在轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的要求下，新能源的發(fā)展擁有著廣闊的前景。但新能源、智能電網(wǎng)、電動(dòng)汽車，這未來(lái)三大新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展瓶頸都指向了同一項(xiàng)技術(shù)——儲(chǔ)能技術(shù)。這促使越來(lái)越多的企業(yè)和研究人士把目光投向儲(chǔ)能技術(shù)。
在研究者看來(lái)，儲(chǔ)能技術(shù)的突破或?qū)⒛軌蚓徑獠煌娏χg的利益之爭(zhēng)，推動(dòng)新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，更重要的是能夠高效利用清潔能源，改變我國(guó)能源構(gòu)成比例，促進(jìn)節(jié)能減排。
由此，本周刊特意開(kāi)設(shè)“儲(chǔ)能專欄”，旨在探討儲(chǔ)能技術(shù)在我國(guó)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化還面臨著哪些困境。本期推出我國(guó)化學(xué)儲(chǔ)能的研究進(jìn)展。
一場(chǎng)新能源革命正如火如荼的進(jìn)行，但其中扮演“橋梁”角色的儲(chǔ)能技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化水平，使得新能源領(lǐng)域的各個(gè)“主角”仍不能大舉進(jìn)入百姓家庭。
雖然儲(chǔ)能技術(shù)水平有限，但儲(chǔ)能形式卻是多種多樣。而這其中誰(shuí)又能率先以成熟的技術(shù)搶占市場(chǎng)，獲得眾人青睞,成為享用 “大蛋糕”的第一人？
儲(chǔ)能技術(shù)分為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能兩種方式，《科學(xué)時(shí)報(bào)》了解到，鈉硫電池、液硫電池和鋰離子電池成為目前化學(xué)儲(chǔ)能中較為主流的三種技術(shù)。
鈉硫電池：最經(jīng)濟(jì)適用的儲(chǔ)能方法之一
“鈉硫儲(chǔ)能電池是目前最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的儲(chǔ)能方法之一。”上海硅酸鹽所所長(zhǎng)羅宏杰對(duì)鈉硫電池作出上述稱贊。
鈉硫電池以鈉和硫分別用作陽(yáng)極和陰極，Beta-氧化鋁陶瓷同時(shí)起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。“鈉硫電池的工作溫度為250℃~350℃，具有高的比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、高的溫度穩(wěn)定性以及無(wú)自放電等優(yōu)勢(shì)。”中科院上海硅酸鹽所能源材料研究中心主任、上海鈉硫電池研制基地技術(shù)總工程師溫兆銀對(duì)《科學(xué)時(shí)報(bào)》介紹說(shuō)。
他詳細(xì)介紹道，首先，鈉硫電池的理論比能量高，達(dá)到760Wh/kg，實(shí)際數(shù)值也已大于100Wh/kg，是鉛酸電池的3～4倍；其次，可大電流、高功率放電，放電電流密度一般可達(dá)200~300mA/cm2，瞬間可放出其3倍的固有能量；第三，由于采用固體電解質(zhì)，所以沒(méi)有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的自放電及副反應(yīng)，充放電電流效率幾乎達(dá)到100％。
上世紀(jì)80年代末～90年代初開(kāi)始，國(guó)外重點(diǎn)發(fā)展鈉硫電池作為固定場(chǎng)合下（如電站儲(chǔ)能）應(yīng)用，并越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性。如日本東京電力公司TEPCO和NGK公司合作開(kāi)發(fā)鈉硫電池，其應(yīng)用目標(biāo)瞄準(zhǔn)電站負(fù)荷調(diào)平（即起削峰平谷作用，將夜晚多余的電存儲(chǔ)在電池里，到白天用電高峰時(shí)再?gòu)碾姵刂嗅尫懦鰜?lái)）、UPS應(yīng)急電源及瞬間補(bǔ)償電源等，并于2002年開(kāi)始進(jìn)入商品化實(shí)施階段，已建成世界上最大規(guī)模（8MW）儲(chǔ)能鈉硫電池裝置，但其技術(shù)和生產(chǎn)裝備完全保密。
“國(guó)內(nèi)只有上海硅酸鹽所具有鈉硫電池工程化研究能力。”溫兆銀表示，目前我國(guó)也開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作，前景較為明朗。
2007年，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所通過(guò)與上海市電力公司合作，成功研制出具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的容量為650Ah的鈉硫儲(chǔ)能單體電池，使我國(guó)成為繼日本之后世界上第二個(gè)掌握大容量鈉硫單體電池核心技術(shù)的國(guó)家。據(jù)悉，現(xiàn)已建成2兆瓦大容量鈉硫單體電池中試生產(chǎn)示范線和800千瓦時(shí)鈉硫儲(chǔ)能示范電站的成功運(yùn)行，標(biāo)志著鈉硫儲(chǔ)能電池已基本具備產(chǎn)業(yè)化條件。
不過(guò)，溫兆銀坦言，鈉硫電池制造成本還需降低，安全性方面也需提高。
液流電池：大規(guī)模高效儲(chǔ)能首選技術(shù)之一
20世紀(jì)80年代，我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行液流儲(chǔ)能電池的基礎(chǔ)研究工作。從2000年開(kāi)始，以中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所為代表的研究單位大舉進(jìn)入液流電池研究領(lǐng)域，使得中國(guó)液流儲(chǔ)能電池技術(shù)進(jìn)入了發(fā)展的“快車道”。
國(guó)際上液流電池代表品種主要有3種，即鋅溴電池、多硫化鈉/溴電池及全釩電池（VRB）。
據(jù)中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理所研究員、大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司副總經(jīng)理兼總工程師張華民介紹，鋅/溴液流電池具有較高的能量密度（可以達(dá)到70 Wh/kg），且材料成本較低，但目前循環(huán)壽命較短，且溴具有毒性和腐蝕性，不適合大規(guī)模儲(chǔ)能使用。多硫化鈉/溴電池也具有材料成本低的優(yōu)點(diǎn)，但由于正負(fù)極電解液互串引起的容量和性能衰減以及溴的毒性和腐蝕性等問(wèn)題難以解決，目前國(guó)內(nèi)外多硫化鈉/溴體系液流儲(chǔ)能電池的規(guī)模放大工作處于停滯狀態(tài)。
在張華民看來(lái)，全釩液流儲(chǔ)能電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、蓄電容量大、選址自由、可深度放電、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、安全環(huán)保、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，特別是充放電循環(huán)壽命長(zhǎng)是其他任何電池?zé)o法比擬的。“在風(fēng)能發(fā)電并網(wǎng)等規(guī)模儲(chǔ)能場(chǎng)合具有明顯的優(yōu)勢(shì)，是大規(guī)模高效儲(chǔ)能技術(shù)的首選技術(shù)之一。”張華民強(qiáng)調(diào)。
釩電池中電能以化學(xué)能的方式存儲(chǔ)在不同價(jià)態(tài)釩離子的硫酸電解液中。釩電池通過(guò)更換電池模塊，電解液和儲(chǔ)能罐可以反復(fù)使用，預(yù)計(jì)壽命可以達(dá)到15年以上。同時(shí)，釩電池的充放電效率約為75%。“電池的輸出響應(yīng)很快，可以在幾個(gè)毫秒內(nèi)完成從零功率到滿功率輸出。”張華民指出。
2008年，大連化物所與大連博融產(chǎn)業(yè)投資有限公司合作成立大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司，專門(mén)從事液流儲(chǔ)能電池工程化和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)。目前在全釩液流儲(chǔ)能電池關(guān)鍵材料、系統(tǒng)集成、測(cè)試方法及應(yīng)用示范等方面取得一系列進(jìn)展。
首先，融科儲(chǔ)能公司已掌握了百千瓦級(jí)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成技術(shù)。建成年產(chǎn)能300MWh的全釩液流儲(chǔ)能電池電解液生產(chǎn)線和產(chǎn)能100MW的雙極板生產(chǎn)線，開(kāi)發(fā)出輸出功率為22kW的電池單模塊，集成出輸出功率為260kW、儲(chǔ)能容量為1MW的電池系統(tǒng)。
其次，在決定電池性能和成本的核心組件離子交換膜材料方面，融科儲(chǔ)能公司在國(guó)際上率先開(kāi)發(fā)出高離子選擇性、低成本的離子交換膜。“解決了全釩液流儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)化的瓶頸，率先實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料和核心部件的全國(guó)產(chǎn)化。”張華民說(shuō)。
另外，通過(guò)壽命加速試驗(yàn)對(duì)自主研發(fā)的2kW全釩液流儲(chǔ)能電池耐久性進(jìn)行考察。自2007年7月6日開(kāi)始運(yùn)行以來(lái)，已無(wú)故障、連續(xù)運(yùn)行1100多天，累計(jì)運(yùn)行時(shí)間近2.8萬(wàn)小時(shí)，實(shí)現(xiàn)充/放電循環(huán)8100多次，目前仍在繼續(xù)運(yùn)行。
與此同時(shí)，2009年7月張華民團(tuán)隊(duì)還在西藏自治區(qū)成功安裝一套“太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)與5kW/50kWh液流儲(chǔ)能電池聯(lián)合供電系統(tǒng)”，進(jìn)行示范應(yīng)用。該系統(tǒng)已無(wú)人值守,平穩(wěn)運(yùn)行1年多，穩(wěn)定性得到充分驗(yàn)證。
“全釩液流儲(chǔ)能電池優(yōu)異的可靠性與穩(wěn)定性為其工程化和產(chǎn)業(yè)化開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。”張華民說(shuō)。
鋰離子電池：新能源車首選電池
1991年前后，中國(guó)開(kāi)始涉足鋰電行業(yè)。而此時(shí)的日本是研究鋰電池最耀眼的國(guó)家。上世紀(jì)90年代末期，由于鋰電行業(yè)100%的利潤(rùn)誘惑，大量公司通過(guò)技術(shù)仿造開(kāi)始了鋰電生意。隨著中國(guó)手機(jī)產(chǎn)業(yè)的興起，鋰電行業(yè)迎來(lái)春天。
“從鋰電池的研發(fā)來(lái)看，我國(guó)起步并不晚，最早在材料領(lǐng)域就有一個(gè)儲(chǔ)能材料專項(xiàng)，當(dāng)時(shí)鋰二次電池就已經(jīng)納入國(guó)家‘863’計(jì)劃。”中國(guó)工程院院士、中國(guó)科學(xué)院物理所研究員陳立泉曾在接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)，我國(guó)鋰離子電池研究的起步和國(guó)外差不多。
所謂鋰離子電池，是指由電池的正極提供鋰源，電池中沒(méi)有金屬鋰，完全是鋰離子狀態(tài)。它跟鋰電池最大的區(qū)別是，鋰電池的鋰源是金屬鋰，由電池的負(fù)極提供鋰源。 由于技術(shù)與成本等問(wèn)題，鋰離子電池一直停留在小型電池的使用領(lǐng)域中，隨著鋰離子電池的關(guān)鍵材料技術(shù)以及電池技術(shù)迅速進(jìn)展，用于交通工具、電工工具、照明用電池、電動(dòng)船領(lǐng)域的大型電池和電池組開(kāi)始走進(jìn)老百姓生活。
目前，可以用作電動(dòng)車電池領(lǐng)域的大型電池主要有閥控鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池和鋰離子二次電池，鉛酸電池和鎳氫電池應(yīng)用尤為廣泛。但從電化學(xué)性能來(lái)看，鋰離子二次電池具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，二次電池質(zhì)量比能量達(dá)到120Wh/kg以上，循環(huán)壽命在1000次以上，能量密度是鉛酸和鎳氫電池的2～3倍。鋰離子電池不含有毒重金屬元素，且回收簡(jiǎn)單。
不過(guò)，鋰離子動(dòng)力電池成組應(yīng)用技術(shù)，已成為制約其推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。與此同時(shí)，安全性、高溫循環(huán)性、使用壽命、制造成本等也都是制約鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素。
雖然我國(guó)已是僅次于日本的鋰離子電池生產(chǎn)大國(guó)，但并不是強(qiáng)國(guó)，在全球的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈中仍處于中低端。
目前，國(guó)內(nèi)鋰離子電池行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小、技術(shù)含量低、產(chǎn)品相對(duì)單一，能夠提供生產(chǎn)鋰離子電池系列產(chǎn)品的綜合性企業(yè)較少。同時(shí)，國(guó)內(nèi)企業(yè)蜂擁而至，企圖在該領(lǐng)域分得一杯羹，也導(dǎo)致整個(gè)行業(yè)的健康發(fā)展受到挑戰(zhàn)。
專家認(rèn)為，當(dāng)前我國(guó)鋰離子電池技術(shù)跟國(guó)外先進(jìn)技術(shù)的差距主要在于原材料的質(zhì)量、設(shè)備，以及技術(shù)工人的素質(zhì)。同時(shí)，核心材料如隔膜以及電池的性能方面也存在著差距。那些沒(méi)有大量資金投資購(gòu)買設(shè)備和優(yōu)質(zhì)原材料的企業(yè)，往往無(wú)法生產(chǎn)出質(zhì)量可靠的動(dòng)力鋰離子電池。
