1.2.2 電化學(xué)儲(chǔ)能

電化學(xué)儲(chǔ)能利用電池實(shí)現(xiàn)電能與化學(xué)能的相互轉(zhuǎn)化，其主要原理是利用可逆的氧化還原反應(yīng)，離子在電池內(nèi)發(fā)生轉(zhuǎn)移，從而帶來電荷流動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。電化學(xué)電池主要由電極、電解質(zhì)以及隔膜構(gòu)成，不同類型電池的電極、電解液以及隔膜材料存在差異。主要電池類型包括：鋰離子電池、鉛酸電池、液流電池和鈉硫電池等。

1.2.2.1 鋰離子電池

鋰離子電池伴隨著近些年電動(dòng)汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)成熟度快速提升，目前已成為國內(nèi)外儲(chǔ)能應(yīng)用的主流技術(shù)類型，已在電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)開展了大量工程實(shí)踐。

鋰離子電池是目前比能量最高的實(shí)用二次電池，其工作原理如圖1-5所示，電池由正極、負(fù)極、隔膜和電解液組成，其材料種類豐富多樣，其中適合作正極的材料有錳酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳酸鋰，適合作負(fù)極的材料有石墨、硬（軟）碳和鈦酸鋰等。

鋰離子電池儲(chǔ)能的技術(shù)特點(diǎn)如下：

1）適用度高，技術(shù)進(jìn)步快，發(fā)展?jié)摿Υ螅囯x子電池綜合性能較好，能夠滿足多樣化的場景需求。可選擇的材料體系多樣，且從事相關(guān)科研、產(chǎn)業(yè)和應(yīng)用的人員較多，技術(shù)進(jìn)步較快。隨著技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的提高，將更加廣泛地應(yīng)用于各種場景。

2）轉(zhuǎn)換效率高，能量密度大。鋰離子電池單體能量轉(zhuǎn)換效率可達(dá)近100%，系統(tǒng)效率一般近90%，能量密度可達(dá)約200Wh/kg。

3）使用壽命和循環(huán)次數(shù)提高顯著。隨著技術(shù)更新?lián)Q代加速，目前鋰離子電池的使用壽命一般能達(dá)到8～10年，正常工況下循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到4000～5000次。

雖有潛在安全隱患，但整體可防可控。當(dāng)前，使用可燃性電解質(zhì)的鋰離子電池雖存在本征安全隱患，但隨著材料體系不斷改進(jìn)、制作工藝迭代升級、防護(hù)理論逐漸完善，鋰離子電池單體及系統(tǒng)的安全性能已有了大幅改善，整體已經(jīng)基本滿足應(yīng)用需求。未來在高壓高溫電解液、無機(jī)化隔膜、固態(tài)電解質(zhì)、新一代生產(chǎn)工藝、智能管理、專用消防滅火等技術(shù)手段基礎(chǔ)上，其安全性能將得到進(jìn)一步提升。

目前，鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)工程建設(shè)成本為300～400美元/kWh，儲(chǔ)能系統(tǒng)本體占70%～80%。電池儲(chǔ)能系統(tǒng)本體主要由電池單元、系統(tǒng)組件、管理系統(tǒng)等構(gòu)成，其中電池單元約占60%，系統(tǒng)組件約占15%，管理系統(tǒng)約占10%，其他設(shè)備約占15%。在電池單元成本構(gòu)成中，正極材料約占40%，負(fù)極材料約占15%，電解液約占20%，隔膜約占10%，生產(chǎn)成本約占15%，成本構(gòu)成如圖1-6所示。總體來看，材料成本通常占電池系統(tǒng)本體的50%以上。

近年來，鋰離子電池已經(jīng)在通信電子行業(yè)和電動(dòng)汽車行業(yè)全面應(yīng)用。隨著制造技術(shù)不斷完善和成本不斷降低，許多國家已經(jīng)將鋰離子電池用于儲(chǔ)能系統(tǒng)，其研究也從電池本體及小容量電池儲(chǔ)能系統(tǒng)逐步發(fā)展到大規(guī)模電池儲(chǔ)能電站的建設(shè)應(yīng)用。截至2018年年底，全球已建成鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)約578萬kW，主要用于平滑新能源出力波動(dòng)、跟蹤新能源計(jì)劃出力，為電力系統(tǒng)提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓、需求響應(yīng)及備用等多種服務(wù)。2018年，我國電化學(xué)儲(chǔ)能市場出現(xiàn)爆發(fā)式增長，電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè)儲(chǔ)能應(yīng)用成為主要的增長點(diǎn)，鋰離子電池占比接近70%。

1.2.2.2 鉛酸電池

鉛酸電池是由浸在電解液中的正極板和負(fù)極板組成，電解液是硫酸的水溶液，電池單元的開路電壓為2.1V，基本的電池反應(yīng)如下：

正極：

負(fù)極：

總反應(yīng)：

普通鉛酸電池的能量密度為30～40Wh/kg，功率密度為150W/kg，循環(huán)壽命為1000次左右（80%充放電深度），能量轉(zhuǎn)換效率為80%，電池價(jià)格為1000元/kW。鉛酸電池具有安全可靠、價(jià)格低廉、技術(shù)成熟、工作溫度寬、再生利用率高、性能可靠和適應(yīng)性強(qiáng)并可制成密封免維護(hù)結(jié)構(gòu)等優(yōu)點(diǎn)，目前在汽車啟動(dòng)電源、UPS及EPS等傳統(tǒng)領(lǐng)域中，鉛酸電池仍然在電池市場中占主導(dǎo)地位。但傳統(tǒng)的鉛酸電池壽命短、能量密度低、系統(tǒng)管理粗放的缺點(diǎn)使得其無法滿足未來電網(wǎng)靈活多樣的儲(chǔ)能應(yīng)用需求。目前，世界眾多研究機(jī)構(gòu)和公司均已重點(diǎn)關(guān)注長壽命鉛酸電池和鉛炭超級電池（見圖1-7）在儲(chǔ)能領(lǐng)域的研究、開發(fā)與應(yīng)用。

1.2.2.3 液流電池

液流電池是氧化還原液流電池的簡稱。液流電池的活性物質(zhì)以液態(tài)形式存在，既是電極活性材料又是電解質(zhì)溶液，分裝在兩個(gè)儲(chǔ)液罐中，各由一個(gè)泵使溶液流經(jīng)液流電池電堆，在離子交換膜兩側(cè)的電極上分別發(fā)生還原和氧化反應(yīng)，如圖1-8所示。

目前主要的液流電池研究體系有：多硫化鈉/溴體系、全釩體系、鋅/溴體系、鐵/鉻體系。其中，全釩體系發(fā)展比較成熟，具備MW級系統(tǒng)生產(chǎn)能力，已建成多個(gè)MW級工程示范項(xiàng)目。

液流電池作為一種專用的儲(chǔ)能型電池，其額定功率可以達(dá)到數(shù)十兆瓦，同時(shí)其有著壽命長、容量大的顯著優(yōu)勢，可用于備用電源、輔助可再生能源并網(wǎng)、削峰填谷等場合，但液流電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、效率低、能量密度（特別是體積能量密度）低、成本較高，整體技術(shù)尚不成熟。

目前，全釩液流電池的成本約為480美元/kWh，其構(gòu)成如圖1-9所示。電解液成本約占總成本的43%，易受上游釩價(jià)格波動(dòng)的影響；電堆成本約占43%，其中離子交換膜占比最高。

由于能量密度低，電池系統(tǒng)占地面積較大，全釩液流電池適合建設(shè)在對占地要求不高的新能源發(fā)電場站周邊，提高新能源發(fā)電的可調(diào)節(jié)性，參與系統(tǒng)調(diào)峰等能量型應(yīng)用。

1.2.2.4 鈉硫電池

鈉硫電池屬于高溫鈉系電池，工作溫度范圍分別為300～350℃和250～300℃，主要由作為固體電解質(zhì)和隔膜的β-氧化鋁陶瓷管、鈉負(fù)極、硫正極、集流體以及密封組件組成，電池結(jié)構(gòu)與工作原理如圖1-10所示。

目前鈉硫電池的成本約為25000元/kW，循環(huán)壽命為2500次（100%深度充放電），能量轉(zhuǎn)換效率大于83%。根據(jù)應(yīng)用需求，可由鈉硫電池模塊級聯(lián)構(gòu)成大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。

鈉硫電池經(jīng)過多年的商業(yè)化應(yīng)用，具有先發(fā)優(yōu)勢，積累了較多的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，可根據(jù)應(yīng)用需求通過鈉硫電池模塊組合使系統(tǒng)規(guī)模達(dá)到MW級別，且鈉硫電池能量密度大、無自放電，原材料鈉、硫易得，不受場地限制。鈉硫電池的缺點(diǎn)是倍率性能差，充放電能力不對稱，而且電池壽命有限，成本高。另外，鈉硫電池在高溫運(yùn)行，金屬鈉和單質(zhì)硫均是液態(tài)，存在安全隱患。

鈉硫電池比能量較高，技術(shù)相對成熟，在輔助可再生能源并網(wǎng)等場景已有一定規(guī)模的應(yīng)用示范（主要在日本），但其必須運(yùn)行于高溫的特點(diǎn)，使得其存在本征的安全隱患和系統(tǒng)效率瓶頸，同時(shí)受制于專利布局和電解質(zhì)材料，推高了推廣應(yīng)用的門檻和成本，在日本以外的其他國家和地區(qū)幾乎沒有應(yīng)用。