隨著新能源產(chǎn)業(yè)的逐漸展開，同屬于電化學(xué)儲(chǔ)能方式的三種電池系統(tǒng)脫穎而出。由于它們更適合可再生能源發(fā)電、分布式電源、智能小區(qū)等智能電網(wǎng)的新要求，前景被包括國(guó)家電網(wǎng)公司在內(nèi)的國(guó)內(nèi)和國(guó)外很多人所看好。它們是鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池。
“我們關(guān)注的電池技術(shù)主要包括用于大規(guī)模風(fēng)電、太陽能發(fā)電的兆瓦級(jí)以上電池，如液流電池和鈉硫電池，和易調(diào)整容量大小、適用于各種范圍應(yīng)用的電池，包括鋰電池、鎳氫電池、鉛酸電池等。我們認(rèn)為最值得關(guān)注的是鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池。其中，鋰離子電池由于應(yīng)用范圍廣、市場(chǎng)空間更大，人們更關(guān)注，投入的力量也更大，發(fā)展速度很快。另兩種電池由于只適合大規(guī)模應(yīng)用，研發(fā)投入力量較小，所以發(fā)展速度不如鋰離子電池快。”中國(guó)電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所副所長(zhǎng)、超導(dǎo)研究所所長(zhǎng)來小康介紹說，“隨著人們對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)在科研、資金方面投入的大幅提升，其自身的進(jìn)步也讓人們看到了希望，使靠?jī)?chǔ)能解決可再生能源并網(wǎng)等問題的夢(mèng)想變得有實(shí)現(xiàn)可能。”
這一夢(mèng)想已經(jīng)在實(shí)現(xiàn)過程中。2009年9月，國(guó)家電網(wǎng)公司旗下的新源控股有限公司與河北張家口正式簽訂協(xié)議，將在張北、尚義兩縣風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)國(guó)內(nèi)首個(gè)風(fēng)光儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，總投資80億元以上，其中包括建設(shè)化學(xué)儲(chǔ)能7.5萬kW。項(xiàng)目的一期工程已經(jīng)獲得河北省發(fā)改委的核準(zhǔn)，儲(chǔ)能為2萬kW，根據(jù)規(guī)劃，該環(huán)節(jié)所應(yīng)用的鋰電系統(tǒng)在未來的一兩個(gè)月內(nèi)將投產(chǎn)。
這對(duì)于三種電池在智能電網(wǎng)中的實(shí)際應(yīng)用而言只是第一步。真正實(shí)現(xiàn)電池的大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用還需要一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，來小康認(rèn)為，至少需要5~10年。
鈉硫電池
定義
鈉硫電池是一種以金屬鈉為負(fù)極、硫?yàn)檎龢O、陶瓷管為電解質(zhì)隔膜的二次電池。在一定的工作溫度下，鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生可逆反應(yīng)，形成能量的釋放和儲(chǔ)存。電池通常是由正極、負(fù)極、電解質(zhì)、隔膜和外殼等幾部分組成。
特點(diǎn)
◆ 比能量高——即電池單位質(zhì)量或單位體積所具有的有效電能量高，可達(dá)到鉛酸電池的3~4倍
◆ 可大電流、高功率放電
◆ 充放電效率高
由于采用固體電解質(zhì)，所以沒有采用液體電解質(zhì)電池的那種自放電及副反應(yīng)，充放電電流效率幾乎100％。
目前看來，在全球，鈉硫電池是最成熟、商業(yè)化時(shí)間最長(zhǎng)和規(guī)模最大的電池，但只有日本NGK公司能夠大規(guī)模生產(chǎn)，現(xiàn)在已經(jīng)有超過300 MW的實(shí)際應(yīng)用。
鈉硫電池是美國(guó)福特公司于1967年首先發(fā)明公布的，已在世界上許多國(guó)家受到極大的重視和發(fā)展。其首先在不少國(guó)家被用作電動(dòng)汽車用的動(dòng)力電池，也曾取得了不少令人鼓舞的成果，但由于其在使用可提供的空間、電池本身的安全等方面均有一定的局限性。所以在20世紀(jì)80年代末和90年代初開始，國(guó)外重點(diǎn)發(fā)展鈉硫電池作為固定場(chǎng)合下（如電站儲(chǔ)能）應(yīng)用，并越來越顯示出優(yōu)越性。日本東京電力公司和NGK公司合作開發(fā)鈉硫電池作為儲(chǔ)能電池，用于電力的削峰填谷、UPS應(yīng)急電源及瞬間補(bǔ)償電源等，并于2002年開始進(jìn)入商品化實(shí)施階段，同時(shí)開始向海外輸出。
在我國(guó)，中科院上海硅酸鹽所在國(guó)家“863”、中國(guó)科學(xué)院重大項(xiàng)目的支持下，研制成功了基于30 Ah單體電池的6 kW車載鈉硫儲(chǔ)能電池，并于2009年研制成功650 Ah大容量單體電池，實(shí)現(xiàn)了從單體電池到電池模塊的跨越；建成年產(chǎn)2 MW鈉硫電池中試線，實(shí)現(xiàn)了鈉硫電池制備關(guān)鍵裝備國(guó)產(chǎn)化；其還與上海電力公司在2007年共建了上海鈉硫電池研制基地，從事大容量城網(wǎng)儲(chǔ)能電池模塊、電網(wǎng)接入系統(tǒng)和儲(chǔ)能系統(tǒng)的研制。
鈉硫電池由于具有非常優(yōu)異的蓄能功能，即使輸入的電流突然超過額定功率5~10倍也能泰然承受，被認(rèn)為適合應(yīng)用于風(fēng)電、太陽能發(fā)電等可再生能源發(fā)電領(lǐng)域；其還被認(rèn)為適合用于“削峰填谷”。有媒體算了這樣一筆賬，2008年，上海最高用電負(fù)荷持續(xù)小時(shí)數(shù)只有104.5 h，而為滿足這短暫的高峰負(fù)荷，卻需要投資200億元。由此測(cè)算1 kW的儲(chǔ)能電池可節(jié)省電網(wǎng)投資1.3萬元。預(yù)計(jì)到2015年，上海電網(wǎng)峰谷差可達(dá)16000 MW，即使只將20％的“谷電”存儲(chǔ)起來，用于高峰時(shí)段，其經(jīng)濟(jì)效益就超過70億元——而建設(shè)儲(chǔ)能電站的投資，僅需20億元左右。
但其缺點(diǎn)也是顯而易見的，它需要工作溫度在300~350℃，這讓有些人對(duì)此系統(tǒng)存在異議，認(rèn)為如果一套電池系統(tǒng)在工作時(shí)還需要另外加裝一套加熱系統(tǒng)，那其儲(chǔ)能效率將大打折扣。
液流電池
定義
液流電池一般稱為氧化還原液流電池，是一種新型的大型電化學(xué)儲(chǔ)能裝置。正負(fù)極全使用釩鹽溶液的稱為全釩液流電池，簡(jiǎn)稱釩電池，是目前發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁的優(yōu)秀綠色環(huán)保蓄電池之一，也是應(yīng)用最多的液流電池之一。
釩電池特點(diǎn)
◆ 壽命長(zhǎng)——由于全釩液流電池正、負(fù)極活性物質(zhì)均為釩，只是價(jià)態(tài)不同，可以避免正、負(fù)極活性物質(zhì)通過離子交換膜擴(kuò)散造成的元素交叉污染，使電池性能長(zhǎng)時(shí)間保持
◆ 成本低——生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，成本與鉛酸電池相近
◆ 大功率、支持頻繁大電流充放電——可制備兆瓦級(jí)電池組，大功率長(zhǎng)時(shí)間提供電能
◆ 綠色無污染——它的制造、使用及廢棄過程均不產(chǎn)生有害物質(zhì)
釩系的氧化還原電池是在1985年由澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Marria Kacos提出的，發(fā)展至今，釩電池技術(shù)已經(jīng)趨近成熟，在美國(guó)、加拿大、歐洲、日本、澳大利亞等地已經(jīng)開始商業(yè)化應(yīng)用。
經(jīng)過這些國(guó)家的應(yīng)用驗(yàn)證，釩電池被證明主要適合應(yīng)用于再生能源并網(wǎng)發(fā)電、城市電網(wǎng)儲(chǔ)能、遠(yuǎn)程供電、UPS系統(tǒng)、海島應(yīng)用等領(lǐng)域。它最顯著特點(diǎn)是規(guī)?；铍?，在廣泛利用可再生能源的呼聲高漲形勢(shì)下，可以預(yù)見，液流電池將迎來一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期。
在釩電池領(lǐng)域，參與企業(yè)并不多。普能公司（收購(gòu)了世界知名儲(chǔ)能公司——加拿大VRB POWER公司）和日本住友公司是這一領(lǐng)域的領(lǐng)頭企業(yè)，分別在世界各地和日本本土擁有商業(yè)化業(yè)績(jī)。
在我國(guó)，也有人在做釩電池系統(tǒng)的研究。1995年，中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所首先在國(guó)內(nèi)展開釩電池的研究，研制成功500 W、1 kW的樣機(jī)，擁有電解質(zhì)溶液制備、導(dǎo)電塑料成型等專利。2006年3月中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研發(fā)成功10 kW試驗(yàn)電堆，并通過國(guó)家科技部驗(yàn)收，標(biāo)志著我國(guó)的全釩液流電池系統(tǒng)取得階段性進(jìn)步。清華大學(xué)利用在膜分離功能材料制備、膜過程與設(shè)備設(shè)計(jì)等方面近20年的研究經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，在電堆流道設(shè)計(jì)、電堆密封結(jié)構(gòu)、鎖緊方式方面取得研究成果，已經(jīng)申報(bào)3項(xiàng)專利，并研發(fā)成功全釩液流電池測(cè)試平臺(tái)。
除學(xué)術(shù)研究外，2010年5月更是有應(yīng)用的消息傳來。由攀鋼集團(tuán)有限公司和無錫尚德太陽能電力有限公司共同建設(shè)的兩套2 kW光伏發(fā)電—釩電池蓄電示范工程竣工。據(jù)稱，攀鋼集團(tuán)有限公司是世界第二大和國(guó)內(nèi)最大的釩產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)，研究釩電池已達(dá)10年。北京金能燃料電池有限公司也表示，其生產(chǎn)的作為釩電池核心材料的全氟離子膜已批量生產(chǎn)，釩電池已開始銷售，已推出適用于光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、電網(wǎng)調(diào)峰、分布電站等諸多領(lǐng)域的釩電池產(chǎn)品。
值得注意的是，盡管釩電池的前景被很多人所看好，但釩電池普遍應(yīng)用的條件尚不具備，其大部分應(yīng)用還是試驗(yàn)示范式的，要實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化實(shí)際應(yīng)用還有許多問題尚需進(jìn)行深入研究。
鋰離子電池
定義
主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)工作的充電電池。
特點(diǎn)
◆ 比能量高
◆ 安全性能好
◆ 可快速充放電
◆ 工作溫度范圍寬
雖然鋰離子電池目前在儲(chǔ)能方面的應(yīng)用還沒有液流電池和鈉硫電池多，但由于它容量可大可小，也就適用于智能電網(wǎng)的發(fā)、用兩大環(huán)節(jié)，發(fā)展前景還是為很多業(yè)內(nèi)專家所看好。
我國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，全球鋰離子電池市場(chǎng)已經(jīng)形成中國(guó)、日本、韓國(guó)三足鼎立的局面。近幾年，鋰離子電池已經(jīng)開始應(yīng)用于電動(dòng)自行車和電動(dòng)工具。經(jīng)過10余年的努力，我國(guó)已初步形成了從原料制備、設(shè)備制造、電池加工和出口貿(mào)易到下游產(chǎn)品開發(fā)的鋰電池產(chǎn)業(yè)鏈。2008年，全國(guó)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值約達(dá)200億元，但其在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用還很少。
“由于市場(chǎng)需求引導(dǎo)，我國(guó)之前對(duì)鋰離子電池的研究主要集中在應(yīng)用于各類電動(dòng)車的動(dòng)力電池，對(duì)儲(chǔ)能電池的研究相對(duì)比較少，這也許是對(duì)儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用及需求狀況的了解不夠所致。”清華大學(xué)核能與新能源技術(shù)研究院新型能源與材料化學(xué)研究室副主任蒲薇華博士告訴記者，“兩者應(yīng)用背景不同，則其對(duì)電池性能的要求不同，除了滿足比能量和循環(huán)壽命等基本性能外，動(dòng)力電池更強(qiáng)調(diào)良好的功率性能，能大電流快速充放電。另外，需要電池的使用溫度范圍要寬，尤其是低溫性能，仍然是目前亟待解決的問題。儲(chǔ)能電池則主要強(qiáng)調(diào)容量效率和循環(huán)壽命。個(gè)人認(rèn)為，從目前電池材料及電池制備技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀分析，如果市場(chǎng)逐漸明朗并有大量需求，儲(chǔ)能電池的研究和應(yīng)用勢(shì)頭有可能超過動(dòng)力電池，有望在較短時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破和推廣應(yīng)用。”
據(jù)了解，電網(wǎng)公司一般要求應(yīng)用在風(fēng)電、太陽能等可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的電池壽命為15年，按每天充放一次計(jì)算，大概需要6000次，考慮到惡劣的運(yùn)行工況，至少達(dá)到5000次。而現(xiàn)在動(dòng)力鋰離子電池，以磷酸鐵鋰電池為例，在全充全放的情況下可以達(dá)到2000次充放循環(huán)。“如果充放電深度要求低于100% DOD，以及1C左右較低的充放電倍率，就目前的技術(shù)現(xiàn)狀，磷酸鐵鋰電池超過3000次的循環(huán)壽命應(yīng)該問題不是太大。但是要達(dá)到5000~6000次循環(huán)，還需要在關(guān)鍵電池材料性能改進(jìn)、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行技術(shù)研發(fā)。經(jīng)過2~3年的研究，要達(dá)到5000次充放循環(huán)的要求還是比較樂觀的。當(dāng)然，也要考慮成本，這也是影響鋰離子電池在電網(wǎng)等儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用的重要因素。”蒲薇華博士預(yù)測(cè)說。
除了單體電池的壽命和成本問題，影響鋰離子儲(chǔ)能電池的還有電池成組技術(shù)、與之配套的相關(guān)電源管理系統(tǒng)、國(guó)家政策以及電網(wǎng)的接受程度等。
近期，鋰離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用有了進(jìn)展，據(jù)了解，按照計(jì)劃，2010年6—7月張北風(fēng)光儲(chǔ)能基地中的鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)將投產(chǎn)，其中1 MW的鋰電池由比亞迪股份有限公司提供。對(duì)此，專家表示，電網(wǎng)公司也清楚知道目前沒有鋰電池能滿足15年的壽命要求，要想未來有所應(yīng)用就只能先試用，這是一種期望值和技術(shù)成熟度的妥協(xié)。
我國(guó)在鋰離子電池上走在了全球的前列，比亞迪股份有限公司、深圳市比克電池有限公司、天津力神電池股份有限公司等都是這一行業(yè)的重量級(jí)企業(yè)，據(jù)了解，比亞迪股份有限公司先后建成了多條生產(chǎn)線，能夠生產(chǎn)包括0.2 MW、1 MW和1.2 MW的產(chǎn)品。
長(zhǎng)城證券有分析師預(yù)測(cè)，按照目前市場(chǎng)普遍預(yù)期的2020年風(fēng)電發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到1.5億kW計(jì)算，以河北張家口項(xiàng)目為參考，相關(guān)的儲(chǔ)能容量將超過2000萬kW，假設(shè)其中50%采用化學(xué)儲(chǔ)能，市場(chǎng)需求將超過1000萬kW，按照鋰電池可以占據(jù)30%左右的市場(chǎng)份額計(jì)算，則有300萬kW的需求。
但未來的市場(chǎng)固然美好，也還需要經(jīng)過示范項(xiàng)目的測(cè)試，在生產(chǎn)商、研究機(jī)構(gòu)以及電網(wǎng)公司的共同推動(dòng)下一步一步實(shí)現(xiàn)。大家普遍的認(rèn)識(shí)是，這個(gè)市場(chǎng)未來會(huì)很大，但目前發(fā)展不會(huì)很快。
