中國儲能網(wǎng)訊：電化學電池技術(shù)是當前儲能行業(yè)一大增長點。截至2016年底，全球電化學儲能裝機規(guī)模達1756.5MW，近5年復合增長率27.5%。我國儲能產(chǎn)業(yè)起步相對較晚，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.儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展加速，電化學技術(shù)百家爭鳴
2016年我國化學儲能裝機量為189.4MW，同比增長達79.5%。與其他儲能方式相比，電化學儲能具有設(shè)備機動性好、響應(yīng)速度快、能量密度高和循環(huán)效率高等優(yōu)勢，是當前國內(nèi)外儲能研究的熱點。
圖 1：近年來全球(左)及我國(右)化學儲能裝機容量高速增長
儲能電池種類多，性能特點各不同。當前主流電化學儲能技術(shù)有先進鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池和鈉硫電池等，其性能特點和經(jīng)濟性各不相同，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)濟性和能效五項儲能關(guān)鍵技術(shù)指標。鉛炭電池、鋰電池是當前發(fā)展較快、有望率先帶動儲能商業(yè)化的電化學儲能技術(shù)。
表 1：主流電化學儲能技術(shù)性能比較
2.鉛酸老樹發(fā)新枝，鉛炭儲能步入商業(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。時至今日，傳統(tǒng)鉛酸蓄電池憑借其安全可靠、容量大、性價比高等優(yōu)點，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)，大大彌補了傳統(tǒng)鉛酸電池比能量低、壽命短等缺點，使其在大規(guī)模儲能領(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，先進鉛酸電池受益于相對較低的生產(chǎn)成本，有望率先在大規(guī)模儲能領(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：先進技術(shù)增強鉛酸電池活力
鉛炭電池是當前先進鉛酸技術(shù)發(fā)展的主流方向。鉛炭技術(shù)的核心是在負極引入活性炭，使電池兼具鉛酸電池和超級電容器的優(yōu)勢，同時可有效抑制普通鉛蓄電池負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。測試評估結(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%。當前鉛炭技術(shù)研究的重點在于鉛炭負極的作用機理、炭材料的選擇和抑制析氫等問題上。美國ALABC、Axion Power，日本Furukawa，澳大利亞CSIRO，法國CEA-INESD等公司和機構(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)已在國內(nèi)市場形成一定競爭優(yōu)勢。
圖 3：鉛炭電池結(jié)構(gòu)示意圖
圖 4：先進鉛酸儲能系統(tǒng)在電網(wǎng)中應(yīng)用廣泛
表 3：鉛炭技術(shù)發(fā)展歷程
鉛炭儲能步入商業(yè)化初期，市場空間大。以南都電源為例，目前公司已在國內(nèi)投運鉛炭儲能項目48個，總規(guī)模242MWh，已簽署儲能商用儲能電站項目約1000MWh，系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于調(diào)峰調(diào)頻、風光儲、用戶側(cè)儲能等領(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儲能技術(shù)相比，鉛炭電池的成本僅為其三分之一，短期性價比優(yōu)勢仍然顯著。長期來看，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)計未來其他電化學儲能技術(shù)的發(fā)展和成本的進一步降低將對其市場空間構(gòu)成一定挑戰(zhàn)。
表 4：鉛炭儲能已在多領(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在惰性電極上發(fā)生電化學反應(yīng)完成能量儲存于釋放。其最大特點在于電池輸出功率和容量相互獨立，可分別通過改變電池模塊大小、電解液濃度和體積實現(xiàn)獨立設(shè)計。同時液流電池具有充放電性能好、循環(huán)壽命長的特點，適合大規(guī)模儲能應(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特優(yōu)勢。
圖 5：雙液流電池工作原理示意圖
圖 6：單液流電池工作原理示意圖
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)。全釩體系正負電極電對分別為VO2+/VO2+、V2+/V3+，其主要優(yōu)勢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。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UniEnergyTechnologies等。其中融科儲能于2016年開始投建的200MW/800MWh大連液流電池儲能調(diào)峰電站國家示范項目，是目前世界上最大的化學儲能調(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。當前全釩系統(tǒng)成本約在4500-6000元/kWh，遠高于鉛炭、鋰電等電化學儲能技術(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口，價格約為5000元/平方米，國產(chǎn)價格也高達1000元/平方米。同時釩電池體積密度低，電解液使用量很大，導致同規(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，其正負極電對為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，價格相對便宜，僅為50-100元/平方米。同時其體積能量密度也相對高，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、日等國家的壟斷。目前我國從事相關(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，其特點是正負極反應(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)成本并簡化了電池設(shè)計。由于使用堿性電解液，電池長期抗腐蝕能力較好。經(jīng)試驗，電池在1000次循環(huán)后能量效率達到86%，優(yōu)于一般雙液流電池。目前這類電池尚處于研發(fā)試驗階段，除國內(nèi)部分機構(gòu)外，日本、美國也已開始相關(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，國內(nèi)短期難以推廣
鈉硫電池性能好，國外應(yīng)用較成熟。鈉硫電池以單質(zhì)硫和金屬鈉為正負極，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、成本相對低等優(yōu)點。目前全球范圍內(nèi)已建成200多座鈉硫電池儲能電站，其規(guī)模約占全球電化學儲能總裝機量的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，相對大部分儲能技術(shù)都較低，但離大規(guī)模商業(yè)化標準仍有距離。此外，由于電池使用液態(tài)鈉且在高溫下運行，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，加重了市場對該技術(shù)安全性方面的顧慮。
國內(nèi)鈉硫研制起步晚，短期推廣難。國內(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，目前已研制成功100kW級儲能系統(tǒng)。但與日本NGK技術(shù)相比，國內(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，成本下降推動儲能應(yīng)用
鋰離子電池應(yīng)用廣，動力鋰電需求拉動產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。鋰離子電池由正負電極、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，目前已廣泛應(yīng)用于各類電子產(chǎn)品、新能源車和電化學儲能等領(lǐng)域。近年來鋰電產(chǎn)業(yè)受下游新能源車動力電池需求增長拉動，規(guī)模和技術(shù)發(fā)展尤為迅速，目前已有動力電池企業(yè)上百家，電芯市場規(guī)模超2000億。預(yù)計未來5年國內(nèi)鋰電池需求仍將保持30%-40%的高增速，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)鏈也將進一步成熟。
圖 11：鋰離子電池工作原理示意圖
圖 12：國內(nèi)市場鋰電池需求保持高速增長
圖 13：鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈
鋰電技術(shù)路線多，儲能更注重安全性和長期成本。與動力鋰電池相比，儲能用鋰電池對能量密度的要求較為寬松，但對安全性、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能的技術(shù)路線，目前已投建的鋰電儲能項目中大多也都采用這一技術(shù)。此外，鈦酸鋰電池因其超長的循環(huán)壽命也受到廣泛關(guān)注，隨著未來技術(shù)成本降低，有望在儲能領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用。三元電池的主要優(yōu)勢在于高能量密度，其循環(huán)壽命和安全性較為局限，因而更適合用作動力電池。
表 6：磷酸鐵鋰和鈦酸鋰技術(shù)更適合儲能應(yīng)用
鋰電規(guī)模經(jīng)濟效應(yīng)顯現(xiàn)，儲能成本快速下降。近年來國內(nèi)動力鋰電行業(yè)競爭激烈，下游整車廠對性能和價格需求倒逼鋰電技術(shù)快速進步，同時主要廠商產(chǎn)能不斷擴張，鋰電池生產(chǎn)成本不斷下降，年均降幅達15-20%。目前部分廠商磷酸鐵鋰電池價格已降至1200-1400元/千瓦時，相應(yīng)儲能系統(tǒng)成本也降至2000元/千瓦時，儲能經(jīng)濟性有了很大提高。以目前公布的規(guī)劃來看，未來幾年主要鋰電廠商產(chǎn)能高速擴張的趨勢仍將持續(xù)，鋰電儲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：國內(nèi)動力鋰電廠商產(chǎn)能快速擴張
動力電池梯次利用可進一步提升鋰電儲能經(jīng)濟性。梯次利用技術(shù)主要是針對容量降低但并未完全報廢的退役動力電池，其主要環(huán)節(jié)包括回收與性能評估、電池系統(tǒng)重組及梯次利用于儲能領(lǐng)域，是一種綠色、經(jīng)濟、可持續(xù)的資源回收手段。當前全球范圍內(nèi)都在積極開展相關(guān)研究，美國、德國、日本等起步較早的國家已有不少成功案例。國內(nèi)比亞迪、CATL、國軒高科、中航鋰電等一線動力電池廠商業(yè)已開始相關(guān)領(lǐng)域布局，未來有望推動鋰電池成本的進一步下降。
表 7：國內(nèi)外已逐步開展各類動力電池梯次利用儲能示范項目
儲能千億市場將啟動，鋰電技術(shù)是主流。鋰電儲能具有清潔高效、能量密度高、充放電性能好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，在多種應(yīng)用領(lǐng)域都具有技術(shù)經(jīng)濟性優(yōu)勢。在目前全球已建MW級電化學儲能示范項目中，鋰電池項目裝機規(guī)模約占總?cè)萘康?0%，遠超其他儲能技術(shù)，國內(nèi)張北風光儲輸、南網(wǎng)寶清電站等大型儲能示范項目，也都將鋰電作為重點技術(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)計鋰離子電池仍將是未來電化學儲能的主流。
圖 16：國內(nèi)儲能裝機規(guī)模鋰電最大
表 8：鋰電池在多個應(yīng)用領(lǐng)域具有技術(shù)經(jīng)濟性優(yōu)勢
