中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：電化學(xué)電池技術(shù)是當(dāng)前儲(chǔ)能行業(yè)一大增長(zhǎng)點(diǎn)。截至2016年底，全球電化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模達(dá)1756.5MW，近5年復(fù)合增長(zhǎng)率27.5%。我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)起步相對(duì)較晚，經(jīng)過十多年發(fā)展，目前正從小規(guī)模研究示范向商業(yè)化初期過渡發(fā)展。
1.儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展加速，電化學(xué)技術(shù)百家爭(zhēng)鳴
2016年我國(guó)化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)量為189.4MW，同比增長(zhǎng)達(dá)79.5%。與其他儲(chǔ)能方式相比，電化學(xué)儲(chǔ)能具有設(shè)備機(jī)動(dòng)性好、響應(yīng)速度快、能量密度高和循環(huán)效率高等優(yōu)勢(shì)，是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外儲(chǔ)能研究的熱點(diǎn)。
圖 1：近年來全球(左)及我國(guó)(右)化學(xué)儲(chǔ)能裝機(jī)容量高速增長(zhǎng)
儲(chǔ)能電池種類多，性能特點(diǎn)各不同。當(dāng)前主流電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)有先進(jìn)鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池和鈉硫電池等，其性能特點(diǎn)和經(jīng)濟(jì)性各不相同，目前尚未有某一種技術(shù)能夠完全滿足循環(huán)壽命、可規(guī)?；踩?、經(jīng)濟(jì)性和能效五項(xiàng)儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。鉛炭電池、鋰電池是當(dāng)前發(fā)展較快、有望率先帶動(dòng)儲(chǔ)能商業(yè)化的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。
表 1：主流電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)性能比較
2.鉛酸老樹發(fā)新枝，鉛炭?jī)?chǔ)能步入商業(yè)化初期
鉛蓄電池歷史悠久，技術(shù)革新拓展儲(chǔ)能應(yīng)用。鉛蓄電池自1859年發(fā)明以來已具有150多年歷史。時(shí)至今日，傳統(tǒng)鉛酸蓄電池憑借其安全可靠、容量大、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，在二次電源應(yīng)用領(lǐng)域仍具有穩(wěn)固的地位。近年來，以鉛炭電池為代表的新興鉛酸技術(shù)的出現(xiàn)，大大彌補(bǔ)了傳統(tǒng)鉛酸電池比能量低、壽命短等缺點(diǎn)，使其在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能。目前鉛蓄電池行業(yè)已具備較為成熟的技術(shù)體系和產(chǎn)業(yè)鏈，先進(jìn)鉛酸電池受益于相對(duì)較低的生產(chǎn)成本，有望率先在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化。
圖 2：鉛蓄電池行業(yè)已形成“原料-生產(chǎn)-應(yīng)用-回收”循環(huán)產(chǎn)業(yè)鏈
表 2：先進(jìn)技術(shù)增強(qiáng)鉛酸電池活力
鉛炭電池是當(dāng)前先進(jìn)鉛酸技術(shù)發(fā)展的主流方向。鉛炭技術(shù)的核心是在負(fù)極引入活性炭，使電池兼具鉛酸電池和超級(jí)電容器的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)可有效抑制普通鉛蓄電池負(fù)極不可逆硫酸鹽化的問題，使其大電流充放電性能和循環(huán)壽命得到顯著提升。測(cè)試評(píng)估結(jié)果顯示，同等工作狀況下鉛炭電池的放電功率是普通鉛酸電池的3-4倍，循環(huán)壽命提升至其6倍，充電速度可提高8倍，而其生產(chǎn)成本僅比普通鉛酸電池增加30-40%。當(dāng)前鉛炭技術(shù)研究的重點(diǎn)在于鉛炭負(fù)極的作用機(jī)理、炭材料的選擇和抑制析氫等問題上。美國(guó)ALABC、Axion Power，日本Furukawa，澳大利亞CSIRO，法國(guó)CEA-INESD等公司和機(jī)構(gòu)，都在積極從事相關(guān)方面的研究和開發(fā)。南都電源是國(guó)內(nèi)鉛炭電池開發(fā)和推廣的領(lǐng)軍企業(yè)，其產(chǎn)品和技術(shù)已在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)形成一定競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。
圖 3：鉛炭電池結(jié)構(gòu)示意圖
圖 4：先進(jìn)鉛酸儲(chǔ)能系統(tǒng)在電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛
表 3：鉛炭技術(shù)發(fā)展歷程
鉛炭?jī)?chǔ)能步入商業(yè)化初期，市場(chǎng)空間大。以南都電源為例，目前公司已在國(guó)內(nèi)投運(yùn)鉛炭?jī)?chǔ)能項(xiàng)目48個(gè)，總規(guī)模242MWh，已簽署儲(chǔ)能商用儲(chǔ)能電站項(xiàng)目約1000MWh，系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于調(diào)峰調(diào)頻、風(fēng)光儲(chǔ)、用戶側(cè)儲(chǔ)能等領(lǐng)域，具有廣闊的商業(yè)化前景。與鋰電池等其他主流電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)相比，鉛炭電池的成本僅為其三分之一，短期性價(jià)比優(yōu)勢(shì)仍然顯著。長(zhǎng)期來看，鉛炭電池在循環(huán)壽命、環(huán)境影響等方面仍具有一定局限性，預(yù)計(jì)未來其他電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和成本的進(jìn)一步降低將對(duì)其市場(chǎng)空間構(gòu)成一定挑戰(zhàn)。
表 4：鉛炭?jī)?chǔ)能已在多領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用
3.液流電池多體系并存，全釩、鋅溴是主流
液流電池種類繁多，功率容量可調(diào)。液流電池主要通過氧化還原電對(duì)在惰性電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)完成能量?jī)?chǔ)存于釋放。其最大特點(diǎn)在于電池輸出功率和容量相互獨(dú)立，可分別通過改變電池模塊大小、電解液濃度和體積實(shí)現(xiàn)獨(dú)立設(shè)計(jì)。同時(shí)液流電池具有充放電性能好、循環(huán)壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)，適合大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用。目前較為成熟的液流電池體系有全釩、鋅溴、鉻鐵、多硫化鈉-溴等雙液體系。其中全釩、鋅溴電池由于不存在正負(fù)極電解液交叉污染問題，發(fā)展尤為迅速。此外，近年來開始發(fā)展的鋅鎳單液體系也具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。
圖 5：雙液流電池工作原理示意圖
圖 6：?jiǎn)我毫麟姵毓ぷ髟硎疽鈭D
表 5：液流電池體系繁多
全釩液流電池是目前研究和應(yīng)用最廣泛的液流電池技術(shù)。全釩體系正負(fù)電極電對(duì)分別為VO2+/VO2+、V2+/V3+，其主要優(yōu)勢(shì)在于電解液無交叉污染、無自放電、一致性好，且循環(huán)壽命極長(zhǎng)。目前全球范圍內(nèi)共安裝有40-50套釩電池系統(tǒng)，其研發(fā)和制造企業(yè)主要包括日本住友電工SEI、大連融科、北京普能、美國(guó)UniEnergyTechnologies等。其中融科儲(chǔ)能于2016年開始投建的200MW/800MWh大連液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站國(guó)家示范項(xiàng)目，是目前世界上最大的化學(xué)儲(chǔ)能調(diào)峰電站。
高成本是制約全釩液流電池商業(yè)化的主要因素。當(dāng)前全釩系統(tǒng)成本約在4500-6000元/kWh，遠(yuǎn)高于鉛炭、鋰電等電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，主要原因是離子交換膜、電解液等材料成本較高。目前離子交換膜很大程度依賴進(jìn)口，價(jià)格約為5000元/平方米，國(guó)產(chǎn)價(jià)格也高達(dá)1000元/平方米。同時(shí)釩電池體積密度低，電解液使用量很大，導(dǎo)致同規(guī)模下電池總成本較高。目前液流電池產(chǎn)業(yè)鏈尚未完善，未來成本下降將依賴于離子交換膜國(guó)產(chǎn)化、提高釩離子溶解度、提高電流密度等方向的研究。
圖 7：全釩液流電池關(guān)鍵技術(shù)
鋅溴體系成本低，材料配件受壟斷。鋅溴液流電池結(jié)構(gòu)與全釩體系類似，其正負(fù)極電對(duì)為Br/Br-、Zn/Zn2+,兩種元素均豐富易得。其結(jié)構(gòu)部件主要采用價(jià)格低廉的塑料，不含貴金屬，成本較低。隔膜材料主要是鋰電池、鉛酸電池類似的微孔膜，價(jià)格相對(duì)便宜，僅為50-100元/平方米。同時(shí)其體積能量密度也相對(duì)高，總體系統(tǒng)成本僅為全釩液流電池的一半，因而受關(guān)注度較高。鋅溴電池在技術(shù)層面的主要問題在于溴的強(qiáng)腐蝕性，其材料技術(shù)和配件生產(chǎn)仍在一定程度上受到美、日等國(guó)家的壟斷。目前我國(guó)從事相關(guān)研發(fā)的企業(yè)主要有安徽美能、北京百能等。
鋅鎳單液體系開拓液流電池發(fā)展新道路。鋅鎳單液流電池是解放軍防化研究院2007年提出的一種新型液流電池，其特點(diǎn)是正負(fù)極反應(yīng)使用同一電解液，無需離子交換膜，從而大大降低了生產(chǎn)成本并簡(jiǎn)化了電池設(shè)計(jì)。由于使用堿性電解液，電池長(zhǎng)期抗腐蝕能力較好。經(jīng)試驗(yàn)，電池在1000次循環(huán)后能量效率達(dá)到86%，優(yōu)于一般雙液流電池。目前這類電池尚處于研發(fā)試驗(yàn)階段，除國(guó)內(nèi)部分機(jī)構(gòu)外，日本、美國(guó)也已開始相關(guān)研究。
圖 8：鋅鎳單液流電池單體(左)與電池組(右)
4.鈉硫電池技術(shù)受壟斷，國(guó)內(nèi)短期難以推廣
鈉硫電池性能好，國(guó)外應(yīng)用較成熟。鈉硫電池以單質(zhì)硫和金屬鈉為正負(fù)極，β-氧化鋁陶瓷為電解質(zhì)和隔膜，其工作溫度在300-350攝氏度之間，具有能量密度高、功率特性好、循環(huán)壽命長(zhǎng)、成本相對(duì)低等優(yōu)點(diǎn)。目前全球范圍內(nèi)已建成200多座鈉硫電池儲(chǔ)能電站，其規(guī)模約占全球電化學(xué)儲(chǔ)能總裝機(jī)量的30-40%，僅次于鋰離子電池。日本NGK公司是全球唯一具有大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)鈉硫電池能力的企業(yè)，其年產(chǎn)能約150MW。
圖 9：鈉硫電池原理結(jié)構(gòu)示意圖
鈉硫電池成本和安全性有待優(yōu)化。鈉硫電池系統(tǒng)成本約為2000-2500元/千瓦時(shí)，相對(duì)大部分儲(chǔ)能技術(shù)都較低，但離大規(guī)模商業(yè)化標(biāo)準(zhǔn)仍有距離。此外，由于電池使用液態(tài)鈉且在高溫下運(yùn)行，一旦陶瓷電介質(zhì)發(fā)生受損破裂形成短路，將引發(fā)電池燃燒產(chǎn)生重大安全事故。2011年NGK公司系統(tǒng)曾在客戶方發(fā)生燃燒，加重了市場(chǎng)對(duì)該技術(shù)安全性方面的顧慮。
國(guó)內(nèi)鈉硫研制起步晚，短期推廣難。國(guó)內(nèi)鈉硫電池研發(fā)工作起步較晚，目前主要由上海硅酸鹽所承擔(dān)，目前已研制成功100kW級(jí)儲(chǔ)能系統(tǒng)。但與日本NGK技術(shù)相比，國(guó)內(nèi)鈉硫技術(shù)仍有15-20年差距，短期難以商業(yè)化推廣。
圖 10：鈉硫電池制備工藝流程
5.鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展快，成本下降推動(dòng)儲(chǔ)能應(yīng)用
鋰離子電池應(yīng)用廣，動(dòng)力鋰電需求拉動(dòng)產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。鋰離子電池由正負(fù)電極、隔膜、電解液組成，具有能量密度大、工作溫度范圍寬、無記憶效應(yīng)、可快速充放電、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品、新能源車和電化學(xué)儲(chǔ)能等領(lǐng)域。近年來鋰電產(chǎn)業(yè)受下游新能源車動(dòng)力電池需求增長(zhǎng)拉動(dòng)，規(guī)模和技術(shù)發(fā)展尤為迅速，目前已有動(dòng)力電池企業(yè)上百家，電芯市場(chǎng)規(guī)模超2000億。預(yù)計(jì)未來5年國(guó)內(nèi)鋰電池需求仍將保持30%-40%的高增速，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈也將進(jìn)一步成熟。
圖 11：鋰離子電池工作原理示意圖
圖 12：國(guó)內(nèi)市場(chǎng)鋰電池需求保持高速增長(zhǎng)
圖 13：鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈
鋰電技術(shù)路線多，儲(chǔ)能更注重安全性和長(zhǎng)期成本。與動(dòng)力鋰電池相比，儲(chǔ)能用鋰電池對(duì)能量密度的要求較為寬松，但對(duì)安全性、循環(huán)壽命和成本要求較高。從這方面看，磷酸鐵鋰電池是現(xiàn)階段各類鋰離子電池中較為適合用于儲(chǔ)能的技術(shù)路線，目前已投建的鋰電儲(chǔ)能項(xiàng)目中大多也都采用這一技術(shù)。此外，鈦酸鋰電池因其超長(zhǎng)的循環(huán)壽命也受到廣泛關(guān)注，隨著未來技術(shù)成本降低，有望在儲(chǔ)能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。三元電池的主要優(yōu)勢(shì)在于高能量密度，其循環(huán)壽命和安全性較為局限，因而更適合用作動(dòng)力電池。
表 6：磷酸鐵鋰和鈦酸鋰技術(shù)更適合儲(chǔ)能應(yīng)用
鋰電規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)顯現(xiàn)，儲(chǔ)能成本快速下降。近年來國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰電行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)激烈，下游整車廠對(duì)性能和價(jià)格需求倒逼鋰電技術(shù)快速進(jìn)步，同時(shí)主要廠商產(chǎn)能不斷擴(kuò)張，鋰電池生產(chǎn)成本不斷下降，年均降幅達(dá)15-20%。目前部分廠商磷酸鐵鋰電池價(jià)格已降至1200-1400元/千瓦時(shí)，相應(yīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)成本也降至2000元/千瓦時(shí)，儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性有了很大提高。以目前公布的規(guī)劃來看，未來幾年主要鋰電廠商產(chǎn)能高速擴(kuò)張的趨勢(shì)仍將持續(xù)，鋰電儲(chǔ)能也將隨成本下降而步入商業(yè)化應(yīng)用區(qū)間。
圖 14：近年來鋰離子電池成本快速下降
圖 15：國(guó)內(nèi)動(dòng)力鋰電廠商產(chǎn)能快速擴(kuò)張
動(dòng)力電池梯次利用可進(jìn)一步提升鋰電儲(chǔ)能經(jīng)濟(jì)性。梯次利用技術(shù)主要是針對(duì)容量降低但并未完全報(bào)廢的退役動(dòng)力電池，其主要環(huán)節(jié)包括回收與性能評(píng)估、電池系統(tǒng)重組及梯次利用于儲(chǔ)能領(lǐng)域，是一種綠色、經(jīng)濟(jì)、可持續(xù)的資源回收手段。當(dāng)前全球范圍內(nèi)都在積極開展相關(guān)研究，美國(guó)、德國(guó)、日本等起步較早的國(guó)家已有不少成功案例。國(guó)內(nèi)比亞迪、CATL、國(guó)軒高科、中航鋰電等一線動(dòng)力電池廠商業(yè)已開始相關(guān)領(lǐng)域布局，未來有望推動(dòng)鋰電池成本的進(jìn)一步下降。
表 7：國(guó)內(nèi)外已逐步開展各類動(dòng)力電池梯次利用儲(chǔ)能示范項(xiàng)目
儲(chǔ)能千億市場(chǎng)將啟動(dòng)，鋰電技術(shù)是主流。鋰電儲(chǔ)能具有清潔高效、能量密度高、充放電性能好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，在多種應(yīng)用領(lǐng)域都具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)。在目前全球已建MW級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能示范項(xiàng)目中，鋰電池項(xiàng)目裝機(jī)規(guī)模約占總?cè)萘康?0%，遠(yuǎn)超其他儲(chǔ)能技術(shù)，國(guó)內(nèi)張北風(fēng)光儲(chǔ)輸、南網(wǎng)寶清電站等大型儲(chǔ)能示范項(xiàng)目，也都將鋰電作為重點(diǎn)技術(shù)路線發(fā)展。在鋰電產(chǎn)業(yè)持續(xù)高速發(fā)展、電池成本不斷降低的狀況下，預(yù)計(jì)鋰離子電池仍將是未來電化學(xué)儲(chǔ)能的主流。
圖 16：國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能裝機(jī)規(guī)模鋰電最大
表 8：鋰電池在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢(shì)
