摘要： 储能，已成为人类有效利用能源最后一公里储能不仅可以提高常规发电和输电的效率安全性和经济性也是实现可再生能源平滑波动调峰调频满足可再生能源大规模接入的重要手段同时也是分布式能源系统电动汽车产业的重要组成部分在能源互联网中具有举足轻重的地位。本文重点介绍了铅蓄电池，钠硫、液流电池和锂离子电池的应用现状，对不同储能系统应用于大规模储能时的优势与挑战进行了分析探讨。
关键词： 化学储能；铅碳电池； 锂离子电池； 钠硫电池； 液流电池；光伏应用
0 引言
近年来，由于煤炭等传统能源日益减少以及环境污染日趋严重，极大促进了新能源的发展。作为国家重点扶持的战略性新兴产业之一，新能源的发展一直备受关注。然而，由于客观因素的限制，风电、光电等新能源和可再生能源依然存在着不连续、不稳定、不可控的特点，而解决这一问题的有效手段，便是发展大规模稳定、高效的储能技术[1]。
大规模储能技术可以有效解决由新能源发电的间歇性和波动性引起的电网电压、频率及相位变化问题，从而实现新能源发电平滑输出。大规模储能技术还可用于电网的“削峰填谷”和电能质量 的改善。可以说，研究和开发低成本、高性能的大规模储能技术对于我国未来能源结构调整及坚强智能电网的建设具有极高的战略意义。
1 铅蓄电池
铅蓄电池发展至今已有160多年历史。由于铅蓄电池具有技术成熟、适用范围广、效率高、循环次数多等特点，使铅蓄电池成为发电侧调峰调频及用户侧削峰填谷的重要储能形式。应用于储能工程的铅蓄电池包括铅酸电池和铅炭电池。传统的铅酸蓄电池单体是由一个二氧化铅正极板和一个海绵状铅负极板组成[2]，而不对称超级电容器则是由二氧化铅正极板和碳负极板组成。由于二者有共同的正极板，因此可以将二者复合在同一电池体系内，即形成所谓的铅碳电池，如图1所示。铅碳电池同时兼有铅酸电池和超级电容器的优点而且不需要额外控制，在电池高倍率充放电过程中，超级电容器能够快速提供和吸收电荷，发挥缓冲器的作用，从而提高了电池的功率，延长了电池循环寿命。
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图1 铅碳电池原理示意图
从铅酸电池的500~1000次（60%~70% DOD ，DOD 为放电深度）增加到铅炭电池的 3700~4 200 次（60%~70% DOD）， 储能系统投资成本 1 000~1 300 元/KWh 度电成本为 0.5~0.7 元/KWh 近年来伴随着技术的进步，传统铅蓄电池在性能上也在不断提升蓄电池在储能领域的应用多数以度电成本更低的铅炭电池为主，尤其是针对工商业峰谷电价差较高的江苏、广东、 北京等地已初步具备商业化应用的条件。目前，铅炭电池已经逐步替代传统铅酸蓄电池，成为铅蓄电池储能市场上的主力。但是相比锂离子电池，铅炭电池循环寿命短、能量密度不够高。综合性能上，铅炭电池还不能胜任高要求的储能项目。
2 钠硫和液流电池
钠硫电池由美国福特公司于1967年发明，至今已有40余年历史。钠硫电池一般采用管式结构，以金属钠作为负极活性物质，单质硫作为正极活性物质，β-氧化铝内管同时起到隔膜和电解质的作用，如图2所示。钠硫电池工作温度一般为300℃~350℃，电池放电时，负极产生Na+并放出电子，同时Na+穿过β-Al2O3 电解质与正极 S 反应生成钠硫化物[5]。电池充电过程中，钠硫化物在正极分解，Na+返回负极并与电子重新结合，从而实现电池的充放电过程。
图2 钠硫电池结构示意图
钠硫电池能量密度高，他的实际储能密度约为 300 Wh/kg，是锂离子电池的 2~3 倍，铅酸电池的 4~ 5倍，并且可以达到 80%的能量效率[3]。此外，钠硫电池还具有无自放电，使用寿命长，原材料丰富的优势，非常适合在大规模储能领域中推广应用。
目前，针对大规模储能需求，钠硫电池 还需突破以下瓶颈。首先是安全问题。钠硫电池的陶瓷电 解质如果在高温下发生破损，液态钠和硫就会直接接触形成短路，极易酿成事故。其次是保温与耗能问题。钠硫电池工作时需要附加供热设备来维持温度，从而大大增加了运行成本。最后是高温下钠硫电池的腐蚀问题。
液流电池是一类较独特的电化学储能技术，通过电解液内离子的价态变化实现电能存储和释放。如图3所示，这些液流电池根据正负极活性物质不同，可分为铁铬液流电池、多硫化钠溴液流电池、全钒液流电池、锌溴液流电池等体系。其中，全钒液流电池技术最为成熟，已经进入了产业化阶段。全钒液流电池使用水溶液作为电解质且充放电过程为均相反应，因此具有优异的安全性和循环寿命（＞1 万次），在大规模储能领域极具应用优势[4]。
图3 全钒液流电池原理示意图
目前，全钒液流储能电池依然存在能量密度较低、初次投资成本高的问题，正在通过市场模式和技术创新予以完善。在未来，还需要开发具有更低成本的长寿命液流电池技术，以实现技术的迭代发展。
3 锂离子电池
锂离子电池的发展可追溯到 20 世纪60、70 年代。1980年，Goodenough课题组制成了LiCoO2正极材料，使锂离子电池技术取得了突破性进展，而这种材料一直沿用至今。锂离子电池一般包含一个石墨负极，一个由锂金属氧化物形成的正极 LiMO2，以及由锂盐和有机溶液混合而成的电解液[5]。其工作原理主要是依靠锂离子在正负两极间的嵌入和脱嵌来实现电池的充放，如图 4所示。
图4 锂离子电池原理示意图
锂离子电池的种类很多，比较有代表性的是以锰酸锂、钴酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料为正极的商品化电池体系。其中，锰酸锂成本低、循环稳定性差，可用于低端电动汽车、储能电站以及电动工具等方面。钴酸锂成本高、能量密度高，主要应用领域为消费类电子产品。镍钴锰三元材料与钴酸锂结构类似，但较之具有更长的循环寿命、更高的稳定性、更低的成本，适用于电动工具、电动汽车及大规模储能领域。磷酸铁锂具有相对较长的循环寿命、相对较好的安全性、相对较低的成本，已大规模应用于电动汽车、规模储能、备用电源等领域。
尽管如此，锂离子电池由于能量密度很高、大量使用有机电解液，其发生的燃爆事故层出不穷，需要选择合适的应用模式，并在大规模应用场合严格监控。而且，随着新能源汽车电池逐渐退役，我国预计到 2020 年退役的动力电池将突破 20 GWh，因而亟待发展退役动力电池的梯次利用回收技术，使能源的使用形成闭环。
经过 10 多年的发展，中、日、韩三国的锂离子电池电芯产值已占据全球市场的 90％ 以上，锂离子电池行业三国鼎立的竞争格局已经形成。未来，锂离子电池需要在降低成本的基础上继续大幅提高安全性，以实现在大规模储能领域的普及使用。
4 结论
我国的能源革命还处于初期阶段，相应的储能市场体系还不完善，有必要通过补贴的方式迅速培养出完整的市场和产业链。在关键技术攻关方面，仍应继续加强对研发的投入，并充分调动国内产学研优势力量进行联合攻关。
作为能源革命的关键支撑技术，电化学储能未来发展的前景极其广阔。但是我国储能市场的发展还很不成熟，需要进一步政策引导和激励发展。中美贸易摩擦或将给我国的新能源发展带来一定困难，但也同时给我们创造了自主发展的机遇。为了实现我国能源革命的重大战略，需要全国科学家、企业家的共同努力，不断推进电化学储能技术的创新发展。
参考文献：
[1]栾相科.储能技术：新能源的幕后英雄[N].中国战略新兴产业，2014-10-01
[2]王浩，刘铮，李海莹.铅碳电池研究进展[ J ].电源技术，2018，42（12）:1936-1939.
[3]温兆银，俞国勤，顾中华，等．中国钠硫电池技术的发展与现状概述[ J ].供用电，2010，27（6）：25-28．
[4]张华民．储能与液流电池技术[ J ].储能科学与技术 ，2012，1（1）：58-63
[5]陈锦攀，陈春晓，胡志刚.锂离子电池储能系统的研究进展[ J ].电池，2019，49（1）:79-82