一、前言
2017 年 10 月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局等五部委聯(lián)合出臺(tái)了《關(guān)于促進(jìn)我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，指出加快儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展，對(duì)于構(gòu)建“清潔低碳、安全高效”的現(xiàn)代能源產(chǎn)業(yè)體系具有重要的戰(zhàn)略意義。這一政策的出臺(tái)直接推動(dòng)了“十三五”期間我國(guó)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展。隨著“十四五”期間“雙碳”目標(biāo)的提出，2021 年 4 月，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局再次聯(lián)合發(fā)布了第二部針對(duì)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的國(guó)家級(jí)綜合性政策文件《關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》，明確提出到 2025 年，實(shí)現(xiàn) 3000萬kW 的儲(chǔ)能目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能跨越式發(fā)展；到 2030 年，實(shí)現(xiàn)新型儲(chǔ)能全面市場(chǎng)化發(fā)展?！蛾P(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見（征求意見稿）》還指出，儲(chǔ)能技術(shù)要以需求為向?qū)?，?jiān)持多元化發(fā)展，這為儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展明確了目標(biāo)和方向。
目前，儲(chǔ)能系統(tǒng)從發(fā)電側(cè)、輸配電側(cè)到用戶側(cè)的一系列支撐服務(wù)逐漸成為彈性和高效電網(wǎng)的重要組成部分。較小型的分布式儲(chǔ)能系統(tǒng)今后也將更廣泛地在家庭、企業(yè)和通信基站中推廣應(yīng)用。
我國(guó)儲(chǔ)能呈現(xiàn)多元化發(fā)展的良好態(tài)勢(shì)：抽水蓄能發(fā)展迅速，鋰離子電池儲(chǔ)能技術(shù)成熟度飛速提高，壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、超導(dǎo)儲(chǔ)能和超級(jí)電容、鈉硫電池、液流電池、鉛蓄電池等儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)應(yīng)用加速，儲(chǔ)氫、儲(chǔ)熱、儲(chǔ)冷技術(shù)也取得了一定進(jìn)展。其中，電化學(xué)儲(chǔ)能（或二次電池儲(chǔ)能）技術(shù)相對(duì)于水電、火電等常規(guī)功率調(diào)節(jié)手段具有較大技術(shù)優(yōu)勢(shì)：響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，跟蹤負(fù)荷變化能力強(qiáng)，便于精確控制；對(duì)實(shí)施的地理環(huán)境要求較低；具有削峰填谷的雙向調(diào)節(jié)能力。2021 年 4 月，中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟（CNESA）發(fā)布的《儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)研究白皮書 2021》顯示，截至 2020 年年底，中國(guó)已投運(yùn)儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)規(guī)模 35.6 GW，占全球市場(chǎng)總規(guī)模的 18.6%，同比增長(zhǎng) 9.8%，其中電化學(xué)儲(chǔ)能的累計(jì)裝機(jī)規(guī)模僅次于抽水蓄能，位列第二。
目前，各種電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的基本特征和成熟度各不相同，每一種技術(shù)都有不同的數(shù)量在全球不同的地點(diǎn)進(jìn)行部署。包括鋰離子電池、鈉硫電池、鈉 – 金屬氯化物電池、液流電池和鉛酸電池在內(nèi)的 5 類電池技術(shù)已經(jīng)被認(rèn)為是較可靠的能源供應(yīng)體系，在全球范圍內(nèi)有兆瓦級(jí)的裝機(jī)規(guī)模。2017 年以來，鋰離子電池急劇發(fā)展，占據(jù)了中國(guó)和美國(guó)儲(chǔ)能市場(chǎng)絕大部分份額，技術(shù)成熟度不斷提高。隨著越來越多鋰電儲(chǔ)能系統(tǒng)的部署，安全事故的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，尤其是電池?zé)崾Э貙?dǎo)致的安全事故頻發(fā)引起了人們的重視和擔(dān)憂。
2019 年，國(guó)家電網(wǎng)有限公司發(fā)布《關(guān)于促進(jìn)電化學(xué)儲(chǔ)能健康有序發(fā)展的指導(dǎo)意見》，意見強(qiáng)調(diào)要嚴(yán)守儲(chǔ)能安全紅線。不僅如此，鋰等元素昂貴，地殼中含量少且分布極不均勻，對(duì)于長(zhǎng)期規(guī)模化應(yīng)用而言可能會(huì)成為一個(gè)重要問題。
鈉元素和鋰元素有相似的物理化學(xué)特性，且在地殼中儲(chǔ)量豐富，資源分布廣泛，因此發(fā)展針對(duì)規(guī)?；瘍?chǔ)能應(yīng)用的儲(chǔ)能鈉電池技術(shù)具有重要的戰(zhàn)略意義，近年來得到研究者的廣泛關(guān)注。已經(jīng)在儲(chǔ)能領(lǐng)域規(guī)?；瘧?yīng)用的鈉電池體系主要包括兩種，即基于固體電解質(zhì)體系的高溫鈉硫電池和鈉 – 金屬氯化物電池體系。它們的負(fù)極活性物質(zhì)均為金屬鈉，更準(zhǔn)確地被稱為鈉電池。鈉離子電池通常指有機(jī)體系鈉離子電池，由于其技術(shù)水平提升較快，成為極有前景的儲(chǔ)能電池之一。目前全球從事鈉離子電池工程化的公司已有 20 家以上。
最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所與中科海鈉科技有限責(zé)任公司聯(lián)合推出的 1 MWh 鈉離子電池光儲(chǔ)充智能微網(wǎng)系統(tǒng)在山西太原投入運(yùn)行。寧德時(shí)代新能源科技有限公司（CATL）近期也發(fā)布了他們的第一代鈉離子電池，能量密度達(dá)到 160 Wh/kg。然而鈉離子電池尚未在儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)上大規(guī)模推廣，其應(yīng)用優(yōu)勢(shì)有待驗(yàn)證。水系鈉離子電池具有環(huán)保、低成本、制造方便、安全性好、易回收等優(yōu)點(diǎn)，但是存在電壓窗口較低、電極材料副反應(yīng)等嚴(yán)重影響壽命的問題。因此，本文主要針對(duì)大規(guī)模儲(chǔ)能用安全性改善的鈉硫電池和鈉 – 金屬氯化物電池儲(chǔ)能鈉電池體系進(jìn)行綜述和研究。
二、儲(chǔ)能鈉電池技術(shù)概述
（一）鈉硫電池
鈉硫電池是一種基于固體電解質(zhì)的高溫二次電池，它以鈉作為陽極，以滲入碳?xì)种械牧蜃鳛殛帢O，傳導(dǎo)鈉離子的 β"- 氧化鋁陶瓷在中間同時(shí)起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用 。它的電池形式為（–）Na（l） | β"-Al2O3 |S/Na2Sx（l）|C（+），其中 x=3~5，基本的電池反應(yīng)是：2Na+xS ←→ Na2Sx。電池的工作溫度控制在 300~350 ℃，此時(shí)鈉與硫均呈液態(tài)，β"- 氧化鋁具有高的離子電導(dǎo)率（~0.2 S/cm），電池具有快速的充放電反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。鈉硫電池以 Na2S3 為最終產(chǎn)物的正極理論比容量約為 558 mAh·g–1，在 350 ℃的工作溫度下具有 2.08 V 的開路電壓。
鈉硫電池一般設(shè)計(jì)為中心負(fù)極的管式結(jié)構(gòu)，即鈉被裝載在陶瓷電解質(zhì)管中形成負(fù)極。電池由鈉負(fù)極、鈉極安全管、固體電解質(zhì)（一般為 β"- 氧化鋁）及其封接件、硫（或多硫化鈉）正極、硫極導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)（一般為碳?xì)郑?、集流體和外殼等部分組成。通常固體電解質(zhì)陶瓷管一端開口一端封閉，其開口端通過熔融硼硅酸鹽玻璃與絕緣陶瓷進(jìn)行密封，正負(fù)極終端與絕緣陶瓷之間通過熱壓鋁環(huán)進(jìn)行密封。
鈉硫電池?fù)碛性S多優(yōu)良的特性：①比能量高。目前，鈉硫電池的實(shí)際能量密度已達(dá)到 240 Wh/kg 和 390 Wh/L 以上，與三元鋰離子電池相當(dāng)。②功率密度高。用于儲(chǔ)能的鈉硫單體電池功率可達(dá)到 120 W 以上，形成模塊后，模塊功率通常達(dá)到數(shù)十千瓦，可直接用于儲(chǔ)能。③長(zhǎng)壽命。電池可滿充滿放循環(huán) 4500 次以上，壽命為 10~15 年。④庫倫效率高。由于采用固體電解質(zhì)，電池幾乎沒有自放電，充放電效率約為 100%。⑤環(huán)境適應(yīng)性好。由于電池通過保溫箱恒溫運(yùn)行，因此環(huán)境溫度適應(yīng)范圍廣，通常為–40~60℃。⑥電池運(yùn)行無污染。電池采用全密封結(jié)構(gòu)，運(yùn)行中無振動(dòng)、無噪聲，沒有氣體放出。⑦電池原料成本低廉，無資源爭(zhēng)奪隱患，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便。
（二）鈉 – 金屬氯化物電池
鈉 – 金屬氯化物電池（也稱 ZEBRA 電池）可與鈉硫電池統(tǒng)稱為鈉-beta 二次電池，其結(jié)構(gòu)與鈉硫電池類似，負(fù)極是液態(tài)的金屬鈉，β"-Al2O3 陶瓷作為固態(tài)電解質(zhì)，不同的是，ZEBRA 電池工作溫度略低，為 270~320℃，正極部分由液態(tài)的四氯鋁酸鈉（NaAlCl4）輔助電解液與固態(tài)的金屬氯化物組成，其中氯化鎳的應(yīng)用研究最為廣泛。鈉 – 氯化鎳電池的基本電池反應(yīng)是：2Na+NiCl2 ←→ 2NaCl+Ni， 300 ℃下開路電壓為 2.58 V。
與鈉硫電池類似，鈉 – 金屬氯化物電池同樣具有長(zhǎng)壽命、庫侖效率高、環(huán)境適應(yīng)性好、無污染運(yùn)行等特點(diǎn)。鈉 – 金屬氯化物電池的實(shí)際比能量偏低，為 110~140 Wh/kg，但仍是鉛酸電池的 3 倍左右，而且還具有其他一些值得關(guān)注的優(yōu)良特性：①高安全性。鈉 – 金屬氯化物電池具有短路溫和放熱和過充過放可逆等特點(diǎn)，確保電池在電氣和機(jī)械濫用時(shí)的高安全性。②無鈉組裝。電池以放電態(tài)組裝，僅在正極腔室裝填金屬粉體、氯化鈉和電解液，制造過程安全性高。③高電壓。開路電壓較鈉硫電池提高 20% 以上。④維護(hù)成本低。電池內(nèi)部短路時(shí)特有的低電阻損壞模式大大降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本。
（三）儲(chǔ)能鈉電池生產(chǎn)制造的核心技術(shù)
高溫鈉硫電池電芯的核心技術(shù)包括了 β"- 氧化鋁精細(xì)陶瓷的燒制、電池密封技術(shù)、負(fù)極潤(rùn)濕保護(hù)管設(shè)計(jì)、正極外殼防腐蝕和正負(fù)極裝填技術(shù)等。首先，β"- 氧化鋁精細(xì)陶瓷的質(zhì)量和一致性深刻影響電池的電化學(xué)性能和安全特性，是最為關(guān)鍵的一環(huán)。其次，任何一個(gè)密封部件的損壞都會(huì)導(dǎo)致正負(fù)極材料的蒸汽直接接觸而發(fā)生反應(yīng)，因此電池密封技術(shù)成為鈉硫電池的核心技術(shù)之一。再次，熔融硫和多硫化鈉對(duì)金屬具有強(qiáng)腐蝕性，因此包括作為正極集流體的外殼在內(nèi)的接液部件的防腐蝕技術(shù)也是鈉硫電池實(shí)用化的關(guān)鍵。最后，電池正負(fù)極的有效裝填及其與固體電解質(zhì)之間界面的潤(rùn)濕層設(shè)計(jì)是電池高性能運(yùn)行的必備要素。相對(duì)于鈉硫電池，鈉 – 氯化鎳電池電芯無須對(duì)外殼進(jìn)行防腐蝕處理，但是正極長(zhǎng)循環(huán)穩(wěn)定技術(shù)成為電池的核心技術(shù)之一。
高溫鈉電池模組的核心技術(shù)包括了絕熱保溫箱技術(shù)、模組熱管理技術(shù)、模組內(nèi) / 間阻燃技術(shù)以及電池管理系統(tǒng)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)等。電池的高溫運(yùn)行環(huán)境對(duì)電池保溫箱提出了較高的要求。絕熱保溫箱技術(shù)一方面需要保證電池在待機(jī)時(shí)的低電耗，另一方面還要保證保溫箱輕量化，以提升電池整體的能量密度。由于電池放電模式下的化學(xué)反應(yīng)為放熱反應(yīng)，此時(shí)模塊內(nèi)部將出現(xiàn) 22~35 ℃的升溫，而充電過程中溫度會(huì)下降到待機(jī)水平。長(zhǎng)時(shí)間的升降溫循環(huán)不僅考驗(yàn)電池密封材料的熱機(jī)械性能，還對(duì)模塊的熱管理提出了快速響應(yīng)的要求，否則可能造成溫度無法及時(shí)復(fù)原。另外，模組內(nèi) / 間防火技術(shù)以及電池管理系統(tǒng)與保護(hù)電路設(shè)計(jì)對(duì)電池的長(zhǎng)期安全運(yùn)行也具有重要意義。
三、儲(chǔ)能鈉電池的應(yīng)用需求
儲(chǔ)能鈉電池可針對(duì)極端環(huán)境（如高熱、高寒、高鹽腐蝕等）下的風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電企業(yè)配套大容量、安全可靠的儲(chǔ)能系統(tǒng)；為載人潛艇、陸軍戰(zhàn)車、水下平臺(tái)等提供動(dòng)力，服務(wù)國(guó)防科技事業(yè)；為第五代移動(dòng)通信技術(shù)（5G）通信基站、數(shù)據(jù)中心等室內(nèi)用電大戶提供備用電源，為國(guó)家的節(jié)能減排事業(yè)及“碳中和”戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。儲(chǔ)能鈉電池的應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)殇囯x子電池技術(shù)提供有益補(bǔ)充，其主要的應(yīng)用場(chǎng)景如下。
（一）極端環(huán)境應(yīng)用
隨著全球氣候變暖，國(guó)內(nèi)外 50 ℃以上的極端高溫天氣頻繁，亞熱帶和熱帶地區(qū)更是如此。電池的高溫運(yùn)行需求逐漸受到重視。油氣勘探的井下溫度可超過 170 ℃，能耐受如此高溫的電池很少，目前井下儀器的電能供應(yīng)采用的是鋰一次電池。軍用電池需要適應(yīng)多種惡劣的應(yīng)用環(huán)境，被要求在 –50~70 ℃的溫度范圍內(nèi)正常工作。
作為下一代無線通信體系的重要組成，高空平臺(tái)通信系統(tǒng)是位于平流層的高空平臺(tái)向上連接衛(wèi)星、向下連接低空無人機(jī)和地面節(jié)點(diǎn)，作為空中基站或中繼節(jié)點(diǎn)，提供快速、穩(wěn)定、靈活的應(yīng)急通信系統(tǒng)。高空平臺(tái)通信系統(tǒng)運(yùn)載器是一個(gè)保持在 20 km 高度并停留 5 年時(shí)間的靜止平臺(tái)。運(yùn)載器所需能源由太陽能電池板提供，對(duì)其所搭載的儲(chǔ)能電池要求高比能（>110 Wh/ kg）、性能的高可靠性和穩(wěn)定性（>5 年壽命和性能降低 <10%）和超低溫運(yùn)行（–55℃）。另外，海島、近海等高鹽霧環(huán)境也限制了大量電池體系的應(yīng)用。
研究表明，鋰離子電池在無人機(jī)上的應(yīng)用受到高低溫環(huán)境的極大限制。電池正常使用溫度范圍是 –15~50 ℃。低溫條件下，鋰離子電池面臨的鋰枝晶問題和離子擴(kuò)散遲緩問題會(huì)更加嚴(yán)重，高溫條件則會(huì)加速鋰離子電池陰極固液界面的副反應(yīng)和電解液退化，引發(fā)嚴(yán)重的熱失控。
事實(shí)上，傳統(tǒng)的液體電解質(zhì)基二次電池難以滿足極端高低溫應(yīng)用需求。具有較高的能量密度、10 年以上運(yùn)行壽命和對(duì)環(huán)境溫度不敏感等特性的固體電解質(zhì)基鈉硫電池和鈉 – 氯化鎳電池則被證明非常適合極端高低溫的應(yīng)用場(chǎng)景。在熱帶沙漠氣候的阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó)，鈉硫電池被認(rèn)為是比鋰離子電池更優(yōu)異的儲(chǔ)能技術(shù)。在日本，鈉硫電池被選擇成為火箭發(fā)射場(chǎng)的備用電源。ZEBRA 電池作為高低溫下可靠耐用的二次電池，目前已成為井下設(shè)備電源的優(yōu)選方案，同時(shí)也針對(duì)高空平臺(tái)通信系統(tǒng)運(yùn)載器開展應(yīng)用示范。
（二）高安全應(yīng)用
高安全應(yīng)用場(chǎng)景指發(fā)生安全事故時(shí)難以止損或事故代價(jià)大的應(yīng)用場(chǎng)景。近年來，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)的發(fā)展，大型數(shù)據(jù)中心的建設(shè)速度激增，運(yùn)營(yíng)規(guī)模也越來越大。然而，一方面，數(shù)據(jù)中心需要大量的電能來維持正常運(yùn)營(yíng)，電力成本成為數(shù)據(jù)中心的重要成本組成。通過智能微網(wǎng)的建設(shè)來降低能耗已成為各大數(shù)據(jù)中心運(yùn)營(yíng)公司降本增效的重要途徑。另一方面，數(shù)據(jù)中心需要配備非常安全可靠的備用電源以應(yīng)對(duì)不時(shí)之需。大型數(shù)據(jù)中心等室內(nèi)儲(chǔ)能或備用電源高安全應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)其儲(chǔ)能系統(tǒng)的安全性提出了更高的要求。交通運(yùn)輸領(lǐng)域的危化品運(yùn)輸車、地下裝載機(jī)等交通工具以及水下應(yīng)用領(lǐng)域的載人潛水器、深海平臺(tái)用電源等也對(duì)電源安全性提出了更高的要求。
ZEBRA 電池作為一種電化學(xué)本征安全的電池體系，在高安全要求的領(lǐng)域具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。它曾被選為英國(guó)和北約 LR7 型深潛救生艇的動(dòng)力電源。2013 年，通用電氣有限公司（GE）生產(chǎn)的 ZEBRA 電池成功地為 Coal River Energy 公司位于美國(guó)西弗吉尼亞州明礬溪的采礦鏟車提供動(dòng)力支撐。在儲(chǔ)能安全越來越受重視的今天，ZEBRA 電池體系將會(huì)有更大的發(fā)展空間。
（三）長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能
長(zhǎng)時(shí)電化學(xué)儲(chǔ)能能夠更加靈活地以半天甚至幾天的時(shí)間跨度來管理風(fēng)能和太陽能的間歇性，將可再生能源轉(zhuǎn)化為全天候資源，為無碳電網(wǎng)鋪平道路。隨著可再生能源份額的增長(zhǎng)，更大的挑戰(zhàn)將是在數(shù)周或數(shù)月的時(shí)間跨度上消除可再生能源產(chǎn)量的可變性。發(fā)展長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能技術(shù)勢(shì)在必行。近年來，鋰離子電池在新型儲(chǔ)能建設(shè)中占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位，但它們的供電持續(xù)時(shí)間很少能超過 4 h。雖然鋰離子電池在技術(shù)上可以實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的放電，但是出于資源稀缺和安全性的考慮，將它用于長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的成本通常高于它的價(jià)值。
鈉硫電池已在全球范圍內(nèi)提供容量超過 540 MW/3780 MWh 的儲(chǔ)能系統(tǒng)，顯示了有效的調(diào)峰、負(fù)載均衡和節(jié)能減排的能力，被認(rèn)為是最有效的額定輸出 6 h 以上的長(zhǎng)時(shí)電化學(xué)儲(chǔ)能電池之一。同時(shí)，鈉硫電池具有模塊化擴(kuò)展的特性，有潛力提供 8 h 以上或更長(zhǎng)時(shí)的供電系統(tǒng)。意大利非凡蓄電池公司（FIAMM）生產(chǎn)的 ZEBRA 電池在歐洲的意大利、法國(guó)以及南美洲的圭亞那等地區(qū)部署了多個(gè)兆瓦級(jí)的儲(chǔ)能電站。這些電站的運(yùn)行情況證實(shí)用于大規(guī)模電化學(xué)儲(chǔ)能的高安全性鈉 – 氯化鎳電池技術(shù)已經(jīng)成熟。
四、儲(chǔ)能鈉電池的國(guó)內(nèi)外發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀
（一）鈉硫電池在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀
雖然鈉硫電池早期在國(guó)內(nèi)外航空航天和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域開展應(yīng)用示范，但是鈉硫電池的儲(chǔ)能商業(yè)化運(yùn)作始于 1983 年日本礙子株式會(huì)社（NGK 公司）和東京電力公司的合作，開發(fā)用于靜態(tài)能量存儲(chǔ)的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。2002 年，NGK 公司正式量產(chǎn)鈉硫電池，并通過東京電力公司開發(fā)儲(chǔ)能系統(tǒng)投入商業(yè)運(yùn)行，目前在全球運(yùn)行了超過 200 個(gè)儲(chǔ)能電站項(xiàng)目，4 GWh 以上的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。
然而， 2011 年 9 月，東京電力公司為三菱材料株式會(huì)社筑波廠安裝的鈉硫電池（NGK 生產(chǎn)）系統(tǒng)發(fā)生火災(zāi)，這一事件在一定程度上造成了業(yè)界對(duì)于鈉硫電池安全性的擔(dān)憂。其后，NGK 先對(duì)正在運(yùn)行的鈉硫電池電站的模組和系統(tǒng)進(jìn)行安全隱患維護(hù)，并對(duì)新生產(chǎn)的電池在電芯層面和模塊層面同時(shí)采取了多種提高安全保障的新措施。通過采取一系列應(yīng)對(duì)舉措后，從 2013 年開始，NGK 生產(chǎn)的鈉硫電池在日本、阿聯(lián)酋和歐洲等國(guó)家和地區(qū)持續(xù)有大型儲(chǔ)能項(xiàng)目上線。2016 年 3 月，NGK 公司和九州電力株式會(huì)社共同推出的 50 MW/300 MWh 鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)改善電力供需平衡的示范項(xiàng)目開始運(yùn)行，是當(dāng)時(shí)全球最大的大容量?jī)?chǔ)能電站（見圖 1a）。
2019 年，NGK 在阿布扎比酋長(zhǎng)國(guó)完成的一個(gè)項(xiàng)目使用了 108 MW/648 MWh 的鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，持續(xù)放電時(shí)間達(dá) 6 h。圖 1b 顯示的是應(yīng)用于意大利南部高壓電網(wǎng)的 34.8 MW 鈉硫電池儲(chǔ)能電站的局部照片。在意大利，鈉硫電池的電芯和模塊經(jīng)過了嚴(yán)謹(jǐn)?shù)娘L(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，包括內(nèi)源性短路和外源性火災(zāi)、地震、洪水、直接和間接閃電、蓄意破壞、高空墜落等濫用場(chǎng)景。評(píng)估結(jié)果顯示，經(jīng)過安全性提升的鈉硫電池技術(shù)具有較高的安全可靠性。
圖 1 鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng) / 電站的商業(yè)應(yīng)用實(shí)例
近些年，鈉硫電池技術(shù)在日本以外的其他國(guó)家也得到了應(yīng)用研究和推廣，包括美國(guó)、中國(guó)、韓國(guó)、瑞士等。2006 年，由中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所（SICCAS）與上海電力公司合作開展用于大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用的鈉硫電池研究。SICCAS 開發(fā)的 30 Ah 和 650 Ah 兩種規(guī)格鈉硫單體電池具有良好的循環(huán)穩(wěn)定性，壽命超過 1200 次。此后，一條年產(chǎn)能 2 MW 的 650 Ah 單電池中試生產(chǎn)線建成。2010 年上海世界博覽會(huì)期間，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所和上海電力公司合作，實(shí)現(xiàn)了 100 kW/800 kW 鈉硫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的并網(wǎng)運(yùn)行（見圖 1c）。2011 年 10 月，上海電氣集團(tuán)與中科院上海硅酸鹽研究所以及上海電力公司簽訂合資合同，成立上海電氣鈉硫儲(chǔ)能技術(shù)有限公司，開始鈉硫電池的產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。2015 年，上海鈉硫電池儲(chǔ)能技術(shù)有限公司在崇明島風(fēng)電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)了兆瓦時(shí)級(jí)的商業(yè)應(yīng)用示范（見圖 1d）。
中科院固體物理研究所近年也突破了 β-Al2O3 陶瓷的制備技術(shù)，掌握了陶瓷燒結(jié)、陶瓷玻璃封接、金屬與陶瓷連接等核心技術(shù)，目前處于鈉硫電池組研制的中試階段。除此之外，韓國(guó)浦項(xiàng)產(chǎn)業(yè)科學(xué)研究院（RIST）針對(duì)平板和管式鈉硫電池進(jìn)行較為系統(tǒng)的工程化開發(fā)。RIST 從 2005 年開始申請(qǐng)鈉硫電池材料與制造的專利，目前持有 53 項(xiàng)以上相關(guān)有效專利。
（二）鈉 – 金屬氯化物電池在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀
美國(guó)通用電氣有限公司于 2007 年購買了英國(guó) beta R & D 公司的 ZEBRA 電池技術(shù)，建立 “Durathon”電池品牌，經(jīng)過 11 年研發(fā)，投入資金超過 4 億美元。早期主要面向車用，圖 2a 為裝載 Durathon 動(dòng)力電池的礦車。目前 GE 在全球多個(gè)國(guó)家和地區(qū)的電網(wǎng)和電信領(lǐng)域運(yùn)行了總計(jì) 15 MW 以上、30 余個(gè) ZEBRA 電池儲(chǔ)能項(xiàng)目。圖 2d 分別為 Durathon 擴(kuò)展儲(chǔ)能系統(tǒng)。2017年1月，超威電池與 GE 開展技術(shù)合作，合資成立浙江綠能（安力）能源有限公司，進(jìn)軍國(guó)內(nèi)儲(chǔ)能電池市場(chǎng)。
2010年，與 GE 擁有同一技術(shù)源頭的 MESDEA 公司和 FIAMM 成立新公司 FZ SONICK SA，并推出了 SONICK 商標(biāo)的 ZEBRA 電池，主要應(yīng)用在電動(dòng)車、備用電源等領(lǐng)域。2015 年，F(xiàn)Z SONICK 的 ZEBRA 電池儲(chǔ)能解決方案被德國(guó)航空和運(yùn)輸領(lǐng)域的跨國(guó)公司龐巴迪公司選中，為 Innovia Monorail 300 平臺(tái)列車項(xiàng)目提供備用電源服務(wù)。圖 2b 和圖 2e 分別為 SONICK 電池應(yīng)用于微網(wǎng)儲(chǔ)能及其儲(chǔ)能單元的情況。FZ SONICK 還為薩沃納大學(xué)校園提供了智能電網(wǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)。
從2016年開始，德國(guó)弗勞恩霍夫陶瓷技術(shù)與系統(tǒng)研究所（IKTS）也在 ZEBRA 電池上持續(xù)投入。2019年3月，歐洲儲(chǔ)能展會(huì)上，IKTS 展示其最新開發(fā)的“Cerenergy” 陶瓷鈉 – 氯化鎳高溫電池。該型號(hào)的鈉鎳電池容量為5kWh，由 20 個(gè)單電池組成，每千瓦時(shí)成本將低于 100 歐元。2015年11月，作為 SunShot 聚光太陽能發(fā)電阿波羅計(jì)劃的子計(jì)劃，美國(guó)能源部提供猶他州鹽湖城 Ceramatec 公司和喬治亞技術(shù)研究所總計(jì) 234.878 萬美元經(jīng)費(fèi)支持，重點(diǎn)開發(fā)聚光太陽能高溫熔鹽鈉鹽蓄電模塊，預(yù)計(jì)實(shí)現(xiàn) 92% 以上的蓄電效率目標(biāo)。同時(shí)，美國(guó)西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在美國(guó)能源部支持下持續(xù)開展平板型鈉鹽電池的產(chǎn)業(yè)化研發(fā)。
在國(guó)內(nèi)，從2014 年開始，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所在前期鈉硫電池和鈉鎳電池的研發(fā)基礎(chǔ)上，開展鈉鎳電池產(chǎn)業(yè)化的推進(jìn)工作。2017 年，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所參股成立上海奧能瑞拉能源科技有限公司，開展鈉鎳電池產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。如圖 2c 和圖 2f，目前該公司已完成年產(chǎn)100MWh 的鈉鎳電池工廠的全線調(diào)試，進(jìn)入第一代產(chǎn)品的試生產(chǎn)階段。
圖 2 鈉 - 金屬氯化物電池儲(chǔ)能產(chǎn)品及其商業(yè)應(yīng)用實(shí)例
五、我國(guó)儲(chǔ)能鈉電池發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
儲(chǔ)能鈉電池在電力系統(tǒng)和電信系統(tǒng)具有極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，并得到全球儲(chǔ)能市場(chǎng)的普遍認(rèn)可，但是由于其技術(shù)難度大，目前儲(chǔ)能鈉電池的成熟技術(shù)在全球范圍內(nèi)僅由日本 NGK、美國(guó) GE、意大利 FIAMM 等幾家企業(yè)掌握，我國(guó)儲(chǔ)能鈉電池的發(fā)展還面臨以下諸多挑戰(zhàn)。
（一）儲(chǔ)能鈉電池技術(shù)幾乎被國(guó)外壟斷
近年來，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所在儲(chǔ)能鈉電池的相關(guān)領(lǐng)域開展了技術(shù)革新和示范應(yīng)用，基本掌握了鈉硫電池和鈉鎳電池的全套技術(shù)，形成了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的儲(chǔ)能鈉電池完整技術(shù)路線，但是總體而言，我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)儲(chǔ)能鈉電池的技術(shù)成熟度不高，規(guī)?；a(chǎn)設(shè)備需要高代價(jià)的定制，尚未形成儲(chǔ)能鈉電池的成熟產(chǎn)品體系。超威集團(tuán)引進(jìn)美國(guó) GE 的成熟技術(shù)，進(jìn)行儲(chǔ)能鈉電池國(guó)產(chǎn)化的嘗試也尚未在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)打開局面，根本原因是我國(guó)儲(chǔ)能鈉電池的發(fā)展目前仍然只能依賴和引進(jìn)日本和美國(guó)公司的技術(shù)，尚不具備獨(dú)立開發(fā)新一代儲(chǔ)能鈉電池的能力，技術(shù)革新的速度無法應(yīng)變市場(chǎng)的需求。
（二）儲(chǔ)能鈉電池上下游產(chǎn)業(yè)鏈供給不足導(dǎo)致高成本
儲(chǔ)能鈉電池的高溫技術(shù)瓶頸極大地限制了涉足儲(chǔ)能鈉電池開發(fā)的研究院所和企業(yè)的數(shù)量，導(dǎo)致儲(chǔ)能鈉電池在產(chǎn)業(yè)鏈的推動(dòng)上困難重重。經(jīng)過測(cè)算， 1 GWh 鈉 – 氯化鎳電池生產(chǎn)線上生產(chǎn)電池的成本約為 1050 元 / 度電，當(dāng)生產(chǎn)線產(chǎn)能提高至 10 GWh，電池成本可降至 800 元 / 度電以下。然而，目前儲(chǔ)能鈉電池的生產(chǎn)規(guī)模不足以帶動(dòng)上下游產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。NGK、GE 等公司同樣面臨電池成本偏高的困境。對(duì)我國(guó)而言，儲(chǔ)能鈉電池中鈉硫電池的含耐腐蝕涂層的集流體外殼等零部件、鈉 – 氯化鎳電池的關(guān)鍵原材料 T255 鎳粉（英國(guó) Inco 公司）還依賴進(jìn)口，國(guó)產(chǎn)化替代方案缺失。儲(chǔ)能鈉電池的中溫運(yùn)行環(huán)境對(duì)保溫箱等下游供應(yīng)的要求較高，但我國(guó)尚沒有類似產(chǎn)品開發(fā)。儲(chǔ)能鈉電池上下游產(chǎn)業(yè)鏈供給不足成為推動(dòng)儲(chǔ)能鈉電池技術(shù)發(fā)展和成本降低的一大障礙。
（三）儲(chǔ)能鈉電池的評(píng)估檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)和評(píng)估平臺(tái)缺失
1998 年，美國(guó)能源部國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室就鈉鹽電池的健康狀態(tài)、濫用安全特性和回收處理辦法出具了說明書式的研究報(bào)告。2017 年， FIAMM SoNick 公司根據(jù)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn) UL 9540A 對(duì) ZEBRA 電池產(chǎn)品進(jìn)行了安全性測(cè)試，從單芯、模組和電池單元架三個(gè)層面進(jìn)行了系統(tǒng)的安全性能評(píng)估。2018 年，電氣與電子工程師協(xié)會(huì)（IEEE）出臺(tái)了編號(hào)為 IEEE Std 1679.2—2018，標(biāo)題為“靜態(tài)儲(chǔ)能應(yīng)用中鈉 -beta 電池的表征和評(píng)估指導(dǎo)”的指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)為靜態(tài)儲(chǔ)能應(yīng)用的用戶評(píng)估鈉 -beta 電池的性能、安全性，以及進(jìn)行合格評(píng)估測(cè)試和監(jiān)管等問題提供了指導(dǎo)。這些研究報(bào)告和標(biāo)準(zhǔn)的建立很大程度上促進(jìn)了美國(guó)和歐洲等國(guó)家和地區(qū)儲(chǔ)能鈉電池的規(guī)范化和市場(chǎng)化。由于我國(guó)儲(chǔ)能鈉電池的產(chǎn)業(yè)化處于初級(jí)階段，相關(guān)評(píng)估檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)缺失，相應(yīng)的評(píng)估平臺(tái)和評(píng)估機(jī)構(gòu)尚不支持儲(chǔ)能鈉電池的性能和安全性評(píng)估，這也成為儲(chǔ)能鈉電池產(chǎn)業(yè)大步推進(jìn)的障礙之一。
六、對(duì)策建議
（一）支持儲(chǔ)能鈉電池相關(guān)材料科學(xué)的研發(fā)和工程化技術(shù)攻關(guān)
從國(guó)外的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)來看，儲(chǔ)能鈉電池最初的很多成果出自國(guó)家能源部門或能源用戶部門牽頭組織的應(yīng)用研發(fā)和技術(shù)攻關(guān)。2020 年 1 月，教育部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局聯(lián)合制定了《儲(chǔ)能技術(shù)專業(yè)學(xué)科發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃（2020—2024 年）》（簡(jiǎn)稱《行動(dòng)計(jì)劃》），旨在立足儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展重大需求，統(tǒng)籌整合高等教育資源，加快發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)學(xué)科專業(yè)，加快培養(yǎng)儲(chǔ)能領(lǐng)域“高精尖缺”人才，破解共性和瓶頸技術(shù)，增強(qiáng)產(chǎn)業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)攻關(guān)和自主創(chuàng)新能力，以產(chǎn)教融合發(fā)展推動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。
《行動(dòng)計(jì)劃》將為儲(chǔ)能行業(yè)的發(fā)展注入強(qiáng)大的動(dòng)力。提升我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)儲(chǔ)能鈉電池的技術(shù)成熟度同樣需要重視相關(guān)基礎(chǔ)材料的研發(fā)，更重要的是從戰(zhàn)略層面組織有研發(fā)基礎(chǔ)的優(yōu)質(zhì)企業(yè)和科研院所合作開展工程化技術(shù)攻關(guān)，提供相關(guān)項(xiàng)目支撐，集中精力解決儲(chǔ)能鈉電池中存在的“卡脖子”問題和推進(jìn)儲(chǔ)能鈉電池在國(guó)外經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上的升級(jí)換代，以期在短期內(nèi)實(shí)現(xiàn)我國(guó)儲(chǔ)能鈉電池技術(shù)體系的成熟化發(fā)展。
（二）推動(dòng)儲(chǔ)能鈉電池相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)的聚集發(fā)展
產(chǎn)業(yè)規(guī)模是儲(chǔ)能鈉電池發(fā)展的關(guān)鍵因素，形成一定體量的產(chǎn)業(yè)集群對(duì)于降低儲(chǔ)能鈉電池的制造成本，提高儲(chǔ)能鈉電池的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。在提升儲(chǔ)能鈉電池的技術(shù)成熟度的中后期，儲(chǔ)能鈉電池相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)的聚集發(fā)展是儲(chǔ)能鈉電池真正走向應(yīng)用市場(chǎng)的關(guān)鍵一環(huán)。引導(dǎo)社會(huì)資本，圍繞技術(shù)創(chuàng)新鏈布局產(chǎn)業(yè)鏈，加強(qiáng)技術(shù)、資本與產(chǎn)業(yè)的融合，通過產(chǎn)業(yè)鏈合作及協(xié)同，提高資源利用效率，提升儲(chǔ)能鈉電池的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。大型儲(chǔ)能鈉電池示范項(xiàng)目的規(guī)劃和實(shí)施是推動(dòng)相關(guān)上下游產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)契機(jī)，有望使我國(guó)儲(chǔ)能鈉電池的發(fā)展駛?cè)肓夹匝h(huán)的快速通道。
（三）建立健全儲(chǔ)能鈉電池的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及推動(dòng)高溫鈉電池評(píng)估平臺(tái)的建設(shè)
2018 年以來，國(guó)內(nèi)外頻發(fā)的起火事故給正在起步的儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)澆了一盆冷水，也讓儲(chǔ)能的安全問題成為輿論焦點(diǎn)。有業(yè)內(nèi)專家認(rèn)為，儲(chǔ)能事故并非是一個(gè)簡(jiǎn)單的技術(shù)問題，更多是標(biāo)準(zhǔn)的問題。標(biāo)準(zhǔn)是技術(shù)發(fā)展的總結(jié)，也需要政策法規(guī)從上而下的引導(dǎo)。國(guó)家能源局會(huì)同其他主管部門曾多次發(fā)文，力推儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)化工作，要求建立起較為系統(tǒng)的儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系。
儲(chǔ)能鈉電池作為新型的儲(chǔ)能技術(shù)，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)缺失的問題尤為突出，迫切需要建立健全相關(guān)檢測(cè)和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。如果我國(guó)以出臺(tái)儲(chǔ)能鈉電池的相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，甚至能夠出臺(tái)發(fā)布國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，相信能在很大程度上推動(dòng)儲(chǔ)能鈉電池的商業(yè)化發(fā)展。認(rèn)證機(jī)構(gòu)基于相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)可以推動(dòng)高溫鈉電池評(píng)估平臺(tái)的建設(shè)，從而從政策上督促儲(chǔ)能鈉電池開發(fā)市場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，為其大規(guī)模應(yīng)用、順利與應(yīng)用市場(chǎng)接軌打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。
