电力储能技术进展与挑战

2017-09-18蒋凯

电力需求侧管理 2017年4期

关键词：液流液态锂离子

蒋凯

（华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074）

◆本刊专稿◆

电力储能技术进展与挑战

蒋凯

（华中科技大学强电磁工程与新技术国家重点实验室，武汉 430074）

近年来，我国在全国范围内进行电网改造和升级，对工业企业进行节电改造，对全国居民的生活节能节电给予补贴，标志着我国电力工业已经进入需求侧管理时代。电力储能技术的引入将有效削减负荷峰谷差，降低供电成本，有效实现需求侧管理。同时，规模储能技术的广泛应用将大大增强电网对大规模可再生能源的接纳能力，实现间歇式可再生能源发电的可预测、可控制、可调度，促进传统电网的升级与变革，实现发电和用电之间在时间和空间上的解耦，彻底改变现有电力系统的建设模式，促进电力系统从外延扩张型向内涵增效型的转变，提高供电可靠性和电能质量［1］。因此储能技术在现代电力系统中具有举足轻重的作用（如图1所示）［2］。现有储能技术包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能和超导磁储能等物理储能技术，和锂离子电池、铅炭电池、液流电池、钠硫电池、液态金属电池和超级电容器等电化学储能技术［3—6］。不同储能技术的工作原理、转化效率以及成本、寿命等储能特性都存在着很大的差异，因此它们在电力系统中适用的场合也各不相同［2］。一般来说，飞轮储能、超导磁储能和超级电容器等适合高倍率的功率型应用，其他技术适合规模储能的能量型应用。下面将对不同类型的储能技术分别进行简要介绍，以期为电力储能技术的发展提供一定的参考。

图1 用于发、输、配和终端客户的电力储存应用示意图［2］

1 物理储能技术简介

1.1 抽水蓄能

抽水蓄能技术成熟、可靠、经济性强，适用于调峰、调频、调相、电网的黑启动电源和事故备用等，是目前最成熟的大规模储能技术。但其对厂址的要求较高，大多建设在山区丘陵地带，受地理因素等限制。现阶段，我国迫切需要攻克高水头、大容量机组的设计、制造难关，实现机组设计制造国产化，从根本上降低我国抽水蓄能电站的工程造价，实现抽水储能技术的进一步发展［7］。

1.2 压缩空气储能

压缩空气储能规模大、效率高、能量密度较高，相比于抽水储能选址更为灵活，因此得到广泛的关注，有望成为未来大规模储能的重要技术方向之一［8］。目前压缩空气储能仍然面临一些亟待解决的问题，例如:效率偏低、储气室受限、燃料的限制、初始投资巨大和投资动力不强等。未来压缩空气储能的发展在克服以上问题的同时，将会朝着储能规模大、效率高、投资成本低、能量密度高的超临界压缩空气储能系统等方向发展。

1.3 飞轮储能

飞轮储能技术具有功率密度大、能量转换效率高、对温度不敏感、环境友好、使用寿命长和充电时间短等优点。但是飞轮储能的储能密度相对较低，自放电率较高，其应用和发展受到了较大的限制［9］。我国在该项技术领域起步较晚，投入不足，目前还处于初级研发阶段。现阶段需要大力加强飞轮转子的故障保护、高速电机设计制备和低能耗真空获得与维护等技术研发，实现飞轮储能系统的工业化应用。

2 电化学储能技术介绍

电化学储能具有功率和能量可以根据不同应用需求灵活配置、响应速度快、不受地理资源等外部条件的限制等优势，适合批量化生产和大规模应用，在电力储能方面具有广阔的发展前景［3］。电化学储能包括液流电池、锂离子电池、钠硫电池（ZEBRA电池）、铅酸（炭）电池、镍氢电池和液态金属电池等，表1为各种电化学储能技术的相关参数［10—13］。下面着重对几类应用前景较好的储能电池技术进行介绍。

2.1 锂离子电池

锂离子电池以其较高的比能量/比功率、充放电效率和输出电压，较长的单体电池使用寿命，自放电小、无记忆效应等优点在移动电子设备、动力工具和新能源汽车等领域得到广泛的应用［14］。锂离子电池的工作原理如图2所示［15］。电池在充电过程中，正极中的锂离子脱出，经过电解液传递并嵌入负极石墨层间晶格，放电则执行相反的过程。锂离子电池反应机理被称为“摇椅式”机制。

表1 不同储能技术参数比较［10—13］

图2 锂离子电池工作原理模型［15］

近年来，在美国华盛顿、加利福尼亚、纽约和密歇根等地方建立了不同规模的锂离子电池储能系统，用于削峰填谷，提高电网可靠性和实现微网可再生发电等方面。智利和韩国等国家也采用锂离子电池储能技术进行电网调频和改善电能质量等。我国作为锂离子电池生产大国，自2010年起已经在福建安溪、宁德，河南郑州，广东东莞和江苏常州等地建立起锂离子电池储能系统，成功应用于削峰填谷，提高电网接纳风电能力等［16］。在未来锂离子电池的发展中，需要进一步发展高比容量，循环性能优异且成本低廉的关键电极材料，优化正极、负极、电解质溶液的匹配技术和电池制造工艺，显著提升锂离子电池的循环寿命和安全特性，进一步降低电池成本。

2.2 铅炭电池

铅酸电池发展历史悠久，原料丰富、成本低廉、安全性好，在蓄电池市场有着不可取代的地位，但是铅酸电池负极硫酸盐化现象导致循环寿命较短，限制了电池的长足发展［17］。铅炭电池作为一种新型铅酸电池，只需在铅酸电池负极添加适量的碳材料即可，有效抑制负极硫酸盐化现象，其倍率性能和循环寿命得到了显著提升，有望在储能领域广泛应用［18］。铅炭电池的结构原理图如图3所示［19］。

图3 铅炭电池结构原理图［19］

铅炭电池储能技术在国内外均有广泛的示范应用。2011年前后，美国在北美地区建立了容量为3 MW/1～4 MWh的电网级铅炭电池储能项目，在夏威夷Oahu和Maui分别建立了容量为15 MW/10 MWh和10 MW/20 MWh的铅炭电池风电储能系统，应用于电网辅助能量存储、频率调节和能源需求管理等。澳大利亚将3 MW/1.6 MWh的铅炭电池储能系统投入到King岛项目中，保证新能源接入电网。哥伦比亚和南极洲部分区域也建立起了以铅炭电池技术为核心的储能系统。目前铅炭电池储能技术在我国的河北、青海、西藏、浙江等省的14个微网储能项目中均有应用。在未来应该优化铅炭电池制作工艺，探讨碳材料最优添加量，对碳材料进行改性或者添加析氢抑制剂以抑制负极析氢现象，从而进一步提高铅炭电池的循环寿命。

2.3 液流电池

液流电池是利用正负极电解液分开存放，各自循环的一种高性能储能电池。其活性物质存在于电解液中，实现了电极与活性物质空间上的分离。电池功率由电极的尺寸大小和电堆中电池的数目决定，电池容量则由电解质的浓度和体积决定，因此电池功率和容量可以分开设计，灵活方便。其结构原理图如图4所示［20］。充放电时无固相电极过程及形貌变化，理论寿命较长，安全性能较高。目前比较成熟的液流电池体系包含铁铬体系、铁钛体系、钒溴体系和全钒体系等［21—24］。其中全钒液流电池的正负极活性物质均为钒，可以避免活性物质通过离子交换膜扩散造成的元素交叉污染，优势明显，是目前最主要的商用化发展技术方向。

图4 氧化还原液流电池示意图［20］

液流电池在提升可再生能源入网、平衡电网稳定性等方面将发挥重要作用，受到国内外的广泛关注。美国在2011年储能发展规划中已将液流电池作为重要的储能技术发展方向，之后一年内资助建立了12个液流电池储能系统。2015年加拿大安大略省也开展了4个液流电池储能项目。我国于2012年建立了全球最大规模的5 MW/10 MWh辽宁卧牛石风电场全钒液流储能系统，在国内外率先实现了该技术的示范应用。当前我国正在建立200 MW/800 MWh全钒液流电池国家储能示范项目。现阶段液流电池发展面临的主要问题为发展高性能电解液，优化隔膜和极板材料，进一步降低成本，提高性能，从而更好的推动其产业化发展。

2.4 钠硫电池和ZEBRA电池

钠硫电池的正负极材料分别为熔融态的硫和钠，电解质为氧化铝陶瓷管，当工作温度在300～350℃。钠硫电池的原理图如图5a所示［25］，钠离子透过电解质隔膜与硫之间发生的可逆反应，从而进行能量的释放和储存。钠硫电池的理论比能量高达760 Wh/Kg，实际可达150 Wh/Kg，为铅酸电池的3—4倍，充放电效率高，循环寿命较长［3］。ZEBRA电池与钠硫电池的结构十分相似，但不同的是ZEBRA以固态多孔的二氯化镍（NiCl2）等为正极并且加入液态的NaAlCl4为二次电解质，其原理图如图5b所示［10］。ZEBRA电池放电时，负极中的金属钠离子化后通过β"-A12O3，扩散到正极与NiCl2反应生成Ni金属和NaCl，充电则执行相反的过程。ZEBRA电池的能量密度可达到100 Wh/Kg，寿命较长，储能成本低，具有较好的耐过充过放特性，安全性能较高。

图5 钠硫电池原理图［25］和ZEBRA电池原理图［10］

日本NGK公司是全球唯一钠硫电池供应商，早在20世纪80年代就与东京电力公司合作研发钠硫电池应用于储能领域。20世纪90年代末期，成功发展了兆瓦时级的储能系统，主要用来削峰填谷、辅助备用和稳定电网［26］。2002年美国在俄亥俄州利用NGK公司提供的钠硫电池建成了100 kW/500 kVA的示范电站，2006年相继在西弗吉尼亚州建立了钠硫储能电站，成功保证了周边地区居民的电能供应。在我国，钠硫电池也得到了越来越多的关注。目前上海电力与中科院硅酸盐所针对β-氧化铝陶瓷管电解质的规模化制备和一致性控制等开展了系列研究，已经成功研制出650 Ah单体，建立了2 MW的电池单体中试线［27］。2010年100 kW/800 kWh的钠硫电池储能系统被成功应用于上海世博园智能电网项目。上海电力公司在2013年陆续通过了3个钠硫电池储能项目的验收。但是钠硫电池制造成本较高，倍率性能较差，实际寿命有限，安全隐患大，严重限制了其在储能系统中的应用。

瑞士的MAS⁃DEA公司和美国的GE公司已经实现了管型设计的ZEBRA的产业化应用。ZEBRA电池已经被成功用在奔驰、宝马3和Clio等汽车中，在通信和军事上也具有良好的应用前景［28—31］。今后需要加大对ZEBRA电池的研发力度，进一步提升电池的能量密度和功率密度，推进ZEBRA电池的国产化和商业应用。

2.5 液态金属电池

近年来，一种廉价、高效的新型液态金属电池储能技术［32—34］得到了较快的发展。图6为液态金属电池的工作原理图，电池由上下2层液态金属和中间的无机熔融盐电解质组成，其中3层液态互不混溶且根据密度差异自动分层。电池的运行温度在300～500℃。液态金属电池在长期使用的情况下不存在电极形变和枝晶生长的现象，展现出良好的安全性能和较长的循环寿命（预计寿命长达10 000循环，15年）。液态金属电池不需要特殊的隔膜，使电池体系易放大和生产不受关键技术限制，储能成本（低于250美元/kWh）。液态金属电池的优良特性可以满足大规模储能市场的要求，因此在储能领域具有广阔的应用前景。

图6 液态金属电池工作原理图

目前华中科技大学等单位致力于研发液态金属电池，针对关键电极和电解质材料做了大量研究工作，有效提高了电池的安全特性，成功实现了电池单体放大，快速推动了液态金属电池储能技术的发展。要实现液态金属电池规模应用，必须有效解决电池的高温密封和腐蚀等问题，同时发展新材料、新体系，进一步降低电池操作温度，降低储能成本。

3 结束语

储能产业在传统电网的改造和智能电网建设方面的重要性日益凸显。目前抽水储能发展最为成熟，但是仍然需要进一步实现高性能机组设计、制造国产化，降低储能成本。压缩空气储能作为重要规模储能技术，今后的发展方向为效率、稳定性更高，成本更低的超临界压缩空气储能。飞轮储能技术起步较晚，目前仍处于初级阶段，需要加大研发力度。

电化学储能技术已经在削峰填谷、提高电网稳定性和微网可再生发电等方面得到应用。目前锂离子电池使用最为广泛，但是需要进一步提高电池的安全性能，降低电池成本。铅炭电池有望成为大规模储能系统发展中的重要技术，其制作工艺和负极析氢问题仍需进一步优化与改进。液流电池在提升可再生能源并网率、平衡电网稳定性等方面有广泛的应用，但需要进一步优化关键材料，降低成本。钠硫电池的制造成本和安全性能仍然需要重点研究，需要加大对ZEBRA电池的研发力度，尽早实现电池的国产化。液态金属电池作为新型的廉价、高效的电池体系，其储能成本低、寿命长，经过技术攻关，有望在储能领域得到出较好的应用。D

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（本栏责任编辑徐文红）

The developmentand challenges ofelectric energy storage technologies

JIANG Kai

（State Key Laboratory ofAdvanced Electromagnetic Engineering and Technology, Huazhong University ofScience and Technology,Wuhan 430074,China）

电能存储技术是实现需求侧能量高效管理、有效提高可再生能源入网的关键技术。介绍了面向电力储能应用的抽水储能、压缩空气储能和飞轮储能等物理储能技术的发展现状和亟待解决的问题，重点阐述了具有广阔应用前景的电化学储能技术，包括锂离子电池、铅炭电池、液流电池、钠硫电池（ZEBRA电池）和液态金属电池等的工作原理、技术优势及其在电网中的应用和挑战，为电力储能技术的发展提供参考。

电力储能；物理储能技术；电化学储能技术

Electric energy storage is the key enabler for im⁃provementofthe demand side energy managementand integration of renewable energy into grid.This paper analyzes the developmentsit⁃uation and the problems urgently needed to be solved in the field of physical energy storage technologies such as pumping energy stor⁃age,compressed air energy storage and flywheel energy storage. More importantly,a detailed discussion is made on the working prin⁃ciples,technicaladvantages as wellas the applications and challeng⁃es of electrochemical energy storage technologies,including lithium ion battery,lead carbon battery,flow battery,sodium sulfur battery( ZEBRA battery)and liquid metalbattery.This paper offers some ref⁃erences forthe developmentofelectric energy storage technologies.

electric energy storage;physical energy storage technologies;electrochemicalenergy storage technologies