浅析锂电池技术在储能领域的应用与发展趋势

2023-12-21黄丽真

电子元器件与信息技术 2023年8期

黄丽真

厦门科华数能科技有限公司，福建厦门，361000

0 引言

随着全球能源转型的深入推进，储能技术成为可再生能源接入、电力系统稳定以及电动车等应用场景的重要支撑技术。其中，以其高能量密度、长寿命、充放电速度快、效率高而备受关注的锂电池，正在储能领域中发挥着日益重要的作用。锂电池技术不仅在储能领域的应用逐渐广泛，而且未来的发展潜力也不容忽视。

1 储能市场概况

据储能领跑者联盟（以下简称EESA）统计，2022年全球电力储能（新型）装机量为21.33GW/43.94GWh，中国电力储能（新型）装机量为7.16GW/15.94GWh。预计2023年全球储能新增装机量有望达到34.9GW/77.9GWh。2023年全球储能需求有望达到189GWh，美国、中国、欧盟成为全球三大储能市场。

2 储能政策对于储能市场的影响

储能市场的发展受到政策的引导和支持，目前储能政策在储能市场中发挥着重要的作用。在“双碳”目标大背景下，中国出台多个储能政策，从储能技术、建设规模、经济性、安全性等各个方面入手，以政策驱动储能行业的实际发展。从海外市场来看，美国、德国、印度等相继出台相关政策加强对储能的支持，进一步推动储能市场高速增长。

首先，政策的出台可以提供储能市场的稳定预期和市场环境。政策制定者可以通过建立合适的法规和制度，确保储能市场的顺畅运作。其次，政策制定者可以通过出台相应的补贴政策、减免税收政策和研发资金支持等，鼓励储能技术的创新和应用，降低技术成本。此外，政策的引导可以促进储能市场的多元化发展。

3 电力系统对储能系统应用的需求

以新能源为主体的新型电力系统中“源网荷”波动加剧，储能运用于发、输、配、用各个环节，是提高电网安全稳定性的重要手段。根据储能系统安装位置，我们将储能应用场景分为发电侧、电网侧、用户侧三大主要类型。随着共享储能兴起，发电侧与电网侧储能界限逐渐模糊，我们根据受益方不同，将新能源配储归类为发电侧储能、用于调峰调频的电网侧储能、用于分布式光储一体化及削峰填谷的用户侧储能。

发电侧：在我国的北方地区，因为调峰容量不足、输电通道拥塞等造成了大量弃风、弃光问题，在可再生能源发电场站侧安装储能系统，则可以通过储能充放电的优化控制，缓解输电阻塞和电网调峰能力限制，提高可再生能源场站的上网电量。储能系统可以在电力过剩时储存电力，在电力短缺时短时间内提供电力，以平衡电力供需，增强系统稳定性。

电网侧：电力系统的负荷波动大，特别是在高峰期间，电力需求大幅增加。储能系统可以在低峰时期储存电力，在高峰期间释放电力，以满足高峰期间的电力需求，实现调峰负荷。分布在配网中的储能也可以在相关政策和市场规则允许的条件下为大电网提供调频、备用等辅助服务。

用户侧：用户侧储能系统可以协调分布式能源（如光伏、风电）的运行，储存其不稳定输出的电能，提高分布式能源的利用效率。用户侧的储能系统可以在电网负荷低的时段存储电能，待电网负荷高时释放，从而平衡电网负荷，减小负荷波动，降低电网运行成本。用户侧的储能系统可以提供电压、频率支撑等服务，提高用户侧电能的质量，在电力系统出现故障时，储能系统可以提供紧急备电，确保关键负荷的稳定运行，提高电力系统的可靠性。

4 现阶段锂电池作为储能装置分析

从技术层面来看，储能系统主要由储能变流器（PCS）、电池、电池管理系统、一体机、配电、预制舱及其他温度、消防、空调等辅助设备组成，储能监控系统负责整个系统的运行状态监测和维护，完成能量调度与功率控制，实现安全、高效运行。电池占据整个储能系统成本的60%左右，随着锂电产业链的完善，锂电成本进一步降低，锂电池具有明显的主导地位，逐渐成为最具竞争力的储能电池。首先，锂电池的成本不断下降，使得其在储能市场中的竞争力不断增强。其次，锂电池的技术不断改进，使得其在储能系统中的性能不断提高。锂电池具有高能量密度、高效率、长寿命等优点，可以满足储能系统对于能量密度、效率和寿命等方面的要求[1]。最后，锂电池的应用领域不断扩大，从电动车、手机等电子产品扩展到家庭储能系统、工商业储能系统、电网储能系统等大型应用场景。

5 锂电池技术在储能领域的应用现状

5.1 户用储能

户用储能市场仍主要在海外，锂电池技术在家庭储能领域已经得到了广泛的应用。在户用储能领域，电芯仍然以50Ah、100Ah方形铝壳电池为主，少数使用软包。户储主要解决方案有高压方案和低压方案，派能、沃太等主要推广192V高压方案，最常见的低压51.2V户储产品是单个模块5kWh，可堆叠2～4个，最大容量为20kWh，如科华iStoragE系列。但是，未来大圆柱电池可能成为户用储能电芯重要的方向。大圆柱电池生产效率高，可以显著降低生产成本，比如4680等46系列大圆柱电池，预计成本比方形铝壳方案降低10%左右。

5.2 工商业储能

工商业储能主要采用100Ah、120Ah、150Ah、200Ah、280Ah等电芯，目前采用的电芯方案正在从100Ah向280Ah升级迈进，系统需求超过6000次的循环次数，适合需要长时间持续运行的工商业场景。工商业储能电池技术也正在发生迭代和变更，2023年5月24—26日SNEC储能展会，比亚迪发布采用400Ah长刀电池用于工商业储能方案，蜂巢能源发布了124Ah短刀电池电芯用于99kWh工商储能方案，刀片电池是全新储能系统产品解决方案，推动储能全域刀片化，为大家带来更安全的刀片电池储能系统。

5.3 大型储能电站

储能电站规模越来越大，大电芯在电力储能应用领域的优势明显：首先，大电芯更容易获得高体积能量密度；其次，PACK端零部件使用量减少，有利于降低成本；最后，集成领域装配工艺简化。目前大型储能电站（共享储能）主要采用280Ah的主流电芯，最早推出该款电芯的是宁德时代，电芯有0.5P和1P两种，各大厂商陆续推出更高容量的产品，大有赶超的势头，比如305Ah、314Ah、320Ah、340Ah等，尺寸与现有的280Ah一样，容量增加。因此，大电芯技术升级后，成本必然会有一定程度的下降，加上各厂商的产能正在不断扩大，除去原材料涨价的影响，锂电的成本在未来会大幅降低。

储能系统目前有风冷和液冷两种解决方案，例如，我国国家电网公司在江苏扬州市建设的大规模储能电站是一个具有代表性的案例。这个项目的总容量为100MW/400MWh，由中国科学院电工研究所和特斯拉联合设计和实施。储能系统采用了磷酸铁锂电池技术，可以在风能和太阳能发电不足时提供电力补给，同时也可以在电力需求高峰期提供额外的电力支持。此外，电站还能为电网提供频率调控、应急备用等服务，极大增强了电网的稳定性和可靠性[2]。自2019年投入运营以来，扬州储能电站不仅大大提高了新能源的利用率，还为确保电网稳定运行做出了重要贡献。这个项目充分展示了锂电池在工业储能领域的巨大潜力和广阔的应用前景。另外一个例子是大型独立共享储能新标杆——宁夏100MW/200MWh液冷储能项目。该项目位于宁夏灵武市宁东镇，于2022年9月开工，12月31日并网。站内共设置63套单套容量为3.44MWh的液冷电池舱、31套单套容量为3.2MWh的储能变流一体机和1套单套容量为1.6MWh的储能变流一体机、1套汇控系统和1套EMS能量管理系统。项目投运后，将作为巨型“充电宝”，有效提升宁东电网的灵活调节能力和新能源消纳水平。作为辅助调峰、调频的枢纽站，该项目年调峰能力可达8000万千瓦时以上，相当于10万户居民一年的生活用电量。同时，该项目也可为电网提供事故备用、黑启动、需求响应支撑等多种辅助服务，对加快推进大规模储能在电力调峰及可再生能源电源并网中的应用具有重要意义，为持续推进新型储能建设提供重要参考。

5.4 锂电池安全

锂电池广泛应用于各种设备中，但由于其特殊的化学特性，容易引发爆炸、着火、气体泄漏、化学烧伤、环境污染等事故，安全性一直是锂电池运用的一大重要课题，锂电池安全问题贯穿从生产、运输、安装、调试、运行、运维等全过程，需要企业重点关注。

（1）正确使用和储存：使用锂电池的设备应按照制造商的操作说明书进行操作，避免过度充电和放电。储存时，应放置在干燥、阴凉的环境中，25℃最佳，对温湿度和空间也有要求，避免高温或高湿的环境，运输时避免堆叠过高、过重等。

（2）防止物理损伤：避免对锂电池进行剧烈的撞击、穿刺或挤压，这可能导致电池内部短路，引发热失控。

（3）电池安全性设计：电芯单体和模组间的热隔离措施、电池管理系统的安全监控、对温湿度进行采样监控、消防灭火方案、风冷或液冷设计等。

（4）设备设计安全：设备制造商应确保设备的设计充分考虑安全因素，例如设置过热保护防止电池过热，设计有效的电池隔离措施以防止电池短路。

（5）环保处理：废弃的锂电池应正确处理，不应随意丢弃。应将其送至指定的回收点，由专业的处理机构进行安全、环保的处置。

（6）定期检查：定期检查电池的状态，如果发现电池膨胀、泄漏或者其他异常情况，应立即停止使用，并将其送至专业的服务机构进行处理。

（7）紧急措施：了解并准备好应对电池火灾的紧急措施，如有条件，配备适合应对电池火灾的防火设施设备。

6 锂电池技术在储能领域的发展趋势

随着新能源技术和智能化技术的不断发展，储能锂电池的应用领域不断扩大。同时，研究人员也在不断探索和开发新的电池材料、新的电池结构和制造工艺。目前，储能锂电池的发展趋势主要包括以下几个方面。

（1）技术创新。随着我国科技研发能力的提升，锂电池的新兴技术如固态锂电池、锂硫电池等正处在快速发展阶段。未来，这些技术的成熟与应用将进一步提升锂电池的性能，推动其在储能领域的广泛应用。①提高能量密度：通过采用新材料、新结构和新工艺等方式，提高电池的能量密度，以实现更长的续航能力和更小的体积。比如各大厂家将电芯升级到305Ah、314Ah、320Ah、340Ah、560Ah等容量，尺寸与现有的280Ah一样，容量增加。比如，软包电池同等体积的容量密度高于方形铝壳电池等。②延长循环寿命：通过优化电池材料和制造工艺等方面，延长电池的循环寿命，降低电池的维护成本和更换频率。比如，宁德时代发布了业内首款长寿命高温电芯，循环次数可达15000次，凭借耐高温石墨负极材料和特制电解液，储能电芯在超过35℃条件下依然保持良好的衰减特性，无需冷却系统及外部辅助电源，优化了系统运行性能及效率，实现免维护。③加强安全性：通过开发新的安全技术和措施，提高电池的安全性能，使得锂电池在遭遇过热、短路等情况时，能够自动切断电路，避免事故发生。比如，从BMS的技术升级或消防的新解决方案等方面多重考虑安全性问题。

（2）产业链布局。我国在锂电池全产业链上拥有世界领先的地位，从原材料开采、电池制造到后端回收利用，都具有强大的能力。通过优化产业链布局，我国有能力保障锂电池的稳定供应，降低生产成本，从而提升锂电池在储能领域的市场竞争力。

（3）政策驱动。我国政府一直高度重视可再生能源和储能技术的发展，出台了一系列的政策扶持措施。在“碳达峰、碳中和”的背景下，政府会进一步加大对储能技术，尤其是锂电池技术的政策支持，进一步推动其在储能领域的发展。

（4）市场需求。随着新能源产业的发展和国家能源政策的支持，储能锂电池市场前景广阔。2022—2027年全球储能总需求累计将达到约2300GWh，到2030年，年新增需求预计将达到TWh级别，市场空间巨大。

（5）能量管理系统的智能化。随着人工智能、物联网等技术的发展，未来的锂电池储能系统可能会更智能，能够实时监控每颗电池的状态，自动调整充放电策略，甚至自动修复问题电芯，从而提高储能系统的整体效率和寿命[3]。