梅 簡1，張 杰1，劉雙宇2，裘呂超1
（1.國網浙江省電力有限公司電力科學研究院，杭州 310014；2.全球能源互聯(lián)網研究院有限公司，北京 102209）
本文引文信息：梅簡,張杰,劉雙宇,裘呂超.電池儲能技術發(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、電動汽車及新興儲能產業(yè)的大力推動，多類型儲能技術于近年來取得長足進步。除了早已商業(yè)化應用的抽水蓄能及洞穴式壓縮空氣儲能技術，以鋰離子電池為首的電池儲能技術在源網荷側已初具商業(yè)應用潛力[1-2]。
電池儲能技術利用電能和化學能之間的轉換實現(xiàn)電能的存儲和輸出，不僅具有快速響應和雙向調節(jié)的技術特點，還具有環(huán)境適應性強、小型分散配置且建設周期短的技術優(yōu)點，顛覆了源網荷的傳統(tǒng)概念，打破了電力發(fā)輸配用各環(huán)節(jié)同時完成的固有屬性，可在電力系統(tǒng)電源側、電網側、用戶側承擔不同的角色，發(fā)揮不同的作用[3-4]。截至2018 年底，全球電池儲能技術裝機規(guī)模6 058.9 MW，其中，中國裝機規(guī)模1 033.7 MW，美國、中國、韓國排名前三位。
本文結合產業(yè)發(fā)展實際，剖析主要電池儲能技術水平、市場應用、問題與挑戰(zhàn)以及未來發(fā)展趨勢，為電池儲能技術發(fā)展提供多維度視角及基礎數(shù)據(jù)。
1 典型電池儲能技術
電池儲能技術主要包括鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池、鈉基電池和其它類型電池儲能技術，細分技術如圖1 所示。
圖1 已商用或示范電池儲能技術分類
1.1 鉛蓄電池
應用于儲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)鉛酸電池基礎上對負極材料進行了電容式改進[5]，結合了鉛酸電池和超級電容器兩者的優(yōu)勢，由于加了碳材料，阻止了負極硫酸鹽化現(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，鉛蓄電池在儲能領域的應用多數(shù)以度電成本更低的鉛炭電池為主，尤其是針對工商業(yè)峰谷電價差較高的江蘇、廣東、北京等地已初步具備商業(yè)化應用的條件。
1.2 鋰離子電池
應用于儲能工程的鋰離子電池種類繁多，包括2011—2015 年投運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、安全性角度來說，磷酸鐵鋰無疑是儲能領域綜合特性最為優(yōu)異的鋰離子電池儲能體系，廣泛應用于電力系統(tǒng)發(fā)輸配用的各個環(huán)節(jié)[6]。磷酸鐵鋰電池具有穩(wěn)定性高、循環(huán)壽命長等優(yōu)點，是國內電力儲能系統(tǒng)的熱門及應用最多的鋰離子電池技術，儲能用磷酸鐵鋰電池能量密度120～150 Wh/kg，系統(tǒng)能量轉換效率85%～88%，小倍率充放電循環(huán)壽命3 500～5 000 次，儲能系統(tǒng)投資成本1 600～2 000元/kWh，度電成本0.7～1.0 元/kWh。近年來，受磷酸鐵鋰成本下降及綜合性能提升的影響，該技術被廣泛應用在電力系統(tǒng)發(fā)輸配用各個環(huán)節(jié)。
1.3 鈉基電池
應用于儲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，是高溫運行儲能體系中發(fā)展最成熟的儲能技術（350～400 ℃）。以日本NGK 為首的產業(yè)公司于2015 年之前在日本、美國、阿聯(lián)酋、德國、意大利、法國等國家實施建設了超過430 MW 的儲能項目。2011 年9 月設置于日本茨城縣三菱材料筑波制作所內的鈉硫電池（NGK 產品）起火引發(fā)火災，歷時2 周之久。而且鈉硫電池固態(tài)陶瓷電解質核心技術門檻過高，核心知識產權主要掌握在日本NGK 等少數(shù)企業(yè)當中，知識產權封鎖嚴重，產業(yè)推動緩慢，市場應用于近年來停滯不前。鈉鎳電池是相對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等產業(yè)公司于2011—2014 年在美國、意大利等國家實施建設了共計約19 MW 的儲能項目。水系鈉離子電池是以水溶液為電解液的室溫電池儲能體系，美國Aquion Energy 公司于2013 年開始將其產品逐步推廣至小容量分布式及微網儲能市場，2017 年中國泰坦能源科技集團收購了Aquion Energy 公司，業(yè)務轉向中國。近年來，受全球新興儲能市場的帶動，高安全、潛在低成本、環(huán)境友好型水基儲能體系備受關注，中國泰坦能源科技集團、中國恩力能源科技有限公司的水系離子電池儲能產品進入市場[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入電池模塊攻堅階段，寧德時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汽車動力鋰電池服役至初始容量80%后退役的鋰離子電池，退役后通過分選、重組、集成，在部分儲能應用領域具備再利用價值。
目前，我國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)模應用，三元鋰電池也將逐步進入梯次利用市場。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測性，梯次利用鋰電池的集成設計難度較大，其應用多以小型分散式應用場景為主，如通信基站備用電源、終端削峰填谷、小型光伏配置儲能等。
1.5 其它類型電池
除上述電池儲能技術，還包括超級電容器、鎳基電池以及鋅空氣電池。超級電容器屬功率型儲能技術，在調頻兼容量型儲能需求主導的應用場景中，超級電容器較低的能量密度及較短的充放電時間限制了其在儲能領域的應用[10]。鋅空氣電池是現(xiàn)階段唯一一類應用于儲能工程的空氣電池儲能技術[11]，典型產業(yè)公司如EOS Energy Storage 和Fluidic Energy。鋅空氣電池基本以大于2 h率的能量型產品為主。據(jù)報道，1 MWh 儲能系統(tǒng)成本約200 $/kWh（約合1371 元/kWh），與鉛炭電池儲能系統(tǒng)相當。目前來看，鋅空氣電池的缺點是系統(tǒng)設計過于復雜，產品生產自動化程度較低，系統(tǒng)效率仍然偏低（低于75%）。
2 電池儲能技術特性
在電池儲能技術特性方面，受產業(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)勢突出，鉛炭電池[12]、全釩液流電池及梯次利用鋰電池特定場景下具備競爭力[13]。鉛酸電池服役壽命過短、鈦酸鋰電池一次性投資成本過高、鈉硫電池安全問題突出且技術進步緩慢、超級電容器能量成本過高，后幾類技術現(xiàn)階段市場競爭力不足。
（1）產業(yè)規(guī)模決定了儲能綜合技術參數(shù)提升速度。
產業(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。消費類、交通類鋰離子電池產業(yè)體量能夠很好支撐鋰離子電池儲能市場的發(fā)展，近年來磷酸鐵鋰及三元鋰電池的快速進步正是得益于此；與之相比，曾經發(fā)展勢頭良好的高溫鈉硫電池因技術門檻較高、儲能企業(yè)參與度不夠導致技術進步緩慢，已逐步淡出儲能市場。
如圖2 所示，鋰離子電池儲能系統(tǒng)供應商數(shù)量遙遙領先于其它電池儲能技術，高達110 家，考慮到每個儲能工程項目還涉及儲能電池、電源管理系統(tǒng)、儲能變流器、消防裝備、監(jiān)控裝備等核心裝備，全套供應商體系極其龐大。而且，伴隨著儲能市場的逐步釋放，將會有更大體量的產業(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 電池儲能項目各類技術供應商數(shù)量
（2）系統(tǒng)成本關乎項目投資回報期及其利潤空間。
儲能系統(tǒng)成本有2 個核心參數(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用場景下，一次性投資成本越低，投資回報期越短，全壽命周期度電成本越低，利潤空間越大。
一次性投資成本指初始設備總投資，對于電池儲能系統(tǒng)來說，包含儲能變流器、電源管理系統(tǒng)、儲能電池、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，為各類技術最低。磷酸鐵鋰和三元鋰電池受電動汽車產業(yè)的推動，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)供應商出廠成本約1 800 元/kWh，見圖3。
圖3 電池儲能系統(tǒng)一次性投資成本
不考慮運營維護成本的前提下，全壽命周期度電成本=全壽命周期內設備總投資/全壽命周期內可存儲電量=[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)/儲能逆變器效率/電池充放電效率[14-15]?；诟黝愲姵貎δ芗夹g的循環(huán)壽命（見圖4）及能量轉換效率，可計算獲得電池儲能技術的全壽命周期度電成本（見圖5），國內市場中應用較多的鉛炭電池、磷酸鐵鋰、三元鋰電池和全釩液流電池四類儲能技術中，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格影響，2018 年成本略有增長。
（3）能量及功率特性決定占地空間及其適用場景。
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），在對占地空間要求較高的電網側儲能（一般占用變電站空間）、用戶側儲能，除了針對應用場景選擇合適的儲能技術，能量密度對標占地空間也至關重要?；跇I(yè)內共識，40 尺集裝箱作為標準，三元鋰電池系統(tǒng)能量最高可達4 MWh，磷酸鐵鋰在2～3 MWh，鉛炭電池在1.0～1.5 MWh，個別企業(yè)也可以做到約2 MWh。
圖4 電池儲能系統(tǒng)循環(huán)壽命
圖5 電池儲能系統(tǒng)全生命周期度電成本
功率特性方面，電化學儲能啟動及響應速度都在ms～s 級，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（放電時長3 h 及以上）的應用場景，主要應用于工商業(yè)削峰填谷、備用電源等領域。全釩液流電池一般適用于2.5 h 率及以上的應用場景，主要應用于集中式可再生能源并網、大規(guī)模調峰。鋰離子電池應用跨度較大，覆蓋電源側、電網側、用戶側，尤其在電源側調頻、電網側儲能等領域優(yōu)勢顯著。
（4）服役特性決定儲能系統(tǒng)安全性及其運維難易。
儲能技術服役安全性方面，鋰離子電池采用有機易燃燒電解液、電池單體一致性較差、熱失控引起的電站安全問題需要引起重視，運維難度相對較大。鉛炭電池、全釩液流電池屬水性電池范疇，安全性相對較好。
（5）可回收性決定其環(huán)境影響并需要納入成本評估。
鉛蓄電池回收體系最為完善，鉛回收價值高，一般占電池投資成本的20%。鋰離子電池因其結構復雜，可回收性較差，現(xiàn)階段應用廣泛的磷酸鐵鋰電池幾乎不包含昂貴金屬，回收價值基本處于負值。其它類型電池儲能技術因應用規(guī)模較小，尚不存在回收需求。
3 電池儲能技術市場
截至2019 年6 月底，全球電池儲能裝機7 427.5 MW，占全球儲能市場的4.1%。中國電池儲能裝機1 160.8 MW。其中，鋰離子電池裝機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、鈉基電池等大類技術的細分技術工程項目小時率分析結果見圖6。
圖6 近3 年投運電池儲能項目不同技術類型小時率
其中，鉛蓄電池以能量型應用為主，尤其是4～8 h 小時率的工程項目較多，僅有2 個項目小時率低于2 h。液流電池和鈉基電池都以能量型應用為主，液流電池儲能項目小時率都在4 h 以上。鋰離子電池儲能體系既有能量型應用又有功率型應用，磷酸鐵鋰、三元鋰電池儲能體系工程應用覆蓋面較廣，鈦酸鋰電池基本以0.5 h 小時率及以下的功率型應用為主。
近3 年間，電池儲能項目累積增長迅速。對大類儲能技術近3 年投運儲能項目進行統(tǒng)計分析，結果見圖7。液流電池、鈉基電池以及其它類型電池技術增長緩慢，尤其是裝機體量較大的鈉硫電池鮮有增長。鉛蓄電池和鋰離子電池增長較快，尤其是鋰離子電池，2016，2017 及2018年環(huán)比增長率分別為87%，79.2%和77.5%。
圖7 近3 年投運電池儲能項目裝機規(guī)模累計增長
4 問題與挑戰(zhàn)
4.1 技術經濟性制約
除抽水蓄能外，其它類型儲能技術成本仍然較為昂貴。非抽水蓄能技術成本較高是制約儲能產業(yè)規(guī)?；l(fā)展的關鍵因素。當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。電化學儲能技術中經濟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。未來低成本長壽命儲能專用電池將是技術研發(fā)和市場應用主流。
4.2 技術性能局限性
不同類型儲能技術的特征參數(shù)性能存在短板效應。抽水蓄能選址受限、建設周期長、啟動及響應速度慢、能量轉換效率較低；電化學儲能功率等級較低、持續(xù)放電時間短、服役年限尚短，且部分技術存在環(huán)境污染風險；傳統(tǒng)洞穴式壓縮空氣儲能技術對化石燃料依賴度高且對儲氣洞穴有較高要求，新型壓縮空氣儲能技術效率低（一般50%），使用壽命短，高壓密封對裝備質量要求高，運維成本高；飛輪儲能放電時間短，只可持續(xù)幾秒至分鐘級，具有一定自放電現(xiàn)象，高速旋轉軸承嚴重依賴進口，“快速-慢速”的調頻切換模式將導致電機系統(tǒng)發(fā)熱嚴重，存在安全隱患。氫儲能及其它新型儲能技術尚處于起步階段。
4.3 場景適應性局限
儲能應用場景多樣，針對特定應用場景的本體技術開發(fā)布局較少。不同應用場景對儲能技術要求不同，各類儲能技術性能短板決定其應用局限性。抽水蓄能主要適用于跨區(qū)域的大電網調峰、長時調頻；雖然電化學儲能在近年來綜合特性指標提升很大，但循環(huán)壽命、功率等級等技術指標表現(xiàn)仍與電力系統(tǒng)元件長壽命、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景中得到大規(guī)模應用。同時，針對特定場景的本體技術定制化設計考慮較少，現(xiàn)階段仍是動力電池的移植應用，針對不同應用領域的功率型和能量型產品都需定制開發(fā)，以保證應用效益最大化。
4.4 本體安全性制約
鋰離子電池熱失控安全風險較為突出，其它類型電化學儲能技術也存在一定的安全風險。電化學儲能電池管理不當存在火災或爆炸風險。鋰離子電池、鈉硫電池等儲能電站都發(fā)生過較為嚴重的起火爆炸事故，嚴重影響政府、產業(yè)界及民眾對儲能產業(yè)的信任度，極大制約儲能產業(yè)健康發(fā)展。本體技術內部安全可控和系統(tǒng)級別安全管理是解決電化學儲能電站安全問題的主要方向。
4.5 環(huán)境負荷性挑戰(zhàn)
電化學儲能技術包含一定有毒有害物質、高成本元素，有毒有害物質的管控及高成本元素的回收具有挑戰(zhàn)性。電化學儲能電池有害物質可能會通過燃燒、泄漏等方式在運行過程中對環(huán)境造成污染。同時，退役儲能電池若處置不當會對環(huán)境造成威脅。此外，含有高附加值元素的退役儲能電池回收對資源的循環(huán)利用也至關重要。但由于電池結構過于復雜，回收效率低、產線設計困難、回收經濟性較差等問題將制約未來儲能電池回收產業(yè)的發(fā)展。
5 結語
中國電池儲能技術短期內預計將以磷酸鐵鋰電池、鉛炭電池和全釩液流電池為主。磷酸鐵鋰電池主要應用于電源側調頻、電網側儲能、“風電+儲能”等領域，并逐步向其它應用領域拓展，隨著儲能成本的降低、多重應用價值的陸續(xù)體現(xiàn)，磷酸鐵鋰電池儲能市場空間將會進一步擴大；鉛炭電池將在工商業(yè)削峰填谷、“光伏+儲能”等領域擴大應用，并將持續(xù)提升服役壽命，降低度電成本；全釩液流電池儲能示范工程規(guī)劃斷斷續(xù)續(xù)，受原材料價格影響，大型全釩液流電池儲能電站工程建設推進速度很慢，極有可能因此錯過關鍵成長及發(fā)展期；電動汽車退役鋰電池預計將在2020 年之后進入爆發(fā)期，梯次利用鋰電池的市場定位一直模糊不清，電站規(guī)模、應用場景、運行安全等方面都亟待研究，尚有大量工作待解決。
未來，電池儲能產品將朝著大容量、大型化、定制化、安全性、易回收、適應性、數(shù)字化方向發(fā)展。
（1）大容量。在同等規(guī)模下，儲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)電側和電網側單個儲能電站規(guī)模過小對電力系統(tǒng)作用微乎其微。目前，電力系統(tǒng)內大量分散式小型儲能電站（單個電站規(guī)模多數(shù)在30 MW 以內）投運的主要意義是驗證儲能系統(tǒng)的經濟性、可靠性、電網適應性等。未來，配置靈活的電化學儲能技術若想在電力系統(tǒng)中發(fā)揮更大的作用并逐步占據(jù)主導地位，大型化是必經之路。自2016 年開始，全球電化學儲能項目大型化趨勢愈加明顯，截至目前，已投運5 座單個大于50 MW 的儲能電站，分別分布在德國、日本、澳大利亞和中國，其中澳大利亞有2 座規(guī)模達100 MW。在建及規(guī)劃中的儲能項目，超過100 MW 的儲能電站共21 座，其中美國4 座、日本1 座、韓國2 座、英國1 座、德國3 座、澳大利亞6 座、中國3 座、愛爾蘭1 座。隨著電化學儲能在實踐中逐漸證明其經濟性和可靠性，未來將會建設更多更大規(guī)模的電化學儲能電站，在源網荷側發(fā)揮更大的作用。
（3）定制化。以綜合特性優(yōu)異的鋰離子電池為主的電化學儲能技術定制化需求將日益增加。2017—2018 年儲能電站運行表現(xiàn)來看，動力鋰電池顯然無法滿足電力儲能應用要求，需針對不同應用場景定制開發(fā)不同小時率的儲能產品。按照中國儲能市場現(xiàn)狀，需定制開發(fā)大于等于2C 倍率運行的電源側調頻儲能產品、2C～0.25C 的電網側儲能產品、小于等于0.25C 的用戶側儲能產品以及寬倍率運行要求的新能源+儲能混合型產品。而且，伴隨著配用側電力市場化的逐步深入，電力價格波動會愈加頻繁，跟蹤峰谷波動調節(jié)出力的儲能產品將逐步成為市場主流。
（4）安全性。標準化儲能集裝箱是未來電化學儲能電站的主要應用形式，集裝箱內部電池一般需經過3 個層次的堆疊，分別是模塊、pack 和電池簇，電池在時間和空間尺度上的運行差異會越來越明顯，從電池本體角度加強電池安全研究，避免電池熱失控造成起火及爆炸事故，意義重大。另外，其它核心器件的本體安全（電源管理系統(tǒng)、儲能變流器等）及相互之間的電氣安全也至關重要。需要從集裝箱內部熱管理、熱失控隔離、電池單體篩選、電源管理系統(tǒng)主動均衡、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能電站的安全性。
（5）易回收。隨著儲能電站規(guī)模的日益增加，退役后儲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，結構設計復雜，自動化回收生產線設計難度大，回收收益不具備吸引力。從電池本體設計出發(fā)，研制易回收的儲能電池體系將是未來重要方向。
（6）適應性。適應性主要指電網適應性和環(huán)境適應性。電網適應性方面，需要通過儲能變流系統(tǒng)的快速控制，使儲能電站對外呈現(xiàn)虛擬同步發(fā)電機特性，從而實現(xiàn)儲能的友好接入；同時，系統(tǒng)具備高/低電壓穿越、高/低頻穿越及弱網適應等功能，要具備電網多種異常工況下不脫網，對系統(tǒng)進行持續(xù)支撐的能力。環(huán)境適應性方面，噪音和污染是儲能電站可能存在的會對環(huán)境造成負面影響的2 個方面，建設在居民區(qū)附近的儲能電站需做好降噪音方案。電站設計上還要考慮起火以及泄露對環(huán)境的可能污染。
（7）數(shù)字化。儲能產品全生命周期數(shù)字化信息既可以向上為電網調度及監(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：（略）
DOI:10.19585/j.zjdl.202003012
