新型储能技术发展与展望

杨于驰 张媛 莫堃

(东方电气集团科学技术研究院有限公司，四川 成都 611731)

2020年9月，习近平总书记向全球作出“碳达峰、碳中和”郑重承诺，实现碳达峰和碳中和成为中国高质量发展的内在要求。其中电力行业是实现我国“双碳”目标的主力军[1-2]。目前，我国已明确“构建以新能源为主体的新型电力系统”。新能源发电具有绿色、低碳或零碳排放的特点，但面临季节性、间隔性和波动性等突出问题，与电力需求存在错配。当未来以风电、光伏为代表的新能源逐渐成为新型电力系统的主体时，需要配置大量灵活性调节资源以实现电力供需时空解耦，保证电力供需安全[2-3]。

储能作为一种电力灵活性调节资源，可利用介质或者设备，通过化学或物理的方式把过剩的能量以电、热、化学物质等形式存储起来，根据应用需求再以特定能量形式释放，一般来说储能主要指电力储能。储能是构建新型电力系统的基础装备，是实现发电端和负荷端时空解耦、推动源网荷储一体化和多能互补的关键环节，是实现“双碳”目标和完成能源革命的重要支撑技术，也是催生国内能源新业态的重要依托[4-6]。

依据《新型储能项目管理规范(暂行)》(国能发科技规〔2021〕47号)文件定义，新型储能主要指“除抽水蓄能外以输出电力为主要形式，并对外提供服务的储能项目”。新型储能技术包括电化学储能、压缩空气储能、飞轮储能、超级电容储能、氢储能、熔盐储能等方式。本文总结了现阶段主流的锂离子电池、液流电池、钠离子电池、压缩空气储能技术研究现状和前沿技术进展，作为未来开展新型储能技术研究工作的基础，同时为储能领域相关人员提供参考。

1 储能技术发展总体情况

1.1 储能技术分类

不同储能技术的经济性、技术特点和使用场景不同。如图1所示，根据技术特点和能量形式不同，储能技术可分为机械储能、电化学储能、热储能、电磁储能、化学储能共五大类。

图1 储能技术对比图

机械储能包括抽水蓄能、压缩空气储能、二氧化碳储能、飞轮储能、重力储能等，其中抽水蓄能是目前技术最为成熟、成本最低、装机规模最大的储能技术。电化学储能包含铅蓄电池、锂离子电池、钠硫电池、液流电池、钠离子电池、超级电容器等，其中锂离子电池是应用最为广泛、发展潜力最大、装机规模增速最快的电化学储能技术。热储能包含水储热、熔盐储热、固体颗粒储热、热化学等。电磁储能主要指超导磁储能。化学储能包含氢储能(PEM电解水制氢)、合成天然气、合成化工产品等[7-9]。

1.2 储能技术指标

不同储能技术成熟度与系统成本差异较大，技术特点决定了储能的应用场景。技术成熟度高、应用场景丰富、系统成本低的储能方式将在未来储能市场上成为主流技术，表1总结了不同储能的技术指标[5-9]。

表1 储能技术参数对比分析

1.3 新型储能市场规模

近年来，储能规模化应用呈现强劲趋势，多种储能技术正广泛应用于可再生能源开发、消纳、综合智慧能源系统、有源配电网、微电网，不断在发电侧、电网侧、用户侧推广应用。如图2所示，截至2021年底全球已投运储能项目累计装机规模达到了209.4 GW，其中抽水蓄能的装机规模是180.5 GW，新型储能装机规模是25.5 GW[10]。如图3所示，在新型储能技术中，除了主流的锂离子电池储能技术以外，熔盐储热、铅蓄电池、钠硫电池、压缩空气储能、飞轮储能等技术也有一定的装机量占比，尤其是2022年压缩空气储能装机规模有了明显增长。

图2 全球电力储能市场累计装机规模

图3 全球新型储能市场累计装机规模

2 锂离子电池

2.1 基本概述

锂离子电池的特点是能量密度高、充放电效率高、响应速度快、产业链完整，是近年来发展最快、潜力最大的电化学储能技术，装机规模仅次于抽水蓄能，目前处于商业化应用早期。锂离子电池的储能容量取决于单体电芯的容量以及模块化组装的电池数量。

2.2 发展现状

目前锂离子电池作为一种主流的新型储能技术，已经进入商业化初期阶段，在全球范围内装机规模显著。锂离子电池储能系统主要由电池组、储能变流器(PCS)、电池管理系统(BMS)、能量管理系统(EMS)以及其他电气设备组成。电池是其中成本最高、技术门槛最高的部分，是整个锂离子电池储能的核心，锂电池的经济性和性能高度依赖于电池的经济性和性能。按照锂电池所使用的正极材料不同，锂离子电池可以分为磷酸铁锂电池、镍钴锰三元锂电池、钴酸锂电池以及锰酸锂电池[11]。

2.3 前沿技术

现阶段，高性能、低成本的正负极关键材料体系和电池固态化是研究重点。关键材料体系研究方面，美国阿贡国家实验室Khalil Amine、陆俊和北京大学潘锋教授等[12]研究了钴对于电池性能的影响，发现锰的替代能够有效缓解钴的破坏作用，并成功制备出了一种无钴正极材料LiNiαMnβXγO2。王春生等[13]报道了一种高浓度水系电解液体系，通过在水系电解液中添加高浓度的双三氟甲基磺酰亚胺盐，缓解了传统水系锂离子电池的充放电电压区间窄、能量密度低的问题，将水系体系的电压窗口扩大至3 V。Gao J X等[14]制备出一种新型的固体电解质材料Li3Zr2Si2PO12，其电导率突破了10～4 S/cm(20℃)。

陈海生、李泓等[15]梳理了近期主流企业在锂电池前沿技术方面取得的最新成果，包括蜂巢能源研制出充电10 min，巡航里程可达400 km的锂离子电池新体系；蔚来发布了电芯能量密度突破360 Wh/kg的半固体电池；北京卫蓝新能源联合浙江锂锋共同开发出一款长寿命的混合固液电解质储能锂电池，实现了10000次的超长寿命等。

2.4 发展展望

未来，锂离子电池技术将朝着长寿命、高安全性、低成本方向发展，循环寿命长、安全性高、成本低廉的正负极材料体系，能量密度高、安全的电池模组结构，精准可控的电池管理系统等是重点技术研发方向。“十四五”期间将开发百兆瓦级大规模、本质安全的锂离子电池储能技术，系统成本降低30%以上，循环寿命突破15000次。

3 液流电池

3.1 基本概述

液流电池是通过储罐将电解液输送至电堆内并在交换膜处发生氧化还原反应进行能源存储与转化，按照液流电池反应中参与元素不同，可分为全钒液流电池、锌基液流电池、铁铬液流电池等[15-16]。全钒液流电池由新南威尔士大学M.Skyllas-Kazacos首次提出[17]，是目前装机规模最大的一种液流电池，其突出特点是寿命长、规模大、安全性高、电解液可回收利用、能实现能量和功率解耦，缺点是现阶段成本高昂，维护成本高；体积和质量庞大，能量密度低；运行温度范围较窄，相较于锂离子电池，全钒液流电池使用温度要保持在0～45℃[15-16]。全钒液流电池的能量密度由电解液的浓度和体积决定。

3.2 发展现状

技术研究方面，张华民团队[18-21]在电解质溶液、非氟离子传导膜、碳塑复合双极板和电堆结构设计技术等方面开展了深入研究，团队研制的2 kW电堆在恒功率充放电测试时，保持电堆能量效率大于80%的工况下电堆的工作电流密度能达到345 mA/cm2，显著提升了电堆能量密度。

产业化方面，以北京普能、大连融科等为代表的国内外多家企业在材料制备、关键零部件制造、系统集成、智能控制等取得了一些成果。其中北京普能已安装并运行50多套全钒液流电池储能系统；大连融科已实现了钒液流电池材料的国产化和批量化生产。

3.3 前沿技术

目前液流电池前沿技术研究主要集中在新型离子液成分和隔膜研究，以提升液流电池经济性。离子液方面，铁、锌、锰等储量丰富的金属被当作电解液有效成分得到了广泛研究。现阶段，多个团队相继开发出锌锰[22]、锌碘[23]、钛锰[24]、铁基[25]等多种新型离子液体系。Xie C X等[23]研究出一种锌-碘液流电池，选择KI和ZnBr2作为电解液活性物质。Savinell团队[25]报道了一种全新的全铁液流电池，利用铁离子和金属铁单质间可逆的氧化还原反应储存能量。相较于全钒液流电池，铁离子的成本更低、不具备毒性，如果能进一步提升容量和循环寿命，更加适用于大规模长时储能。隔膜方面，目前传统的质子交换膜成本较高，基础研究多聚焦于开发新一代低成本隔膜，例如复合膜、阴离子交换膜等。张华民等[26]报道了一种聚醚砜(PES)和磺化聚醚醚酮(SPEEK)复合多孔膜，应用在锌-铁液流电池体系中，有效提升了液流电池的电化学性能，且成本不高。

3.4 发展展望

为了提升液流电池经济性，推动其产业化发展，开发高性能、耐腐蚀的碳毡材料体系，完善液流电池电堆密封技术和模块化设计，提升电堆整体性能和可靠性，强化电解液回收利用技术，进一步降低液流电池系统成本是技术研发重点。未来将加快实现百兆瓦级大型液流电池储能关键技术攻关和试点示范项目建设，积极推动液流电池产业化。

4 钠离子电池

4.1 基本概述

钠离子电池作为一种二次电池，与锂离子电池的结构和工作原理类似，由正极、负极、电解液和隔膜组成，并依靠钠离子在正负极之间来回穿梭工作。目前钠离子电池储能技术处于技术研发阶段，是未来具有巨大发展潜力的新型电化学储能技术。

4.2 发展现状

钠离子电池的能量密度远高于传统的铅蓄电池，且接近目前主流的磷酸铁锂电池。与锂离子电池相比，钠离子电池作为一种先进的电化学储能技术，在资源丰度、成本、安全性、高温性能等方面具有显著的优势：金属钠的储量丰富，远高于金属锂的储量(钠的地壳丰度为2.75%，锂的地壳丰度为0.0065%)；钠离子电池的原材料成本低(碳酸锂价格约50万元/吨，碳酸钠价格约3000元/吨)，据中科海纳测算，钠离子电池材料成本比锂离子电池低30%～40%；钠枝晶不易生成，装配后的电池安全性更好；钠离子高低温性能保持率更高，在-20℃下使用仍然有90%的容量保持；与锂离子生产工艺可兼容[27-28]。国内外已有超过二十家新能源企业布局钠离子电池产业，在核心材料制备和电池性能研究方面已经取得了一些成果。

4.3 前沿技术

目前，钠离子电池前沿技术研究主要集中在高性能、高安全性的材料体系开发。钠离子电池正极材料体系主要分为三类：层状氧化物、聚阴离子类化合物、普鲁士蓝类。其中，层状氧化物的代表性产品为NaFeO2和NaMnO2，特性是比容量和电压平台较高，能量密度高，但稳定性差；聚阴离子化合物，代表性产品为Na3V2(PO4)3，其特性是安全性和稳定性好，但比容量较低，导电性不佳；普鲁士蓝类化合物，其特性是比容量高，但稳定性稍差。传统的层状氧化物能量密度较低，Rong X H等[29]研究发现，在层状氧化物中引入阴离子氧化还原反应后可有效提升材料的比容量；Qi Y R等[30]报道了一种室温条件下批量化制备聚阴离子类正极材料的方法。负极材料研究方面，Meng Q S等[31]报道了一种用于提升钠离子电池性能的硬碳负极材料；Wang Y等[32]研制出一种Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2负极材料，性能优异。

4.4 发展展望

未来，钠离子电池将集中攻克单体电池和电池系统等关键技术，包括低成本、高性能正负极核心材料制备放大技术，电解液/隔膜体系优选技术，电芯安全可靠性设计技术，高安全、高倍率和宽温电芯设计制造技术、电池正负极材料的评价技术、大圆柱及大方形铝壳电芯的制造工艺技术、电池的安全性设计及评价技术、电池大规模筛选及成组技术等，尽快实现百兆瓦级大规模储能应用。

5 压缩空气储能技术

5.1 基本概述

压缩空气储能技术具有储能容量大、储能周期长、系统效率高、运行寿命长、比投资低等优点，是继抽水蓄能之后第二大适合吉瓦级大规模电力储能技术，目前处于项目试点示范阶段。

5.2 发展现状

压缩空气储能技术分为传统与新型两大技术路线。传统压缩空气储能系统又可称为补燃式压缩空气储能(CAES)，是基于燃气轮机技术开发的一种储能系统。在用电低谷，将空气压缩并存于储气室中，使电能转化为空气的内能存储起来；在用电高峰，高压空气从储气室释放，进入燃气轮机燃烧室同燃料一起燃烧，然后驱动透平发电。传统压缩空气储能系统的结构简单、技术成熟度高、设备运行可靠，但依赖于储气洞穴与化石燃料，系统效率低下，存储与转换过程会带来新污染。

与传统压缩空气储能相比，新型压缩空气储能攻克了传统压缩空气储能的部分技术瓶颈，未来具有规模化应用潜能。绝热压缩空气储能中增加了蓄热回热技术，回收再利用气体压缩过程所产生的压缩热，在压缩空气发电时不需再燃烧化石燃料，不再依靠补燃的方式发电，提高了压缩空气储能的适应性和清洁化；等温压缩空气储能是在压缩过程中实时分离压缩热能和压力势能，使得空气在压缩和膨胀过程中不发生较大的温度变化，最终通过空气在准等温压缩过程和膨胀过程中变化实现能量的存储与转化，一般以小功率为主；液态空气储能是将空气压缩液化储存或高压气态存储于储气装置中，摆脱对储气洞穴的依赖，提高了压缩空气储能对选址的适应性；超临界压缩空气储能是通过压缩、膨胀、超临界蓄热及换热、系统集成优化，整体提高系统效率，同时解决传统压缩空气储能所有技术瓶颈[33-35]。

压缩空气储能目前还处于技术迭代和示范项目运行阶段，仅有小规模装机项目，还未实现规模化商业化项目运行。2013年河北廊坊建成国内首套1.5 MW压缩空气储能系统，储能系统效率为52%。2017年贵州毕节10 MW压缩空气储能项目开始运行。2017年，我国压缩空气储能首个国家示范工程项目——江苏金坛60 MW压缩空气示范项目开工建设，并于2022年正式投产。

5.3 前沿技术

压缩空气储能前沿技术研究主要集中在压缩机、膨胀机等关键零部件性能研究以及系统集成能力提升，陈海生、徐玉杰等[4]对压缩空气储能技术进展做了详细总结分析。压缩机方面，Sun J T等[36]研究了湿压缩法对压缩机性能的影响，发现压缩机利用湿压缩法在设计工况下耗功降低1.47%；膨胀机方面，孙冠珂等[37]详细研究了膨胀机进气结构，通过内部流场的分析，揭示了内部流场结构和损失机理；系统集成方面，中国科学院工程热物理所[4]积极攻克百兆瓦级先进压缩空气储能系统集成技术，在张家口建设国际首套100 MW压缩空气储能系统。

5.4 发展展望

持续攻克宽工况压缩机技术、高负荷轴流式膨胀机技术、高效蓄热换热器技术以及系统集成技术，推动百兆瓦级别大规模先进压缩空气储能系统广泛应用是技术发展重点，进一步降低大规模压缩空气储能系统成本，提升经济性。

6 结论

在“双碳”及构建新型电力系统的目标下，“新能源+储能”的发展模式已经成为行业共识，储能作为独立市场的主体地位已基本明确，储能产业将迎来飞速发展。抽水蓄能技术受限于建设周期长、响应时间长、环境适应性等问题，不能充分满足未来新型电力系统发展要求，以锂电池为代表的电化学储能技术因为装机灵活性高、建设周期短、环境适应性强等因素逐渐在储能市场中受到重视，装机规模不断增长，经济性不断提升。此外，压缩空气储能作为有发展潜力的大规模长时储能技术，技术迭代和工程示范也不断加快。传统抽水蓄能和各种新型储能技术各有优势，未来，针对不同应用场景和各地区电力系统需求，创新探索高效、低成本、本质安全、多时间尺度的储能技术，持续提升储能系统集成能力和智慧可控水平，并综合考虑不同储能方式的技术特点及度电成本，开展多元化、多时间尺度的综合储能技术研究将是储能市场的发展趋势。