儲(chǔ)能電池技術(shù)前景分析

面對(duì)日益枯竭的傳統(tǒng)能源，不斷惡化的環(huán)境，世界各國(guó)加快了尋找替代能源的步伐，紛紛出臺(tái)新能源政策和措施，新能源產(chǎn)業(yè)正成為未來經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要增長(zhǎng)點(diǎn)。

1、發(fā)展新能源的關(guān)鍵環(huán)節(jié)—儲(chǔ)能技術(shù)

儲(chǔ)能技術(shù)與新能源應(yīng)用、電網(wǎng)的發(fā)展緊密相連，可以有效提高能源利用效率，并且可以解決偏遠(yuǎn)地區(qū)供電等問題。因此，儲(chǔ)能技術(shù)是太陽能、風(fēng)能發(fā)電成為主力能源需要解決的關(guān)鍵技術(shù)，是發(fā)展新能源無法繞開的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，儲(chǔ)能電池的未來應(yīng)該在風(fēng)電和光電產(chǎn)業(yè)，其中尤以已經(jīng)大量布局的風(fēng)電產(chǎn)業(yè)為主。由于風(fēng)力資源具有不穩(wěn)定性，因此，雖然近年來風(fēng)、光電產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢(shì)頭迅猛，但一直飽受并網(wǎng)的困擾，儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用，可以幫助風(fēng)電場(chǎng)輸出平滑和“以峰填谷”。

目前主流的儲(chǔ)能技術(shù)包括物理類儲(chǔ)能和電化學(xué)儲(chǔ)能兩類。物理類儲(chǔ)能有抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪儲(chǔ)能及超導(dǎo)儲(chǔ)能、開放式循環(huán)氣體渦輪等。電化學(xué)儲(chǔ)能有鈉硫電池、釩電池、鋰電池、鉛酸電池等。其中，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)由于具有建設(shè)周期短、運(yùn)營(yíng)成本低、對(duì)環(huán)境無影響等特點(diǎn)已經(jīng)成為電網(wǎng)應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)解決新能源接入的首選方案。

新能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求儲(chǔ)能電池，發(fā)展新能源產(chǎn)業(yè)必須大力發(fā)展高安全、長(zhǎng)壽命、高能量密度的儲(chǔ)能電池。針對(duì)電網(wǎng)應(yīng)用的儲(chǔ)能電池要求大容量，市場(chǎng)上較多見的是鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池技術(shù)。對(duì)電網(wǎng)儲(chǔ)能應(yīng)用，尤其是風(fēng)力發(fā)電儲(chǔ)能應(yīng)用來說，全釩電池和鈉硫電池是兩種主要的已經(jīng)被市場(chǎng)認(rèn)可的商用技術(shù)。表1是電化學(xué)儲(chǔ)能主要技術(shù)的對(duì)比。各種儲(chǔ)能電池的特點(diǎn)及適用性如表2。

釩電池

釩電池通過不同價(jià)態(tài)的釩離子相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存與釋放。充電時(shí)，通過對(duì)電池的充電，將電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能儲(chǔ)存在不同價(jià)態(tài)的釩離子中；當(dāng)發(fā)電裝置不能滿足額定輸出功率時(shí)，電池開始放電，把儲(chǔ)存的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。釩電池的容量取決于電解液的存量，理論上來說，它的儲(chǔ)液裝置可以做得很大，而且只要不受污染，它的壽命會(huì)很長(zhǎng)。釩電池的充、放電性能好，能夠進(jìn)行大功率的充電和放電，選址自由度大、占地少，可以很好地把太陽能和風(fēng)能融入到住宅或者工業(yè)場(chǎng)所中，未來在大規(guī)模儲(chǔ)能方面的應(yīng)用具有其他電池?zé)o法比擬的優(yōu)勢(shì)。

釩電池作為一種新型清潔能源存儲(chǔ)裝置，經(jīng)過美國(guó)、日本、澳大利亞等國(guó)家的應(yīng)用驗(yàn)證，憑借其大功率、長(zhǎng)壽命、支持頻繁大電流充放電、綠色無污染等明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)，主要應(yīng)用于再生能源并網(wǎng)發(fā)電、城市電網(wǎng)儲(chǔ)能、遠(yuǎn)程供電、UPS系統(tǒng)、海島應(yīng)用等領(lǐng)域。釩電池技術(shù)已經(jīng)基本成熟，千瓦級(jí)的產(chǎn)品已經(jīng)在產(chǎn)業(yè)化的生產(chǎn)階段。日本北海道的釩電池示范系統(tǒng)已經(jīng)充放電27萬次。

北京普能公司已經(jīng)在釩電池的電堆集成技術(shù)、關(guān)鍵材料研發(fā)以及電解液制備技術(shù)等方面取得重大成果。此外，承德新新釩鈦有限公司、攀鋼鋼釩、天興儀表、銀輪股份、承德萬利通集團(tuán)、北京金能燃料電池有限公司、青島武曉集團(tuán)等公司也已經(jīng)開展釩電池的研發(fā)，并已取得了一定的成果。2012年5月，由普能公司經(jīng)過多年研發(fā)設(shè)計(jì)而成的一款釩液流電池在美國(guó)并網(wǎng)啟用。這款具備電網(wǎng)級(jí)規(guī)模循環(huán)儲(chǔ)電的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)獲得了加州愛迪生電力公司的并網(wǎng)運(yùn)營(yíng)許可。普能公司此次開發(fā)出釩液流電池系統(tǒng)后，證明兆瓦級(jí)全釩液流儲(chǔ)能系統(tǒng)解決方案已經(jīng)成功地提高電力系統(tǒng)的生產(chǎn)力，同時(shí)也在進(jìn)一步降低運(yùn)營(yíng)成本及產(chǎn)品制造成本。

鋰離子電池

在全球便攜式儲(chǔ)能電池市場(chǎng)，鋰離子電池由于其在能量密度方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)而占據(jù)絕大部分份額。

鋰離子電池是最常見的電化學(xué)儲(chǔ)能電池，手機(jī)、筆記本電腦的電池多為鋰離子電池。高能效和電力容量上的優(yōu)越性也讓鋰離子電池的市場(chǎng)擴(kuò)大到交通領(lǐng)域。小型鋰電池的研發(fā)和推廣已經(jīng)非常成功，但是，鋰電池的大型化卻是困難重重，面臨造價(jià)高、運(yùn)行溫度高和易短路等問題。雖然在鋰離子電池的研發(fā)方面已經(jīng)取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，但是還需要很多工作來延長(zhǎng)電池的使用壽命，還要提高電池使用時(shí)的安全性并降低材料成本。

從鋰電池的使用量來說，電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)應(yīng)該遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于風(fēng)、光電產(chǎn)業(yè)，而且這一趨勢(shì)會(huì)保持相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間。

雖然鋰電池規(guī)模過大時(shí)，在能量控制上非常復(fù)雜，但是，國(guó)家電網(wǎng)在風(fēng)光儲(chǔ)輸一體化項(xiàng)目招標(biāo)中仍傾向于鋰離子電池。在其招標(biāo)公告中，招標(biāo)范圍提及了磷酸鐵鋰電池，并表示采購將分為兩個(gè)包，分別為14兆瓦和4兆瓦。國(guó)網(wǎng)對(duì)鋰離子電池的青睞還體現(xiàn)在第七屆亞洲風(fēng)能大會(huì)上，當(dāng)時(shí)，國(guó)網(wǎng)展示了一臺(tái)可同時(shí)給20個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池充電的移動(dòng)充電倉，其中存放的電池也是磷酸鐵鋰電池。

據(jù)了解，日本、美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家都已經(jīng)開始了把電動(dòng)汽車作為一種分布式儲(chǔ)能方式的前沿研究。日本大阪正在規(guī)劃中的“EV模范城市”之中，就有這樣的設(shè)計(jì)。

盡管鋰離子電池在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的發(fā)展前途普遍被看好，但在大容量?jī)?chǔ)能市場(chǎng)上，它還不具備競(jìng)爭(zhēng)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。鋰離子電池的兆瓦級(jí)儲(chǔ)能是很前沿的研究，全國(guó)近百家做電池的廠商中，能做容量較大電池的最多不超過10家，剩下的多采用小電池并聯(lián)。大容量?jī)?chǔ)能電池目前有兩種技術(shù)路線，一種是專門開發(fā)大容量電池，國(guó)際上主流的技術(shù)是鈉硫電池和液流電池；另一種就是上述把電池并聯(lián)做成較大容量，以鋰離子電池技術(shù)為主。這是因?yàn)殇囯姵鼐哂衅渌麅煞N技術(shù)望塵莫及的產(chǎn)業(yè)鏈，從資源供應(yīng)商、電池材料，到下游的封裝工藝都有無數(shù)公司在做。

鈉硫電池

鈉硫電池通常被建在一個(gè)管狀設(shè)計(jì)中，并結(jié)合鈉硫等元素，鈉與硫會(huì)通過化學(xué)反應(yīng)將電能儲(chǔ)存起來，當(dāng)電網(wǎng)需要更多電能時(shí)，它又會(huì)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能釋放出去。這種電池的優(yōu)點(diǎn)是單位質(zhì)量或單位體積所具有的有效電能量高，可以在短時(shí)間內(nèi)釋放大量能量，是為車輛和其他應(yīng)用工具供能的良好選擇；缺點(diǎn)就是材料的成本高，且電池運(yùn)行時(shí)的溫度很高，運(yùn)行的可靠性曾受到質(zhì)疑。

西北太平洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員稱，通過改良電池的形狀能夠提高電池的能效并降低電池運(yùn)行時(shí)的溫度。實(shí)際上，這個(gè)實(shí)驗(yàn)室正在同一家美國(guó)電池公司聯(lián)合研究對(duì)這種電池的改進(jìn)方法。

鈉硫技術(shù)因?yàn)殁c、硫資源易得，又具備做成大容量的條件，國(guó)際上電化學(xué)儲(chǔ)能的成功案例都是使用這項(xiàng)技術(shù)，主要是日本NGK的技術(shù)，但因?yàn)楫a(chǎn)能的限制，NGK的產(chǎn)品在市場(chǎng)上供不應(yīng)求。

鉛酸電池

在風(fēng)能、太陽能系統(tǒng)所使用的儲(chǔ)能蓄電池中，鉛酸蓄電池仍占據(jù)較多的份額，這主要是鉛酸蓄電池充放電效率高、耐溫性能好、容量大、安全性好、成本低。

風(fēng)能、太陽能發(fā)電裝機(jī)容量將會(huì)以很快的速度發(fā)展，鉛酸蓄電池是發(fā)電系統(tǒng)中的重要部件，也是離網(wǎng)系統(tǒng)不可替代的部件，因此蓄電池的需求量將會(huì)迅速增加。但是，由于眾所周知的環(huán)保問題，鉛酸電池正面臨重整河山待后生的局面。

鉛碳電池是從傳統(tǒng)的鉛酸電池演進(jìn)出來的技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)，增加一點(diǎn)碳，能夠顯著提高鉛酸電池的壽命。作為太陽能和風(fēng)能儲(chǔ)能的后備選項(xiàng)，鉛酸電池能量密度高，是個(gè)不錯(cuò)的選擇。但是，鉛碳電池的推廣也面臨著成本問題。這類電池的成本費(fèi)用依然維持在每千瓦小時(shí)500美元，而研究人員認(rèn)為，需要降低成本至每千瓦小時(shí)150～200美元才可行。

2、儲(chǔ)能電池發(fā)展趨勢(shì)

在離網(wǎng)系統(tǒng)中，蓄電池是決定使用成本的重要因素之一。這是因?yàn)槟芰哭D(zhuǎn)換系統(tǒng)一般使用壽命可達(dá)10年以上，而儲(chǔ)能電池壽命一般3～４年，因此蓄電池是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，決定著使用成本。符合發(fā)展趨勢(shì)的儲(chǔ)能電池技術(shù)需要達(dá)到以下幾方面要求系統(tǒng)規(guī)模要求達(dá)到MW／MWh級(jí)規(guī)模能力；具有MW／MWh級(jí)下的安全性；循環(huán)壽命應(yīng)達(dá)到5000次以上；能源轉(zhuǎn)換效率在80％以上；可以批量化、標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)；便于安裝、運(yùn)行與維護(hù)；當(dāng)然成本也要足夠低。

隨著儲(chǔ)能技術(shù)不斷突破，專家預(yù)計(jì)2015到2020年，鋰離子電池和鉛炭電池循環(huán)使用壽命大于5000次，每千瓦時(shí)發(fā)電單位成本低于1500元，轉(zhuǎn)換效率大于80％；全釩液流電池循環(huán)壽命大約10000次，每千瓦時(shí)發(fā)電單位成本低于1500元，轉(zhuǎn)換效率大于70％。