儲能電池應(yīng)用場景與未來發(fā)展技術(shù)探討

“潔能+儲能+智能”是能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向，未來清潔能源和智慧能源的發(fā)展離不開儲能的環(huán)節(jié)。2017年是中國儲能元年，《關(guān)于促進儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展指導(dǎo)意見》的出臺，標(biāo)志著儲能春天的來臨。盡管初春的氣候乍暖還寒，但儲能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始萌芽、開花。儲能項目尤其是儲能電池項目，在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)、微電網(wǎng)、通信儲能、應(yīng)急電源等領(lǐng)域，目前正如雨后春筍般地快速涌現(xiàn)，儲能的春天已經(jīng)到來。

儲能技術(shù)包括物理儲能(抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、海水儲能、超導(dǎo)儲能)、化學(xué)儲能(儲氫、儲碳)、電化學(xué)儲能(電池儲能、超級電容儲能)和儲熱蓄冷等四大類型。在各類儲能技術(shù)中，電池儲能是發(fā)展最快、最受關(guān)注的儲能技術(shù)方向。截至2017年底，全球電池儲能項目總計投運1210.3 MW，累計規(guī)模首次步入GW時代。

一、儲能電池應(yīng)用場景

(1)可再生能源并網(wǎng)

可再生能源發(fā)電的間隙性和易變性，以及滲透率的不斷提高，對現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行和調(diào)度提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。近年來，為了盡可能利用更多的可再生能源和提高電網(wǎng)運行的可靠性和效率，各種儲能技術(shù)研究及工程示范項目得以快速發(fā)展。大容量電池儲能技術(shù)應(yīng)用于風(fēng)電、光伏發(fā)電，能夠平滑功率輸出波動，降低其對電力系統(tǒng)的沖擊，提高電站的跟蹤計劃出力的能力，為可再生能源電站的建設(shè)和運行提供備用能源。

(2)電網(wǎng)輔助服務(wù)

電網(wǎng)輔助服務(wù)分為容量型和功率型服務(wù)，容量型服務(wù)如電網(wǎng)調(diào)峰、加載跟隨和黑啟動等，儲能規(guī)模需達到一定體量，一般1~500 MW之間，放電時間大于1小時;功率型服務(wù)如調(diào)頻輔助和電壓支持，需要電池在短時間內(nèi)(分鐘級別)有較大的功率或電壓輸出。儲能電池技術(shù)在提高電網(wǎng)調(diào)頻能力方面，可以減小因頻繁切換而造成傳統(tǒng)調(diào)頻電源的損耗;在提升電網(wǎng)調(diào)峰能力方面，根據(jù)電源和負(fù)荷的變化情況，儲能系統(tǒng)可以及時可靠地響應(yīng)調(diào)度指令，并根據(jù)指令改變其出力水平。

(3)電網(wǎng)輸配

儲能電池系統(tǒng)可以改善配電質(zhì)量和可靠性。當(dāng)配網(wǎng)出現(xiàn)故障時，可以作為備用電源持續(xù)為用戶供電;在改善電能質(zhì)量方面，作為系統(tǒng)可控電源對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量進行治理，消除電壓暫降、諧波等問題，同時降低主干網(wǎng)絡(luò)擴容投入，節(jié)約擴容資金。

(4)分布式及微網(wǎng)

微電網(wǎng)系統(tǒng)要求配備儲能裝置，并要求儲能裝置能夠做到以下幾點：1)在離網(wǎng)且分布式電源無法供電的情況下提供短時不間斷供電;2)能夠滿足微網(wǎng)調(diào)峰需求;3)能夠改善微網(wǎng)電能質(zhì)量;4)能夠完成微網(wǎng)系統(tǒng)黑啟動;5)平衡間歇性、波動性電源的輸出，對電負(fù)荷和熱負(fù)荷進行有效控制。儲能電池系統(tǒng)具有動態(tài)吸收能量并適時釋放的特點，作為微電網(wǎng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，它可以改善電能質(zhì)量、穩(wěn)定組網(wǎng)運行、優(yōu)化系統(tǒng)配置、保證微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。

(5)用戶側(cè)

用戶側(cè)儲能主要包括工商業(yè)削峰填谷及需求側(cè)響應(yīng)。電池結(jié)合電力電子技術(shù)能夠為用戶提供可靠的電源，改善電能質(zhì)量;并利用峰谷電價的差價，為用戶節(jié)省開支。

(6)電動汽車VEG模式的供能系統(tǒng)

新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必須與儲能產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。為了滿足未來電動汽車安全快充的需求，有必要建立類似加油站的分布式能量站，能量站安裝有低成本、長壽命的兆瓦級儲能電池，可從電網(wǎng)充電儲存電量后，給電動汽車快速充電;同時，能量站還能夠與電網(wǎng)互動，用于電力調(diào)峰或調(diào)頻。

二、儲能電池的類型

儲能應(yīng)用場景的復(fù)雜性決定了儲能電池技術(shù)的多元化發(fā)展方向。針對特定場景選擇合適的儲能電池技術(shù)進行應(yīng)用將是未來很長時間內(nèi)儲能市場的主旋律，未來新型儲能電池技術(shù)的研發(fā)方向也應(yīng)遵循這一規(guī)律，針對特定場景放大其優(yōu)點以獲得未來商業(yè)化應(yīng)用的可能。

表征儲能電池的性能有許多特征參數(shù)，其中最為重要的是電池的功率特性和容量特性。因此，可以根據(jù)不同儲能應(yīng)用場景對于電池功率容量比值(W：Wh，簡稱C)的不同要求，大致將儲能電池分為三種類型：容量型(≤0.5C)、能量型(≈1C)和功率型(≥2C)。比值越大，代表電池的功率密度越高，但容量密度會低一些，單位容量的價格會更高些。

例如，電力調(diào)峰、離網(wǎng)型光伏儲能或用戶側(cè)的峰谷價差儲能，一般需要儲能電池連續(xù)充電或連續(xù)放電兩個小時以上，因此適合容量型電池的應(yīng)用;對于電力調(diào)頻或平滑可再生能源波動的儲能場景，則需要儲能電池在秒級至分鐘級的時間段快速充放電，所以比較適合功率型電池的應(yīng)用;而在一些同時需要承擔(dān)調(diào)頻和調(diào)峰的應(yīng)用場景，能量型電池會更適合些，當(dāng)然，這種場景下也可以將功率型與容量型電池配合一起使用。

在目前各類儲能電池中，液流電池和鋰漿料電池屬于典型的容量型電池，鋰離子電池中的鈦酸鋰電池則是一類典型的功率型電池，這是由上述電池的本質(zhì)屬性決定的，難以改變。其它種類的電池，可以通過更改電池材料和工藝，進行某種程度的屬性調(diào)整，以適應(yīng)不同的儲能應(yīng)用場景。

三、儲能電池的技術(shù)內(nèi)涵

未來針對電力調(diào)峰儲能的大容量電池和電力調(diào)頻儲能的大功率電池還有待技術(shù)的創(chuàng)新突破。儲能電池技術(shù)內(nèi)容主要包括六個方面：材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)、制造技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、修復(fù)技術(shù)和回收技術(shù)。

(1)材料技術(shù)

電池核心材料包括正極材料、負(fù)極材料和電解質(zhì)材料，附屬材料還包括隔膜、集流體和電池殼體材料等。在過去的三十年里，鋰離子電池材料的研發(fā)主要集中在提升材料的能量密度、循環(huán)壽命和安全性能，開發(fā)低成本的材料制備技術(shù);液流電池材料的研發(fā)主要集中在電解液和隔膜材料的改性。2006年鉛酸電池領(lǐng)域開始了負(fù)極鉛膏中碳材料添加劑的選擇與改性，以發(fā)展儲能用長壽命鉛炭電池。

縱觀儲能電池技術(shù)的研究歷史，雖然材料的進步能夠帶來電池性能的顯著改善，但能夠有實際效果的材料創(chuàng)新進程其實非常緩慢。尤其是實驗室論文報道的材料性能，并不等同于實際電池的性能，兩者之間往往有相當(dāng)?shù)牟罹?。因此電池材料雖然很關(guān)鍵，但并不是電池技術(shù)研究的全部。目前儲能領(lǐng)域技術(shù)工程類項目的立項過于看重了實驗室的材料論文研究工作，忽視了與實際應(yīng)用場景的對接，造成了科研工作與產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求之間較大的脫節(jié)，應(yīng)予以足夠重視。

(2)結(jié)構(gòu)技術(shù)

并非所有的電池都可以稱為儲能電池，系統(tǒng)功率在1KW量級以上的，可以稱為儲能電池;系統(tǒng)功率≥1MW，用于儲能電站的電池稱為電力儲能電池。

儲能電池結(jié)構(gòu)技術(shù)包括電池單體內(nèi)部結(jié)構(gòu)技術(shù)和外部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)。與小型的消費類電子產(chǎn)品用電池不同，儲能電池的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，具有系統(tǒng)串并聯(lián)的要求和大功率大容量的特點。

現(xiàn)有儲能和動力鋰電池是由手機電池等微小型鋰離子電池發(fā)展而來的，無論是圓柱型還是方型電池，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，所有類型的鋰電池內(nèi)部采用的都是粘接的薄膜電極結(jié)構(gòu)，這給儲能用鋰電池性能一致性的設(shè)計帶來了根本性的結(jié)構(gòu)難題。另外，當(dāng)電池報廢回收時，只能把粘接電極全部粉碎，內(nèi)部破碎的鋁箔、銅箔材料以及Co、Li元素等需要重新用冶金方式回收，導(dǎo)致回收成本高，并存在酸堿廢液污染處理的風(fēng)險。因此，儲能用鋰電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計有必要借鑒融合鉛酸電池、液流電池等大型電池的結(jié)構(gòu)思路，由容易出問題的“嬌小富貴”轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩煽康?ldquo;傻大笨粗”，從而適合大電流大功率的儲能應(yīng)用場景。

未來大型儲能電池的研發(fā)還需要考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部結(jié)構(gòu)的融合設(shè)計。對于電力儲能而言，應(yīng)用端客戶關(guān)心的是系統(tǒng)成本、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)壽命和系統(tǒng)安全性，而不關(guān)心單體電池的能量密度或單體電池的循環(huán)壽命。因此，作為電池技術(shù)研發(fā)端，應(yīng)主動考慮單體內(nèi)部與系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新融合，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的顛覆設(shè)計，減輕外部系統(tǒng)面臨的成本和安全性壓力。這將是未來儲能電池結(jié)構(gòu)技術(shù)研究的一個重要方向。

(3)制造技術(shù)

儲能電池制造技術(shù)與電池結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)。儲能電池系統(tǒng)的串并聯(lián)特性要求電池必須具備較好的一致性，因此生產(chǎn)工藝的智能管控尤為重要。如何用低成本的裝備和工藝制造高性能的儲能電池?這是一個矛盾問題，也是目前儲能電池制造技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵問題。

現(xiàn)有的鋰離子電池生產(chǎn)工藝是從過去磁帶制造工藝過渡而來的，以適應(yīng)電池薄膜涂覆極片的精度要求，加之電池產(chǎn)品型號五花八門，缺乏規(guī)范，導(dǎo)致了電池生產(chǎn)過程的材料利用率低、產(chǎn)品合格率低、設(shè)備運轉(zhuǎn)率低、制造成本高。因此，未來需要結(jié)合電池結(jié)構(gòu)的顛覆設(shè)計，從根本上降低儲能電池生產(chǎn)工藝的復(fù)雜度和生產(chǎn)設(shè)備的參數(shù)要求，同時推進大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與儲能電池生產(chǎn)設(shè)備和制造工藝的融合發(fā)展，通過智能制造升級，規(guī)范制造工藝標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格控制產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品終檢效率，降低儲能電池的制造成本。

(4)應(yīng)用技術(shù)

儲能電池應(yīng)用技術(shù)主要指BMS、PCS和EMS。BMS(電池管理系統(tǒng))是電池本體與應(yīng)用端之間的紐帶，主要對象是二次電池，目的是提高電池的利用率，防止電池出現(xiàn)過度充電和過度放電。PCS(電池儲能系統(tǒng)能量控制裝置)是與儲能電池組配套，連接于電池組與電網(wǎng)之間，把電網(wǎng)電能存入電池組或?qū)㈦姵亟M能量回饋到電網(wǎng)的系統(tǒng)。EMS(能量管理系統(tǒng))是現(xiàn)代電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)總稱，包括：計算機、操作系統(tǒng)和EMS支撐系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視、自動發(fā)電控制與計劃、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分析。

目前很多儲能示范項目的落地是由電池生產(chǎn)供應(yīng)商與電網(wǎng)公司直接對接，并且缺乏責(zé)任認(rèn)定標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這給后期的系統(tǒng)運維和可能的事故認(rèn)定帶來難題。未來應(yīng)該會出現(xiàn)以應(yīng)用技術(shù)開發(fā)為核心的獨立的儲能電池系統(tǒng)應(yīng)用服務(wù)商，負(fù)責(zé)儲能系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃、租賃運維和報廢回收，并與保險公司合作，承諾負(fù)責(zé)系統(tǒng)的使用壽命和運行安全。

(5)修復(fù)技術(shù)

儲能電池的修復(fù)技術(shù)包括電池系統(tǒng)的電氣維修技術(shù)和在線再生技術(shù)。前者包括環(huán)境腐蝕修護、電氣絕緣老化檢測、電連接檢測、溫度壓力傳感維護和電池巡檢技術(shù)等，后者是針對新型儲能鋰電池提出的新的技術(shù)方向。因為理論上講，除了電池活性顆粒內(nèi)部晶格紊亂問題以及集流體的腐蝕脫落問題，儲能鋰電池的其它界面問題都有可能通過在線再生的方式進行維護延壽。當(dāng)電池使用一段時間后，可以通過正負(fù)極材料表面SEI膜原位修復(fù)、電解液的補充和更換等方式對電池性能進行再“激活”，延長儲能鋰電池的實際日歷使用壽命。例如，鋰漿料電池的漿料厚電極形態(tài)賦予了其在使用期進行在線再生的可能性。

(6)回收技術(shù)

任何電池都有使用壽命的期限。消費類小型電池目前國內(nèi)的使用總量有幾億只，且大多數(shù)體積較小，廢電池利用價值較低，加上使用分散，絕大部分被當(dāng)作生活垃圾處理，存在污染隱患。報廢后的儲能電池不可能像消費類小型電池一樣丟棄于環(huán)境中，必須做回收再生處理。

儲能電池的回收技術(shù)包括廢舊電池的更換處理技術(shù)、安全運輸技術(shù)、回收處理技術(shù)和資源再利用技術(shù)。目前，鉛酸電池的回收再生技術(shù)比較成熟，但存在不規(guī)范回收環(huán)節(jié)的污染風(fēng)險。鋰電池的回收流程和技術(shù)還不成熟，需要與材料技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展方便回收再生的新型儲能電池技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計方面加以創(chuàng)新改進，從生產(chǎn)端提前考慮電池回收處理的環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)儲能鋰電池產(chǎn)業(yè)的資源可持續(xù)發(fā)展，這一點具有重要的戰(zhàn)略意義。

四、儲能電池技術(shù)發(fā)展目標(biāo)

儲能的春天已經(jīng)來臨，但產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的夏季還遠(yuǎn)未到來，各類儲能技術(shù)已經(jīng)開展商業(yè)或示范應(yīng)用，在應(yīng)用中展現(xiàn)了儲能的優(yōu)勢，也逐漸暴露了一些問題，尤其是電池儲能技術(shù)，距離“低成本、長壽命、高安全、易回收”的發(fā)展目標(biāo)還有很長的路要走，有待創(chuàng)新與突破。

(1)低成本

狹義的儲能電池成本僅包括一次(采購)成本，廣義的儲能電池成本還包括二次(使用)成本和三次(回收)成本。

其中，一次成本包括電池的材料成本和生產(chǎn)制造成本。在材料成本下降空間有限的情況下，通過電池結(jié)構(gòu)技術(shù)的顛覆設(shè)計，簡化電池生產(chǎn)工藝，降低制造成本和人力成本，將會是新型儲能電池重要的降成本方向。

二次成本與電池使用壽命息息相關(guān)。需要結(jié)合材料技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)，發(fā)展新型修復(fù)再生技術(shù)，提升電池使用壽命，降低容量型電池的度電成本和功率型電池的頻次成本。

三次成本主要指電池的回收成本。目前儲能電池的回收再生環(huán)節(jié)若要做到完全符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求，成本還是非常高的，需要有創(chuàng)新的回收再生思路，降低電池的三次成本。

儲能電池技術(shù)成本降低可以分為以下四個目標(biāo)階段。當(dāng)前目標(biāo)：開發(fā)非調(diào)峰功能的儲能電池技術(shù)和市場，例如調(diào)頻儲能電池和移動儲能電池;短期(5-10年)目標(biāo)：低于峰谷電價差的度電成本;中期(10-20年)目標(biāo)：低于火電調(diào)峰和調(diào)度的成本;長期(20-30年)目標(biāo)：低于同時期風(fēng)光發(fā)電的度電成本。

電池儲能輔助AGC調(diào)頻會先于調(diào)峰儲能發(fā)展起來。未來只有當(dāng)儲能電池應(yīng)用成本低于火電調(diào)峰成本后，儲能電池系統(tǒng)才可能作為重要補充得以規(guī)模發(fā)展，并納入到電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)度系統(tǒng)。

(2)長壽命

一般來說，對于消費類小型電池(如手機電池)，3至5年的使用壽命足以滿足電子產(chǎn)品的壽命要求，但目前還是希望電池單次充電后的待機時間能夠更長一些，因此對于電池的能量密度有著更高的直接的需求。然而對于電力儲能電池，基本上都要求十年乃至二十年以上的日歷使用壽命。因此，提升儲能電池的日歷使用壽命尤其重要。

電池循環(huán)次數(shù)壽命是日歷使用壽命的基礎(chǔ)，但并不等同于電池的實際日歷使用壽命。因為從熱力學(xué)角度來說，電池系統(tǒng)是一個高度非平衡的化學(xué)體系，在漫長的循環(huán)使用歲月中，還存在不可逆的體相和界面的化學(xué)變化，導(dǎo)致電池內(nèi)阻的增加和容量的衰減。目前，還缺乏合適的加速老化實驗標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)?yīng)電池實際的日歷衰減變化。未來除了需要建立相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)以外，還需要開發(fā)創(chuàng)新的在線修復(fù)再生技術(shù)，提升儲能電池的日歷使用壽命，滿足實際儲能的工況要求。

(3)高安全

儲能電池的安全性非常重要。相對而言，水系電池如液流電池、鉛酸電池等安全性較好，能夠滿足儲能電站的安全性要求，但也需要嚴(yán)格控制電池的充電截止電壓，以防止水溶液過壓電解后的析氫爆炸;有機系鋰離子電池的安全性問題較為突出，目前總體而言處于安全及格線上下的水平，有待技術(shù)突破;固態(tài)電池不含易燃的電解液，因此具有最高的安全性，在未來實現(xiàn)量產(chǎn)后有可能會首先應(yīng)用到高安全要求的某些特殊場景。當(dāng)然，固態(tài)電池要規(guī)模應(yīng)用于電力儲能，在降本增壽方面還有相當(dāng)?shù)睦щy需要克服。另外，固態(tài)電池的回收處理也是一大難題。

避免電池(內(nèi)部或外部)短路的安全預(yù)防技術(shù)以及在電池短路發(fā)生后的應(yīng)急維護技術(shù)是儲能電池安全技術(shù)發(fā)展的重要方向。僅僅通過外部滅火裝置進行儲能鋰電池的安全保護，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，未來必須開發(fā)顛覆性的電池結(jié)構(gòu)技術(shù)和安全維護技術(shù)，從電池內(nèi)部徹底解決電池的安全問題，確保儲能電池的安全運輸和儲能電站的安全運行。

(4)易回收

資源的循環(huán)再生利用將是儲能電池未來規(guī)模應(yīng)用面臨的最大挑戰(zhàn)。儲能電池要達到易回收的目標(biāo)有三點基本要求：1、電池回收過程符合安全和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn);2、稀有貴金屬元素做到接近100%的再生利用;3、電池有一定回收殘值。

現(xiàn)在示范應(yīng)用的儲能鋰電池系統(tǒng)基本上沒有考慮到未來電池報廢后的回收處理環(huán)節(jié)。更為嚴(yán)重的是，目前電池界廣泛存在一種錯誤的觀念，認(rèn)為報廢鋰電池富含各類有價值的貴金屬，因此根本不用擔(dān)心回收處理的問題。

本文作者了解到的實際情況是，報廢電池的“價值”與“環(huán)保”之間存在較為嚴(yán)重的沖突和矛盾，現(xiàn)有儲能鋰電池的材料體系選擇和電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得完全符合環(huán)保要求的有價值的回收處理工作非常困難。因此，有必要開展細(xì)致的儲能電池全產(chǎn)業(yè)鏈污染分析和環(huán)保評估，引導(dǎo)儲能電池技術(shù)創(chuàng)新的環(huán)保發(fā)展方向，以促進產(chǎn)業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

五、結(jié)語

“可再生能源+儲能”是新能源發(fā)展的必然選擇，而儲能應(yīng)用場景的復(fù)雜性決定了儲能電池技術(shù)的多元化發(fā)展方向。未來針對電力調(diào)峰儲能的大容量電池和電力調(diào)頻儲能的大功率電池還有待技術(shù)的創(chuàng)新突破。儲能電池包括六大技術(shù)內(nèi)涵：材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)、制造技術(shù)、應(yīng)用技術(shù)、修復(fù)技術(shù)和回收技術(shù)。其中，電池材料是基礎(chǔ)，但不是儲能電池技術(shù)研究的全部。建議以后基礎(chǔ)探索類項目可以偏重于新材料的研究，而技術(shù)工程類項目則應(yīng)注重其它非材料技術(shù)方面的立項突破，在已有商業(yè)及示范儲能電站的經(jīng)驗基礎(chǔ)上，圍繞“低成本、長壽命、高安全、易回收”的總體目標(biāo)，發(fā)展各類容量型峰谷儲能電池、功率型調(diào)頻儲能電池和能量型復(fù)合儲能電池，與其它類型儲能技術(shù)配合，支撐儲能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。