鋰離子電池在儲能領(lǐng)域的優(yōu)勢

■文/吳寧寧，吳可，高雅，安富強(qiáng)，王雅和

中信國安盟固利動(dòng)力科技有限公司

　　能源是人類賴以生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是國民經(jīng)濟(jì)、國家安全和實(shí)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(dǎo)致日益嚴(yán)峻的全球氣候變化，近幾年這一矛盾更加嚴(yán)峻。目前，我國已成為世界能源生產(chǎn)和消費(fèi)大國，我國對能源的需求在持續(xù)增長，因此，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)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(fēng)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(zhuǎn)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(shù)發(fā)揮著重要的作用。眾所周知，風(fēng)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(shí)采用離網(wǎng)發(fā)電模式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(jìn)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(hù)國家能源的安全，研究儲能技術(shù)具有重要的經(jīng)濟(jì)和社會意義。工業(yè)發(fā)達(dá)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(jì)劃”、美國的“DOE項(xiàng)目計(jì)劃”以及歐盟的“框架計(jì)劃”等都將儲能技術(shù)作為研究重點(diǎn)。我國對儲能技術(shù)的開發(fā)也十分重視，高效能源轉(zhuǎn)換與儲能技術(shù)已列為未來國家火炬計(jì)劃優(yōu)先發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域，中國儲能電池產(chǎn)學(xué)研技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟已于2009年11月成立。此外，根據(jù)國家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會下達(dá)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(diǎn)》，到2015年，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組年生產(chǎn)能力達(dá)到5萬臺，總產(chǎn)量累計(jì)將達(dá)到34萬臺，總裝機(jī)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(yīng)過億元，必將拉動(dòng)儲能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

　　在強(qiáng)大的社會發(fā)展需求和巨大的潛在市場推動(dòng)下，基于新概念、新材料和新技術(shù)的儲能新體系不斷涌現(xiàn)。儲能技術(shù)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(shù)的分類及發(fā)展趨勢

　　到目前為止，針對不同的領(lǐng)域、不同的需求，人們已提出和開發(fā)了多種儲能技術(shù)來滿足應(yīng)用。全球儲能技術(shù)主要有物理儲能、化學(xué)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(shù)主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等。相比化學(xué)儲能來說，物理儲能更加環(huán)保、綠色，利用天然的資源來實(shí)現(xiàn)。抽水蓄能電站(PSH,PumpedStorageHydroelectricity)是通過配備上、下游兩個(gè)水庫，負(fù)荷低谷時(shí)設(shè)備工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，而負(fù)荷高峰時(shí)設(shè)備工作于發(fā)電機(jī)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(shù)成熟，抽水儲能電站已成為電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的儲能技術(shù)，目前我國在建的抽水蓄能電站裝機(jī)約11400MW，預(yù)計(jì)至2010年底抽水蓄能電站的總裝機(jī)可到17500MW左右。

　　壓縮空氣蓄能電站(CAES,CompressedAirEnergyStorage)是一種調(diào)峰用燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)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(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。世界上第一個(gè)商業(yè)化CAES電站是1978年在德國建造的Huntdorf電站，裝機(jī)容量為290MW，換能效率77%，運(yùn)行至今，累計(jì)啟動(dòng)超過7000次，主要用于熱備用和平滑負(fù)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(dá)國家得到廣泛應(yīng)用。

　　飛輪儲能(FW,FlyWheels)，是通過機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)化來實(shí)現(xiàn)充放電。它是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪鐵芯作為機(jī)械能量儲存的介質(zhì)，利用電動(dòng)/發(fā)電機(jī)和能量轉(zhuǎn)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(shù)要求很高，直到20世紀(jì)90年代才得以飛速發(fā)展，用于不間斷電源(UPS)/應(yīng)急電源(EPS)、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制等領(lǐng)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(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但是需要特殊的地理?xiàng)l件和場地，建設(shè)的局限性較大，且一次性投資費(fèi)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(shí)用角度來看，化學(xué)儲能比物理儲能具有更廣闊的應(yīng)用前景。

　　2.化學(xué)儲能—鋰離子電池儲能是目前最可行的技術(shù)路線

　　鉛酸電池是最老的也是最成熟的化學(xué)儲能方法，已有100多年的歷史，廣泛用于汽車啟動(dòng)電源、電動(dòng)自行車或摩托車動(dòng)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(shí)，正極主要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；放電時(shí)，正負(fù)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(jià)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(shí)兼顧的大規(guī)模蓄電要求。同時(shí)，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(hù)工作繁重，因此不適合在智能電網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用。

　　目前可以應(yīng)用于智能電網(wǎng)領(lǐng)域的化學(xué)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(fù)極，硫?yàn)檎龢O，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(yīng)，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(dá)760Wh/kg）、可大電流充放電、使用壽命長（10～15年），是目前較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的儲能方法之一，主要應(yīng)用目標(biāo)是電站負(fù)荷調(diào)平、UPS應(yīng)急電源及瞬間補(bǔ)償電源等領(lǐng)域。目前鈉硫電池技術(shù)領(lǐng)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(fēng)力發(fā)電站導(dǎo)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(fēng)力發(fā)電設(shè)備的功率變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃性地進(jìn)行功率輸出，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的并網(wǎng)發(fā)電提供了基礎(chǔ)。2009年，我國上海硅酸鹽研究所成功研制了100kW級關(guān)鍵技術(shù)，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(shè)備來維持溫度，同時(shí)過度充電時(shí)很危險(xiǎn)，因此在安全性和免維護(hù)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(xué)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(xué)反應(yīng)，通過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流使儲存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)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(dú)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(shí)現(xiàn)增加電池容量，通過更換電解液實(shí)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(diǎn)使得液流電池成為儲能技術(shù)的首選技術(shù)之一。目前液流儲能技術(shù)已在美國、德國、日本和英國等發(fā)達(dá)國家示范性應(yīng)用，我國目前尚處于研究開發(fā)階段。全釩液流電池的難點(diǎn)在于通常使用的總釩離子濃度低于2mol/L，導(dǎo)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(jià)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(shù)路線。鋰離子電池具有能量密度大、自放電小、沒有記憶效應(yīng)、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(diǎn)，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(fù)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(fù)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(fù)極的鋰離子電池工作原理示意圖。

　　由于鈦酸鋰為零應(yīng)變材料，可以避免由于電極材料的來回伸縮而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，從而大幅度提高了鋰離子動(dòng)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(fù)極上形成鋰枝晶，從而大大提高了鋰離子動(dòng)力電池的安全性。這些改進(jìn)使得鋰離子動(dòng)力電池在儲能領(lǐng)域的應(yīng)用成為可能，目前以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子動(dòng)力電池儲能技術(shù)正成為國內(nèi)外競相開發(fā)的熱點(diǎn)。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(yùn)行表明可以輸出250kWh的能量，能量轉(zhuǎn)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(fù)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(yù)計(jì)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(dòng)力科技有限公司經(jīng)過5年的技術(shù)開發(fā)，于2010年開發(fā)出了儲能領(lǐng)域應(yīng)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(yù)計(jì)該產(chǎn)品2011年可以面向市場銷售。

　　除了以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子動(dòng)力電池可以應(yīng)用在儲能領(lǐng)域外，隨著磷酸鐵鋰正極材料的應(yīng)用，傳統(tǒng)的碳負(fù)極鋰離子動(dòng)力電池的壽命和安全性也得到較大提高，也可應(yīng)用于儲能領(lǐng)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(yán)重的一致性問題，即使單體電池壽命可以達(dá)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(jìn)行儲能應(yīng)該是最可行的技術(shù)路線。

　　3.其它儲能技術(shù)

　　超導(dǎo)電磁儲能是把電能轉(zhuǎn)化為磁能儲存在超導(dǎo)線圈的磁場中，通過電磁相互轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)儲能裝置的充電和放電。由于超導(dǎo)狀態(tài)下線圈沒有電阻，因此超導(dǎo)儲能的能量損耗非常小。但由于超導(dǎo)狀態(tài)要求線圈處于極低溫度下才能實(shí)現(xiàn)，而低溫需耗費(fèi)大量能源，且不易小型化，所以該項(xiàng)技術(shù)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(yīng)用于中央空調(diào)等領(lǐng)域，是一種新興的儲能技術(shù)。

　　二、儲能技術(shù)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(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會數(shù)據(jù)，2009年中國（不含臺灣省）累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量25805.3MW。那么，按國電的研究計(jì)算，我國儲能行業(yè)就蘊(yùn)藏著約5161～7742MW的市場。到2020年，我國風(fēng)電和太陽能裝機(jī)容量都將達(dá)到千萬千瓦級別，儲能電池的市場將達(dá)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(lǐng)域。

　　鋰離子電池是近10年高技術(shù)研究的最重要成果之一，代表著化學(xué)電源發(fā)展的最先進(jìn)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(jìn)便攜式電子產(chǎn)品的主要配套電源，在移動(dòng)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(dá)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(dǎo)者之一。隨著鋰離子電池新材料的研發(fā)、電池制作技術(shù)的創(chuàng)新以及眾多科研機(jī)構(gòu)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(dòng)汽車領(lǐng)域正逐步顯示出應(yīng)用優(yōu)勢。日本富士經(jīng)濟(jì)認(rèn)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(shù)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(yīng)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(shù)應(yīng)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(yàn)項(xiàng)目，這將引發(fā)相關(guān)制造設(shè)備和廠房的新一輪投資，同時(shí)，眾多新進(jìn)入鋰離子動(dòng)力電池及材料的廠商將使相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)競爭更趨激烈，大容量鋰離子電池儲能電站將此基礎(chǔ)上逐漸興起。