1.2.2 電化學儲能

電化學儲能利用電池實現電能與化學能的相互轉化，其主要原理是利用可逆的氧化還原反應，離子在電池內發生轉移，從而帶來電荷流動，最終實現電能的存儲和釋放。電化學電池主要由電極、電解質以及隔膜構成，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汽車行業的迅猛發展，技術和產業成熟度快速提升，目前已成為國內外儲能應用的主流技術類型，已在電源側、電網側和用戶側開展了大量工程實踐。

鋰離子電池是目前比能量最高的實用二次電池，其工作原理如圖1-5所示，電池由正極、負極、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，適合作負極的材料有石墨、硬（軟）碳和鈦酸鋰等。

鋰離子電池儲能的技術特點如下：

1）適用度高，技術進步快，發展潛力大，鋰離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，且從事相關科研、產業和應用的人員較多，技術進步較快。隨著技術經濟性的提高，將更加廣泛地應用于各種場景。

2）轉換效率高，能量密度大。鋰離子電池單體能量轉換效率可達近100%，系統效率一般近90%，能量密度可達約200Wh/kg。

3）使用壽命和循環次數提高顯著。隨著技術更新換代加速，目前鋰離子電池的使用壽命一般能達到8～10年，正常工況下循環次數可以達到4000～5000次。

雖有潛在安全隱患，但整體可防可控。當前，使用可燃性電解質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、制作工藝迭代升級、防護理論逐漸完善，鋰離子電池單體及系統的安全性能已有了大幅改善，整體已經基本滿足應用需求。未來在高壓高溫電解液、無機化隔膜、固態電解質、新一代生產工藝、智能管理、專用消防滅火等技術手段基礎上，其安全性能將得到進一步提升。

目前，鋰離子電池儲能系統工程建設成本為300～400美元/kWh，儲能系統本體占70%～80%。電池儲能系統本體主要由電池單元、系統組件、管理系統等構成，其中電池單元約占60%，系統組件約占15%，管理系統約占10%，其他設備約占15%。在電池單元成本構成中，正極材料約占40%，負極材料約占15%，電解液約占20%，隔膜約占10%，生產成本約占15%，成本構成如圖1-6所示。總體來看，材料成本通常占電池系統本體的50%以上。

近年來，鋰離子電池已經在通信電子行業和電動汽車行業全面應用。隨著制造技術不斷完善和成本不斷降低，許多國家已經將鋰離子電池用于儲能系統，其研究也從電池本體及小容量電池儲能系統逐步發展到大規模電池儲能電站的建設應用。截至2018年年底，全球已建成鋰離子電池儲能系統約578萬kW，主要用于平滑新能源出力波動、跟蹤新能源計劃出力，為電力系統提供調峰、調頻、調壓、需求響應及備用等多種服務。2018年，我國電化學儲能市場出現爆發式增長，電網側和用戶側儲能應用成為主要的增長點，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，基本的電池反應如下：

正極：

負極：

總反應：

普通鉛酸電池的能量密度為30～40Wh/kg，功率密度為150W/kg，循環壽命為1000次左右（80%充放電深度），能量轉換效率為80%，電池價格為1000元/kW。鉛酸電池具有安全可靠、價格低廉、技術成熟、工作溫度寬、再生利用率高、性能可靠和適應性強并可制成密封免維護結構等優點，目前在汽車啟動電源、UPS及EPS等傳統領域中，鉛酸電池仍然在電池市場中占主導地位。但傳統的鉛酸電池壽命短、能量密度低、系統管理粗放的缺點使得其無法滿足未來電網靈活多樣的儲能應用需求。目前，世界眾多研究機構和公司均已重點關注長壽命鉛酸電池和鉛炭超級電池（見圖1-7）在儲能領域的研究、開發與應用。

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以液態形式存在，既是電極活性材料又是電解質溶液，分裝在兩個儲液罐中，各由一個泵使溶液流經液流電池電堆，在離子交換膜兩側的電極上分別發生還原和氧化反應，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，全釩體系發展比較成熟，具備MW級系統生產能力，已建成多個MW級工程示范項目。

液流電池作為一種專用的儲能型電池，其額定功率可以達到數十兆瓦，同時其有著壽命長、容量大的顯著優勢，可用于備用電源、輔助可再生能源并網、削峰填谷等場合，但液流電池系統結構復雜、效率低、能量密度（特別是體積能量密度）低、成本較高，整體技術尚不成熟。

目前，全釩液流電池的成本約為480美元/kWh，其構成如圖1-9所示。電解液成本約占總成本的43%，易受上游釩價格波動的影響；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，電池系統占地面積較大，全釩液流電池適合建設在對占地要求不高的新能源發電場站周邊，提高新能源發電的可調節性，參與系統調峰等能量型應用。

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和隔膜的β-氧化鋁陶瓷管、鈉負極、硫正極、集流體以及密封組件組成，電池結構與工作原理如圖1-10所示。

目前鈉硫電池的成本約為25000元/kW，循環壽命為2500次（100%深度充放電），能量轉換效率大于83%。根據應用需求，可由鈉硫電池模塊級聯構成大規模儲能系統。

鈉硫電池經過多年的商業化應用，具有先發優勢，積累了較多的工程應用經驗，可根據應用需求通過鈉硫電池模塊組合使系統規模達到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，鈉硫電池在高溫運行，金屬鈉和單質硫均是液態，存在安全隱患。

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