近年來(lái)，受磷酸鐵鋰成本下降及綜合性能提升的影響，該技術(shù)被廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)發(fā)輸配用各個(gè)環(huán)節(jié)。
1.3 鈉基電池
應(yīng)用于儲(chǔ)能工程的鈉基電池包括高溫鈉硫電池、鈉鎳電池以及室溫水系鈉離子電池。鈉硫電池是鈉基電池的典型代表，是高溫運(yùn)行儲(chǔ)能體系中發(fā)展最成熟的儲(chǔ)能技術(shù)（350～400 ℃）。以日本NGK 為首的產(chǎn)業(yè)公司于2015 年之前在日本、美國(guó)、阿聯(lián)酋、德國(guó)、意大利、法國(guó)等國(guó)家實(shí)施建設(shè)了超過(guò)430 MW 的儲(chǔ)能項(xiàng)目。2011 年9 月設(shè)置于日本茨城縣三菱材料筑波制作所內(nèi)的鈉硫電池（NGK 產(chǎn)品）起火引發(fā)火災(zāi)，歷時(shí)2 周之久。而且鈉硫電池固態(tài)陶瓷電解質(zhì)核心技術(shù)門(mén)檻過(guò)高，核心知識(shí)產(chǎn)權(quán)主要掌握在日本NGK 等少數(shù)企業(yè)當(dāng)中，知識(shí)產(chǎn)權(quán)封鎖嚴(yán)重，產(chǎn)業(yè)推動(dòng)緩慢，市場(chǎng)應(yīng)用于近年來(lái)停滯不前。鈉鎳電池是相對(duì)溫和的高溫電池體系，采用氯化鎳替代了正極硫，GE Energy Storage[7]和FIAMM Energy Storage Solutions等產(chǎn)業(yè)公司于2011—2014 年在美國(guó)、意大利等國(guó)家實(shí)施建設(shè)了共計(jì)約19 MW 的儲(chǔ)能項(xiàng)目。水系鈉離子電池是以水溶液為電解液的室溫電池儲(chǔ)能體系，美國(guó)Aquion Energy 公司于2013 年開(kāi)始將其產(chǎn)品逐步推廣至小容量分布式及微網(wǎng)儲(chǔ)能市場(chǎng)，2017 年中國(guó)泰坦能源科技集團(tuán)收購(gòu)了Aquion Energy 公司，業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)向中國(guó)。近年來(lái)，受全球新興儲(chǔ)能市場(chǎng)的帶動(dòng)，高安全、潛在低成本、環(huán)境友好型水基儲(chǔ)能體系備受關(guān)注，中國(guó)泰坦能源科技集團(tuán)、中國(guó)恩力能源科技有限公司的水系離子電池儲(chǔ)能產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)[8]，中科院物理所、中聚電池有限公司的三元鈉離子電池已進(jìn)入電池模塊攻堅(jiān)階段，寧德時(shí)代新能源科技有限公司、瑞海泊（青島）能源科技有限公司等產(chǎn)業(yè)公司正在積極布局水系電池（水系鈉離子電池、水系鋅鋰電池[9]）。
1.4 梯次利用鋰電池
梯次利用鋰電池主要指大批量電動(dòng)汽車(chē)動(dòng)力鋰電池服役至初始容量80%后退役的鋰離子電池，退役后通過(guò)分選、重組、集成，在部分儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域具備再利用價(jià)值。
目前，我國(guó)梯次利用鋰電池仍以磷酸鐵鋰電池為主，后續(xù)隨著高能量密度三元鋰電池的大規(guī)模應(yīng)用，三元鋰電池也將逐步進(jìn)入梯次利用市場(chǎng)。考慮到80%容量之后退役鋰電池的狀態(tài)參數(shù)離散度較大且具有極大不可預(yù)測(cè)性，梯次利用鋰電池的集成設(shè)計(jì)難度較大，其應(yīng)用多以小型分散式應(yīng)用場(chǎng)景為主，如通信基站備用電源、終端削峰填谷、小型光伏配置儲(chǔ)能等。
1.5 其它類(lèi)型電池
除上述電池儲(chǔ)能技術(shù)，還包括超級(jí)電容器、鎳基電池以及鋅空氣電池。超級(jí)電容器屬功率型儲(chǔ)能技術(shù)，在調(diào)頻兼容量型儲(chǔ)能需求主導(dǎo)的應(yīng)用場(chǎng)景中，超級(jí)電容器較低的能量密度及較短的充放電時(shí)間限制了其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用[10]。鋅空氣電池是現(xiàn)階段唯一一類(lèi)應(yīng)用于儲(chǔ)能工程的空氣電池儲(chǔ)能技術(shù)[11]，典型產(chǎn)業(yè)公司如EOS Energy Storage 和Fluidic Energy。鋅空氣電池基本以大于2 h率的能量型產(chǎn)品為主。據(jù)報(bào)道，1 MWh 儲(chǔ)能系統(tǒng)成本約200 $/kWh（約合1371 元/kWh），與鉛炭電池儲(chǔ)能系統(tǒng)相當(dāng)。目前來(lái)看，鋅空氣電池的缺點(diǎn)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)于復(fù)雜，產(chǎn)品生產(chǎn)自動(dòng)化程度較低，系統(tǒng)效率仍然偏低（低于75%）。
2 電池儲(chǔ)能技術(shù)特性
在電池儲(chǔ)能技術(shù)特性方面，受產(chǎn)業(yè)規(guī)模、系統(tǒng)成本、能量及功率特性、服役特性、可回收性等綜合影響，目前鋰離子電池（磷酸鐵鋰和三元鋰電池）優(yōu)勢(shì)突出，鉛炭電池[12]、全釩液流電池及梯次利用鋰電池特定場(chǎng)景下具備競(jìng)爭(zhēng)力[13]。鉛酸電池服役壽命過(guò)短、鈦酸鋰電池一次性投資成本過(guò)高、鈉硫電池安全問(wèn)題突出且技術(shù)進(jìn)步緩慢、超級(jí)電容器能量成本過(guò)高，后幾類(lèi)技術(shù)現(xiàn)階段市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力不足。
（1）產(chǎn)業(yè)規(guī)模決定了儲(chǔ)能綜合技術(shù)參數(shù)提升速度。
產(chǎn)業(yè)規(guī)模方面，從大到小依次為：鋰離子電池、鉛炭電池、全釩液流電池。消費(fèi)類(lèi)、交通類(lèi)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)體量能夠很好支撐鋰離子電池儲(chǔ)能市場(chǎng)的發(fā)展，近年來(lái)磷酸鐵鋰及三元鋰電池的快速進(jìn)步正是得益于此；與之相比，曾經(jīng)發(fā)展勢(shì)頭良好的高溫鈉硫電池因技術(shù)門(mén)檻較高、儲(chǔ)能企業(yè)參與度不夠?qū)е录夹g(shù)進(jìn)步緩慢，已逐步淡出儲(chǔ)能市場(chǎng)。
如圖2 所示，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)供應(yīng)商數(shù)量遙遙領(lǐng)先于其它電池儲(chǔ)能技術(shù)，高達(dá)110 家，考慮到每個(gè)儲(chǔ)能工程項(xiàng)目還涉及儲(chǔ)能電池、電源管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器、消防裝備、監(jiān)控裝備等核心裝備，全套供應(yīng)商體系極其龐大。而且，伴隨著儲(chǔ)能市場(chǎng)的逐步釋放，將會(huì)有更大體量的產(chǎn)業(yè)公司參與其中。鋰離子電池之后，緊隨的是鉛蓄電池（43 家）和液流電池（25 家）。
圖2 電池儲(chǔ)能項(xiàng)目各類(lèi)技術(shù)供應(yīng)商數(shù)量
（2）系統(tǒng)成本關(guān)乎項(xiàng)目投資回報(bào)期及其利潤(rùn)空間。
儲(chǔ)能系統(tǒng)成本有2 個(gè)核心參數(shù)，即一次性投資成本和全壽命周期度電成本。在具有特定收益模式的應(yīng)用場(chǎng)景下，一次性投資成本越低，投資回報(bào)期越短，全壽命周期度電成本越低，利潤(rùn)空間越大。
一次性投資成本指初始設(shè)備總投資，對(duì)于電池儲(chǔ)能系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，包含儲(chǔ)能變流器、電源管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能電池、消防裝備、監(jiān)控系統(tǒng)等。除鉛酸電池之外，鉛炭電池一次性投資成本1 000～1 300元/kWh，為各類(lèi)技術(shù)最低。磷酸鐵鋰和三元鋰電池受電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的推動(dòng)，成本下降速度極快。磷酸鐵鋰一次性投資成本1 600～2 000 元/kWh，多數(shù)供應(yīng)商出廠成本約1 800 元/kWh，見(jiàn)圖3。
圖3 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)一次性投資成本
不考慮運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本的前提下，全壽命周期度電成本=全壽命周期內(nèi)設(shè)備總投資/全壽命周期內(nèi)可存儲(chǔ)電量=[PCS+BMS+電池成本+其它-電池殘值]/電池額定容量/DOD/循環(huán)次數(shù)/儲(chǔ)能逆變器效率/電池充放電效率[14-15]。基于各類(lèi)電池儲(chǔ)能技術(shù)的循環(huán)壽命（見(jiàn)圖4）及能量轉(zhuǎn)換效率，可計(jì)算獲得電池儲(chǔ)能技術(shù)的全壽命周期度電成本（見(jiàn)圖5），國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中應(yīng)用較多的鉛炭電池、磷酸鐵鋰、三元鋰電池和全釩液流電池四類(lèi)儲(chǔ)能技術(shù)中，鉛炭電池全壽命周期度電成本最低，在0.5～0.7 元/kWh。磷酸鐵鋰度電成本0.6～0.8 元/kWh，三元鋰電池1.0～1.5 元/kWh，全釩液流電池受釩價(jià)格影響，2018 年成本略有增長(zhǎng)。
（3）能量及功率特性決定占地空間及其適用場(chǎng)景。
能量密度方面，從大到小依次為：三元鋰電池（180～240 Wh/kg）、磷酸鐵鋰電池（120～150 Wh/kg）、鉛炭電池（25～50 Wh/kg）、全釩液流電池（7～15 Wh/kg），在對(duì)占地空間要求較高的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能（一般占用變電站空間）、用戶側(cè)儲(chǔ)能，除了針對(duì)應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的儲(chǔ)能技術(shù)，能量密度對(duì)標(biāo)占地空間也至關(guān)重要?；跇I(yè)內(nèi)共識(shí)，40 尺集裝箱作為標(biāo)準(zhǔn)，三元鋰電池系統(tǒng)能量最高可達(dá)4 MWh，磷酸鐵鋰在2～3 MWh，鉛炭電池在1.0～1.5 MWh，個(gè)別企業(yè)也可以做到約2 MWh。
圖4 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)循環(huán)壽命
圖5 電池儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期度電成本
功率特性方面，電化學(xué)儲(chǔ)能啟動(dòng)及響應(yīng)速度都在ms～s 級(jí)，但由于功率密度的不同，鉛炭電池一般適用于3 h 率及以上（放電時(shí)長(zhǎng)3 h 及以上）的應(yīng)用場(chǎng)景，主要應(yīng)用于工商業(yè)削峰填谷、備用電源等領(lǐng)域。全釩液流電池一般適用于2.5 h 率及以上的應(yīng)用場(chǎng)景，主要應(yīng)用于集中式可再生能源并網(wǎng)、大規(guī)模調(diào)峰。鋰離子電池應(yīng)用跨度較大，覆蓋電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)，尤其在電源側(cè)調(diào)頻、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能等領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)顯著。
（4）服役特性決定儲(chǔ)能系統(tǒng)安全性及其運(yùn)維難易。
儲(chǔ)能技術(shù)服役安全性方面，鋰離子電池采用有機(jī)易燃燒電解液、電池單體一致性較差、熱失控引起的電站安全問(wèn)題需要引起重視，運(yùn)維難度相對(duì)較大。鉛炭電池、全釩液流電池屬水性電池范疇，安全性相對(duì)較好。
（5）可回收性決定其環(huán)境影響并需要納入成本評(píng)估。
鉛蓄電池回收體系最為完善，鉛回收價(jià)值高，一般占電池投資成本的20%。鋰離子電池因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，可回收性較差，現(xiàn)階段應(yīng)用廣泛的磷酸鐵鋰電池幾乎不包含昂貴金屬，回收價(jià)值基本處于負(fù)值。其它類(lèi)型電池儲(chǔ)能技術(shù)因應(yīng)用規(guī)模較小，尚不存在回收需求。
3 電池儲(chǔ)能技術(shù)市場(chǎng)
截至2019 年6 月底，全球電池儲(chǔ)能裝機(jī)7 427.5 MW，占全球儲(chǔ)能市場(chǎng)的4.1%。中國(guó)電池儲(chǔ)能裝機(jī)1 160.8 MW。其中，鋰離子電池裝機(jī)872.0 MW，占比75.1%；鉛蓄電池264.2 MW；液流電池19.5 MW；其它電池5.1 MW。
鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池、鈉基電池等大類(lèi)技術(shù)的細(xì)分技術(shù)工程項(xiàng)目小時(shí)率分析結(jié)果見(jiàn)圖6。
圖6 近3 年投運(yùn)電池儲(chǔ)能項(xiàng)目不同技術(shù)類(lèi)型小時(shí)率
其中，鉛蓄電池以能量型應(yīng)用為主，尤其是4～8 h 小時(shí)率的工程項(xiàng)目較多，僅有2 個(gè)項(xiàng)目小時(shí)率低于2 h。液流電池和鈉基電池都以能量型應(yīng)用為主，液流電池儲(chǔ)能項(xiàng)目小時(shí)率都在4 h 以上。鋰離子電池儲(chǔ)能體系既有能量型應(yīng)用又有功率型應(yīng)用，磷酸鐵鋰、三元鋰電池儲(chǔ)能體系工程應(yīng)用覆蓋面較廣，鈦酸鋰電池基本以0.5 h 小時(shí)率及以下的功率型應(yīng)用為主。
近3 年間，電池儲(chǔ)能項(xiàng)目累積增長(zhǎng)迅速。對(duì)大類(lèi)儲(chǔ)能技術(shù)近3 年投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)圖7。液流電池、鈉基電池以及其它類(lèi)型電池技術(shù)增長(zhǎng)緩慢，尤其是裝機(jī)體量較大的鈉硫電池鮮有增長(zhǎng)。鉛蓄電池和鋰離子電池增長(zhǎng)較快，尤其是鋰離子電池，2016，2017 及2018年環(huán)比增長(zhǎng)率分別為87%，79.2%和77.5%。
圖7 近3 年投運(yùn)電池儲(chǔ)能項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模累計(jì)增長(zhǎng)
4 問(wèn)題與挑戰(zhàn)
4.1 技術(shù)經(jīng)濟(jì)性制約
除抽水蓄能外，其它類(lèi)型儲(chǔ)能技術(shù)成本仍然較為昂貴。非抽水蓄能技術(shù)成本較高是制約儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵因素。當(dāng)前抽水蓄能電站投資功率成本為1 600～2 100 元/kW，度電成本約0.25 元/kWh。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)中經(jīng)濟(jì)性較好的是鉛碳電池和磷酸鐵鋰電池，度電成本分別為0.5～0.7 元/kWh 和0.6～0.8 元/kWh。未來(lái)低成本長(zhǎng)壽命儲(chǔ)能專(zhuān)用電池將是技術(shù)研發(fā)和市場(chǎng)應(yīng)用主流。
4.2 技術(shù)性能局限性
不同類(lèi)型儲(chǔ)能技術(shù)的特征參數(shù)性能存在短板效應(yīng)。抽水蓄能選址受限、建設(shè)周期長(zhǎng)、啟動(dòng)及響應(yīng)速度慢、能量轉(zhuǎn)換效率較低；電化學(xué)儲(chǔ)能功率等級(jí)較低、持續(xù)放電時(shí)間短、服役年限尚短，且部分技術(shù)存在環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)；傳統(tǒng)洞穴式壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)化石燃料依賴(lài)度高且對(duì)儲(chǔ)氣洞穴有較高要求，新型壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)效率低（一般50%），使用壽命短，高壓密封對(duì)裝備質(zhì)量要求高，運(yùn)維成本高；飛輪儲(chǔ)能放電時(shí)間短，只可持續(xù)幾秒至分鐘級(jí)，具有一定自放電現(xiàn)象，高速旋轉(zhuǎn)軸承嚴(yán)重依賴(lài)進(jìn)口，“快速-慢速”的調(diào)頻切換模式將導(dǎo)致電機(jī)系統(tǒng)發(fā)熱嚴(yán)重，存在安全隱患。氫儲(chǔ)能及其它新型儲(chǔ)能技術(shù)尚處于起步階段。
4.3 場(chǎng)景適應(yīng)性局限
儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景多樣，針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景的本體技術(shù)開(kāi)發(fā)布局較少。不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)要求不同，各類(lèi)儲(chǔ)能技術(shù)性能短板決定其應(yīng)用局限性。抽水蓄能主要適用于跨區(qū)域的大電網(wǎng)調(diào)峰、長(zhǎng)時(shí)調(diào)頻；雖然電化學(xué)儲(chǔ)能在近年來(lái)綜合特性指標(biāo)提升很大，但循環(huán)壽命、功率等級(jí)等技術(shù)指標(biāo)表現(xiàn)仍與電力系統(tǒng)元件長(zhǎng)壽命、大容量的要求存在差異，受度電成本和功率成本限制，尚不夠使其在適用場(chǎng)景中得到大規(guī)模應(yīng)用。同時(shí)，針對(duì)特定場(chǎng)景的本體技術(shù)定制化設(shè)計(jì)考慮較少，現(xiàn)階段仍是動(dòng)力電池的移植應(yīng)用，針對(duì)不同應(yīng)用領(lǐng)域的功率型和能量型產(chǎn)品都需定制開(kāi)發(fā)，以保證應(yīng)用效益最大化。
4.4 本體安全性制約
鋰離子電池?zé)崾Э匕踩L(fēng)險(xiǎn)較為突出，其它類(lèi)型電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)也存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)。電化學(xué)儲(chǔ)能電池管理不當(dāng)存在火災(zāi)或爆炸風(fēng)險(xiǎn)。鋰離子電池、鈉硫電池等儲(chǔ)能電站都發(fā)生過(guò)較為嚴(yán)重的起火爆炸事故，嚴(yán)重影響政府、產(chǎn)業(yè)界及民眾對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的信任度，極大制約儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展。本體技術(shù)內(nèi)部安全可控和系統(tǒng)級(jí)別安全管理是解決電化學(xué)儲(chǔ)能電站安全問(wèn)題的主要方向。
4.5 環(huán)境負(fù)荷性挑戰(zhàn)
電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)包含一定有毒有害物質(zhì)、高成本元素，有毒有害物質(zhì)的管控及高成本元素的回收具有挑戰(zhàn)性。電化學(xué)儲(chǔ)能電池有害物質(zhì)可能會(huì)通過(guò)燃燒、泄漏等方式在運(yùn)行過(guò)程中對(duì)環(huán)境造成污染。同時(shí)，退役儲(chǔ)能電池若處置不當(dāng)會(huì)對(duì)環(huán)境造成威脅。此外，含有高附加值元素的退役儲(chǔ)能電池回收對(duì)資源的循環(huán)利用也至關(guān)重要。但由于電池結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜，回收效率低、產(chǎn)線設(shè)計(jì)困難、回收經(jīng)濟(jì)性較差等問(wèn)題將制約未來(lái)儲(chǔ)能電池回收產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
5 結(jié)語(yǔ)
中國(guó)電池儲(chǔ)能技術(shù)短期內(nèi)預(yù)計(jì)將以磷酸鐵鋰電池、鉛炭電池和全釩液流電池為主。磷酸鐵鋰電池主要應(yīng)用于電源側(cè)調(diào)頻、電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能、“風(fēng)電+儲(chǔ)能”等領(lǐng)域，并逐步向其它應(yīng)用領(lǐng)域拓展，隨著儲(chǔ)能成本的降低、多重應(yīng)用價(jià)值的陸續(xù)體現(xiàn)，磷酸鐵鋰電池儲(chǔ)能市場(chǎng)空間將會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大；鉛炭電池將在工商業(yè)削峰填谷、“光伏+儲(chǔ)能”等領(lǐng)域擴(kuò)大應(yīng)用，并將持續(xù)提升服役壽命，降低度電成本；全釩液流電池儲(chǔ)能示范工程規(guī)劃斷斷續(xù)續(xù)，受原材料價(jià)格影響，大型全釩液流電池儲(chǔ)能電站工程建設(shè)推進(jìn)速度很慢，極有可能因此錯(cuò)過(guò)關(guān)鍵成長(zhǎng)及發(fā)展期；電動(dòng)汽車(chē)退役鋰電池預(yù)計(jì)將在2020 年之后進(jìn)入爆發(fā)期，梯次利用鋰電池的市場(chǎng)定位一直模糊不清，電站規(guī)模、應(yīng)用場(chǎng)景、運(yùn)行安全等方面都亟待研究，尚有大量工作待解決。
未來(lái)，電池儲(chǔ)能產(chǎn)品將朝著大容量、大型化、定制化、安全性、易回收、適應(yīng)性、數(shù)字化方向發(fā)展。
（1）大容量。在同等規(guī)模下，儲(chǔ)能器件大容量可以減少單體電池使用數(shù)量，降低單體電池一致均衡的難度，從而降低電池發(fā)生熱失控乃至起火的概率。
（2）大型化。電力發(fā)電側(cè)和電網(wǎng)側(cè)單個(gè)儲(chǔ)能電站規(guī)模過(guò)小對(duì)電力系統(tǒng)作用微乎其微。目前，電力系統(tǒng)內(nèi)大量分散式小型儲(chǔ)能電站（單個(gè)電站規(guī)模多數(shù)在30 MW 以?xún)?nèi)）投運(yùn)的主要意義是驗(yàn)證儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、可靠性、電網(wǎng)適應(yīng)性等。未來(lái)，配置靈活的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)若想在電力系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用并逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，大型化是必經(jīng)之路。自2016 年開(kāi)始，全球電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目大型化趨勢(shì)愈加明顯，截至目前，已投運(yùn)5 座單個(gè)大于50 MW 的儲(chǔ)能電站，分別分布在德國(guó)、日本、澳大利亞和中國(guó)，其中澳大利亞有2 座規(guī)模達(dá)100 MW。在建及規(guī)劃中的儲(chǔ)能項(xiàng)目，超過(guò)100 MW 的儲(chǔ)能電站共21 座，其中美國(guó)4 座、日本1 座、韓國(guó)2 座、英國(guó)1 座、德國(guó)3 座、澳大利亞6 座、中國(guó)3 座、愛(ài)爾蘭1 座。隨著電化學(xué)儲(chǔ)能在實(shí)踐中逐漸證明其經(jīng)濟(jì)性和可靠性，未來(lái)將會(huì)建設(shè)更多更大規(guī)模的電化學(xué)儲(chǔ)能電站，在源網(wǎng)荷側(cè)發(fā)揮更大的作用。
（3）定制化。以綜合特性?xún)?yōu)異的鋰離子電池為主的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)定制化需求將日益增加。2017—2018 年儲(chǔ)能電站運(yùn)行表現(xiàn)來(lái)看，動(dòng)力鋰電池顯然無(wú)法滿足電力儲(chǔ)能應(yīng)用要求，需針對(duì)不同應(yīng)用場(chǎng)景定制開(kāi)發(fā)不同小時(shí)率的儲(chǔ)能產(chǎn)品。按照中國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)現(xiàn)狀，需定制開(kāi)發(fā)大于等于2C 倍率運(yùn)行的電源側(cè)調(diào)頻儲(chǔ)能產(chǎn)品、2C～0.25C 的電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能產(chǎn)品、小于等于0.25C 的用戶側(cè)儲(chǔ)能產(chǎn)品以及寬倍率運(yùn)行要求的新能源+儲(chǔ)能混合型產(chǎn)品。而且，伴隨著配用側(cè)電力市場(chǎng)化的逐步深入，電力價(jià)格波動(dòng)會(huì)愈加頻繁，跟蹤峰谷波動(dòng)調(diào)節(jié)出力的儲(chǔ)能產(chǎn)品將逐步成為市場(chǎng)主流。
（4）安全性。標(biāo)準(zhǔn)化儲(chǔ)能集裝箱是未來(lái)電化學(xué)儲(chǔ)能電站的主要應(yīng)用形式，集裝箱內(nèi)部電池一般需經(jīng)過(guò)3 個(gè)層次的堆疊，分別是模塊、pack 和電池簇，電池在時(shí)間和空間尺度上的運(yùn)行差異會(huì)越來(lái)越明顯，從電池本體角度加強(qiáng)電池安全研究，避免電池?zé)崾Э卦斐善鸹鸺氨ㄊ鹿?，意義重大。另外，其它核心器件的本體安全（電源管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器等）及相互之間的電氣安全也至關(guān)重要。需要從集裝箱內(nèi)部熱管理、熱失控隔離、電池單體篩選、電源管理系統(tǒng)主動(dòng)均衡、高效消防策略及裝備等角度多維度全方位提升集裝箱式儲(chǔ)能電站的安全性。
（5）易回收。隨著儲(chǔ)能電站規(guī)模的日益增加，退役后儲(chǔ)能電池的回收難題日益凸顯?，F(xiàn)有電池，尤其是鋰離子電池，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜，自動(dòng)化回收生產(chǎn)線設(shè)計(jì)難度大，回收收益不具備吸引力。從電池本體設(shè)計(jì)出發(fā)，研制易回收的儲(chǔ)能電池體系將是未來(lái)重要方向。
（6）適應(yīng)性。適應(yīng)性主要指電網(wǎng)適應(yīng)性和環(huán)境適應(yīng)性。電網(wǎng)適應(yīng)性方面，需要通過(guò)儲(chǔ)能變流系統(tǒng)的快速控制，使儲(chǔ)能電站對(duì)外呈現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機(jī)特性，從而實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能的友好接入；同時(shí)，系統(tǒng)具備高/低電壓穿越、高/低頻穿越及弱網(wǎng)適應(yīng)等功能，要具備電網(wǎng)多種異常工況下不脫網(wǎng)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行持續(xù)支撐的能力。環(huán)境適應(yīng)性方面，噪音和污染是儲(chǔ)能電站可能存在的會(huì)對(duì)環(huán)境造成負(fù)面影響的2 個(gè)方面，建設(shè)在居民區(qū)附近的儲(chǔ)能電站需做好降噪音方案。電站設(shè)計(jì)上還要考慮起火以及泄露對(duì)環(huán)境的可能污染。
（7）數(shù)字化。儲(chǔ)能產(chǎn)品全生命周期數(shù)字化信息既可以向上為電網(wǎng)調(diào)度及監(jiān)控提供重要支撐，也可以向下為核心部件的狀態(tài)診斷、性能提升提供數(shù)據(jù)參考，需逐步建立數(shù)字化信息傳輸、獲取及共享制度化。
參考文獻(xiàn)：（略）
DOI:10.19585/j.zjdl.202003012
