能源是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎，是國民經(jīng)濟、國家安全和實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要基石。隨著人類社會的發(fā)展，人類對能源的需求日益增加，但是生態(tài)環(huán)境不斷惡化，特別是溫室氣體排放導致日益嚴峻的全球氣候變化，近幾年這一矛盾更加嚴峻。目前，我國已成為世界能源生產(chǎn)和消費大國，我國對能源的需求在持續(xù)增長，因此，調(diào)整能源結構已迫在眉睫：一方面要開發(fā)新的能源來滿足需求，另一方面我們要合理有效地利用可再生能源。
可再生能源包括：風能、太陽能、生物質(zhì)能、海洋能及小水電等，是一次能源，通常被轉化為電能使用。在開發(fā)利用可再生能源的過程中，電能儲存技術發(fā)揮著重要的作用。眾所周知，風能和太陽能在使用過程中存在不連續(xù)、不穩(wěn)定性，需要經(jīng)過儲能系統(tǒng)穩(wěn)定后再入網(wǎng)，同時采用離網(wǎng)發(fā)電模式的風力發(fā)電機組，儲能系統(tǒng)也是必不可少的；另一方面，在能源的使用過程中存在使用不均衡現(xiàn)象，儲能系統(tǒng)可以用于電網(wǎng)的“削峰填谷”，從而提高能源的利用率。為了推進可再生能源發(fā)電的大規(guī)模利用，提高替代能源電站的效率以及維護國家能源的安全，研究儲能技術具有重要的經(jīng)濟和社會意義。工業(yè)發(fā)達國家高度重視大規(guī)模儲能系統(tǒng)的研究和開發(fā)，例如日本政府的“新陽光計劃”、美國的“DOE項目計劃”以及歐盟的“框架計劃”等都將儲能技術作為研究重點。我國對儲能技術的開發(fā)也十分重視，高效能源轉換與儲能技術已列為未來國家火炬計劃優(yōu)先發(fā)展技術領域，中國儲能電池產(chǎn)學研技術創(chuàng)新聯(lián)盟已于2009年11月成立。此外，根據(jù)國家經(jīng)濟貿(mào)易委員會下達的《2000-2015年新能源和可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃要點》，到2015年，小型風力發(fā)電機組年生產(chǎn)能力達到5萬臺，總產(chǎn)量累計將達到34萬臺，總裝機容量為10.5萬kW，總產(chǎn)值約9億元，其中儲能系統(tǒng)的銷售額應過億元，必將拉動儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
在強大的社會發(fā)展需求和巨大的潛在市場推動下，基于新概念、新材料和新技術的儲能新體系不斷涌現(xiàn)。儲能技術正向大規(guī)模、高效率、長壽命、低成本、無污染的方向發(fā)展。
一、儲能技術的分類及發(fā)展趨勢
到目前為止，針對不同的領域、不同的需求，人們已提出和開發(fā)了多種儲能技術來滿足應用。全球儲能技術主要有物理儲能、化學儲能（如鈉硫電池、全釩液流電池、鉛酸電池、鋰離子電池、超級電容器等）、電磁儲能和相變儲能等幾類。
1.物理儲能
物理儲能技術主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等。相比化學儲能來說，物理儲能更加環(huán)保、綠色，利用天然的資源來實現(xiàn)。抽水蓄能電站(PSH,PumpedStorageHydroelectricity)是通過配備上、下游兩個水庫，負荷低谷時設備工作在電動機狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，而負荷高峰時設備工作于發(fā)電機的狀態(tài)，利用儲存在上游水庫中的水發(fā)電，見圖1。由于技術成熟，抽水儲能電站已成為電力系統(tǒng)中應用最為廣泛的儲能技術，目前我國在建的抽水蓄能電站裝機約11400MW，預計至2010年底抽水蓄能電站的總裝機可到17500MW左右。
壓縮空氣蓄能電站(CAES,CompressedAirEnergyStorage)是一種調(diào)峰用燃氣輪機發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在典型儲氣壓力為7.5MPa的高壓密封設施內(nèi)，在用電高峰釋放出來驅(qū)動燃氣輪機發(fā)電。世界上第一個商業(yè)化CAES電站是1978年在德國建造的Huntdorf電站，裝機容量為290MW，換能效率77%，運行至今，累計啟動超過7000次，主要用于熱備用和平滑負荷。和抽水蓄能電站相比，CAES電站選址靈活，它不需建造地面水庫，地形條件容易滿足，目前壓縮空氣蓄能電站已經(jīng)在一些發(fā)達國家得到廣泛應用。
飛輪儲能(FW,FlyWheels)，是通過機械能和電能的相互轉化來實現(xiàn)充放電。它是以高速旋轉的飛輪鐵芯作為機械能量儲存的介質(zhì)，利用電動/發(fā)電機和能量轉換控制系統(tǒng)來控制能量的輸入和輸出。飛輪儲能對制作飛輪的原材料和技術要求很高，直到20世紀90年代才得以飛速發(fā)展，用于不間斷電源(UPS)/應急電源(EPS)、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制等領域。我國在這方面的研究才剛剛起步。
物理儲能如抽水蓄能、壓縮空氣儲能具有規(guī)模大、循環(huán)壽命長和運行費用低等優(yōu)點，但是需要特殊的地理條件和場地，建設的局限性較大，且一次性投資費用較高，不適合較小功率的離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。從發(fā)展水平及實用角度來看，化學儲能比物理儲能具有更廣闊的應用前景。
2.化學儲能—鋰離子電池儲能是目前最可行的技術路線
鉛酸電池是最老的也是最成熟的化學儲能方法，已有100多年的歷史，廣泛用于汽車啟動電源、電動自行車或摩托車動力電源、備用電源和照明電源等。鉛酸電池電極主要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液。充電時，正極主要成分為二氧化鉛，負極主要成分為鉛；放電時，正負極的主要成分均為硫酸鉛。鉛酸電池可靠性好、原材料易得、價格便宜，但是其最佳充電電流為0.1C左右，充電電流不能大于0.3C，放電電流一般要求在0.05～3C之間，很難滿足功率和容量同時兼顧的大規(guī)模蓄電要求。同時，鉛酸電池不可深度充放電，100%放電條件下對電池的壽命影響非常大（滿充放電條件下電池的循環(huán)壽命不足300次），并且充電末期水會分解為氫氣、氧氣體析出，需經(jīng)常加酸、加水，維護工作繁重，因此不適合在智能電網(wǎng)領域應用。
目前可以應用于智能電網(wǎng)領域的化學電源主要有鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池。
鈉硫電池(NaS)是美國福特(Ford)公司于1967年首先發(fā)明公布的，它以金屬鈉為負極，硫為正極，陶瓷管為電解質(zhì)隔膜。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，形成能量的釋放和儲存，見圖2。鈉硫電池比能量高（理論比能量高達760Wh/kg）、可大電流充放電、使用壽命長（10～15年），是目前較經(jīng)濟實用的儲能方法之一，主要應用目標是電站負荷調(diào)平、UPS應急電源及瞬間補償電源等領域。目前鈉硫電池技術領先的國家是日本，截至2007，日本年產(chǎn)鈉硫電池已超過100MW。2008年，日本二又風力發(fā)電站導入了NGK公司的17臺鈉硫電池系統(tǒng)，蓄電能力34MW，成功地抑制了最大功率為51MW的風力發(fā)電設備的功率變動，實現(xiàn)了計劃性地進行功率輸出，為實現(xiàn)風電的并網(wǎng)發(fā)電提供了基礎。2009年，我國上海硅酸鹽研究所成功研制了100kW級關鍵技術，成為繼日本之后世界上第二個掌握大容量鈉硫單體電池核心技術的國家，所開發(fā)的鈉硫電池如圖3所示。但是鈉硫電池需要高溫350℃熔解硫和鈉，需要附加供熱設備來維持溫度，同時過度充電時很危險，因此在安全性和免維護性方面存在不足。
全釩液流電池的研究始于1984年澳大利亞新南威爾士大學的Skyllas-kazacos研究小組，它是一種基于金屬釩元素的氧化還原可再生燃料電池儲能系統(tǒng)，其工作原理示意圖見圖4。液流電池采用質(zhì)子交換膜作為電池組的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學反應，通過雙電極板收集和傳導電流使儲存在溶液中的化學能轉換成電能。液流儲能電池系統(tǒng)的額定功率和額定容量相互獨立，功率大小取決于電池堆，容量大小取決于電解液，可以通過增加電解液的量或提高電解質(zhì)的濃度來實現(xiàn)增加電池容量，通過更換電解液實現(xiàn)“瞬間再充電”。液流電池的理論保存期無限，儲存壽命長，無自放電，能100%深度放電而不會損壞電池。這些特點使得液流電池成為儲能技術的首選技術之一。目前液流儲能技術已在美國、德國、日本和英國等發(fā)達國家示范性應用，我國目前尚處于研究開發(fā)階段。全釩液流電池的難點在于通常使用的總釩離子濃度低于2mol/L，導致比能量只有25～35Wh/kg，電解液儲槽大、較難管理，而且正極液中的五價釩在靜置或溫度高于45℃的情況下易析出五氧化二釩沉淀，影響電池的使用壽命。
相比較而言，鋰離子電池儲能則是目前儲能產(chǎn)品開發(fā)中最可行的技術路線。鋰離子電池具有能量密度大、自放電小、沒有記憶效應、工作溫度范圍寬、可快速充放電、使用壽命長、沒有環(huán)境污染等優(yōu)點，被稱為綠色電池。表1是鉛酸電池、鈉硫電池、液流電池和以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池的比較，可以看出，鉛酸電池的使用壽命較短，鈉硫電池的不足在于工作溫度較高，液流電池的能量密度較低，而以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池則顯示出綜合的性能優(yōu)勢。圖5是以鈦酸鋰為負極的鋰離子電池工作原理示意圖。
由于鈦酸鋰為零應變材料，可以避免由于電極材料的來回伸縮而導致結構破壞，從而大幅度提高了鋰離子動力電池的使用壽命；并且由于鈦酸鋰具有較高的工作電位，即使過充電也很難在負極上形成鋰枝晶，從而大大提高了鋰離子動力電池的安全性。這些改進使得鋰離子動力電池在儲能領域的應用成為可能，目前以鈦酸鋰為負極的鋰離子動力電池儲能技術正成為國內(nèi)外競相開發(fā)的熱點。2008年，美國Altairnano公司開發(fā)出1MW鈦酸鋰儲能電池系統(tǒng)，經(jīng)試運行表明可以輸出250kWh的能量，能量轉換效率大于90%。2010年，日本東芝(Toshiba)在年度經(jīng)營方針會上宣布將采用鈦酸鋰負極材料開發(fā)儲能用超級鋰電池（SCiB），憑借高功率SCiB鈦酸鋰電池的成功商業(yè)化，預計東芝的SCiB儲能電池將會很快面向市場。國內(nèi)中信國安盟固利動力科技有限公司經(jīng)過5年的技術開發(fā)，于2010年開發(fā)出了儲能領域應用的35Ah電池，
該電池循環(huán)壽命已接近8000次，可以5C倍率充放電，安全性能優(yōu)異，目前該公司正在與合作單位共同開發(fā)兆瓦級儲能系統(tǒng)，預計該產(chǎn)品2011年可以面向市場銷售。
除了以鈦酸鋰為負極的鋰離子動力電池可以應用在儲能領域外，隨著磷酸鐵鋰正極材料的應用，傳統(tǒng)的碳負極鋰離子動力電池的壽命和安全性也得到較大提高，也可應用于儲能領域。2010年索尼推出了1.2kWh磷酸鐵鋰儲能電池模塊，具有最大2.5kW的輸出功率。但是目前磷酸鐵鋰電池還存在較嚴重的一致性問題，即使單體電池壽命可以達到2000次以上，電池成組后的壽命會大打折扣，并且磷酸鐵鋰材料的核心專利掌握在一些國際大公司手中，磷酸鐵鋰電池的生產(chǎn)將面臨專利糾紛問題。因此，目前鋰離子儲能電池產(chǎn)品中采用鈦酸鋰鋰離子電池進行儲能應該是最可行的技術路線。
3.其它儲能技術
超導電磁儲能是把電能轉化為磁能儲存在超導線圈的磁場中，通過電磁相互轉換實現(xiàn)儲能裝置的充電和放電。由于超導狀態(tài)下線圈沒有電阻，因此超導儲能的能量損耗非常小。但由于超導狀態(tài)要求線圈處于極低溫度下才能實現(xiàn)，而低溫需耗費大量能源，且不易小型化，所以該項技術正處于研究開發(fā)階段。
相變儲能是利用某些物質(zhì)在特定溫度下，通過相變來吸收或釋放能量，如冰蓄冷、水蓄熱儲能，可以應用于中央空調(diào)等領域，是一種新興的儲能技術。
二、儲能技術的市場前景—鋰離子電池將成理想選擇
據(jù)中國可再生能源學會風能專業(yè)委員會數(shù)據(jù)，2009年中國（不含臺灣省）累計風電裝機容量25805.3MW。那么，按國電的研究計算，我國儲能行業(yè)就蘊藏著約5161～7742MW的市場。到2020年，我國風電和太陽能裝機容量都將達到千萬千瓦級別，儲能電池的市場將達到700億元人民幣，儲能產(chǎn)品將成為未來最值得投資與資金最富集的市場領域。
鋰離子電池是近10年高技術研究的最重要成果之一，代表著化學電源發(fā)展的最先進水平。由于這一新體系兼具高比能量、長循環(huán)壽命以及環(huán)境友好等顯著優(yōu)勢，現(xiàn)已成為各類先進便攜式電子產(chǎn)品的主要配套電源，在移動場合具有絕對的優(yōu)勢，目前鋰離子電池的全球年需求量已達13億只，擁有每年270億美元的銷售額，毫無疑問是充電電池市場的主導者之一。隨著鋰離子電池新材料的研發(fā)、電池制作技術的創(chuàng)新以及眾多科研機構和企業(yè)的參與，鋰離子電池的性能正日益提高，電池成本日益降低，電池的安全性能也得到極大提高，鋰離子電池在電動汽車領域正逐步顯示出應用優(yōu)勢。日本富士經(jīng)濟認為，鋰離子電池將在2011年開始逐步取代鎳氫電池，鋰離子電池作為未來的主流技術路線不容置疑。隨著納米鈦酸鋰、納米磷酸鐵鋰等新材料的開發(fā)與應用，鋰離子電池將成為清潔交通、光伏儲能等一系列重大高技術應用的理想選擇，目前中國國家電網(wǎng)公司正在積極開展10MW級鋰離子電池儲能系統(tǒng)的試驗項目，這將引發(fā)相關制造設備和廠房的新一輪投資，同時，眾多新進入鋰離子動力電池及材料的廠商將使相關領域的技術競爭更趨激烈，大容量鋰離子電池儲能電站將此基礎上逐漸興起。
