电化学储能技术发展研究

郝爱华

内蒙古华电腾格里绿色能源有限公司, 内蒙古 阿拉善盟750300

摘要：随着储能市场规模快速增长、储能系统趋于复杂，电化学储能技术在关键材料、制备工艺、系统集成等方面面临着诸多新问题与新挑战。现有研究侧重于材料修饰改性、器件结构优化等，而对器件与系统的有效匹配、多尺度构效关系等关注不足。为此，本文从发展目标、发展趋势等角度开展电化学储能技术的研究综述，进而研判相应技术体系的构建重点、提出行业发展建议，以期为新型电力系统构建、储能行业高质量发展等研究提供基础参考。

关键词：电化学储能；技术发展

1电化学储能含义

储能是借助于介质或设备将能量存储起来，并在需要时再释放出来的过程。依据存储形式的差异，储能又可分为电储能、氢储能以及热储能。电储能，又名为“发电资产”，可分为电化学储能和机械储能两种类型，其中电化学储能主要是电池储能，电池类型包括锂电池、铅蓄电池、钠硫电池、钒电池等，而机械能储中常见的类型主要是抽水蓄能。各种储能技术均有其优缺点，例如，抽水蓄能属于集中式、规模化储能，技术也相对成熟，但由于受地形地貌、地理位置等自然条件所限，其建设成本较高，周期相对较长；电化学储能通常不会受到自然条件的影响与限制，其充电速度快，放电功率和系统效率相对较高，具备较大发展潜力。目前，储能技术呈现多元化发展态势，而电化学储能的综合竞争优势明显。根据CNESA数据来看，自2019年以来，电化学储能在全国新增投运电力储能项目中占比已连续三年超过了机械储能，仅在2021年其新增规模已突破2GW，同比增长了54%，电化学储能已成为我国储能行业未来发展的主要方向。

2电化学储能技术发展目标

面向“双碳”战略目标，以产业创新发展、示范应用为牵引，针对实际应用场景下的电化学储能性能需求，以电化学储能关键材料和结构创新为主攻方向，深化电化学储能技术体系的基础创新与应用研究。建设并完善关键材料的研发、测试、应用验证智能化平台，尽快形成自主可控的关键核心技术体系，推动储能技术发展，促进能源绿色低碳转型。到2025年，运用低碳化、数字化、智能化方法，健全电化学储能标准体系，实现关键技术自主可控；能量型锂离子电池的单体比容量≥300W·h/kg，功率型和混合型电池的单体比容量≥200W·h/kg，通过结构创新实现材料利用率≥92%；基本建成储能电池的模型化、数字化体系，显著提升产品性能及制造技术水平；电化学储能累计装机规模≥40GW，系统综合成本降低30%以上。到2035年，全面掌握锂离子电池、钠离子电池、新体系电池的的储能单元、系统集成、模块以及智能制造技术；锂电池的单体比能量≥500W·h/kg，半固态电池、全固态锂电池、锂硫电池等新体系电池的比能量≥400W·h/kg，循环次数≥1000次，材料利用率≥98%；储能电池产业链成熟，全面实现智能化制造；电化学储能累计装机规模≥110GW，与电力系统各个环节深度融合，满足新型电力系统的构建需求。

3电化学储能技术发展应用

3.1锂离子电池

从目前的应用情况来看，未来储能市场的主力军是循环寿命高且安全性高的磷酸铁锂电池。受磷酸铁锂成本下降及综合性能提升的影响，锂离子电池储能技术被广泛应用在电力系统发输配用各个环节。目前已经进入商业化成熟期，并已经迎来爆发式增长阶段。根据中国电子信息产业发展研究院、南方电网电动汽车服务有限公司联合发布的《中国锂电储能发展战略展望》，预计到2025年，我国锂电储能累计装机规模将达到50GW，市场空间约2000亿元；到2035年，达到600GW，市场空间约2万亿元。锂离子电池技术创新方向主要是在现有基础上寻求百兆瓦级高安全性、低成本、长寿命的技术突破，主要包括：在锂资源开采和回收技术上，要求工艺流程更为简化和分离材料向着更高性能吸附方向发展；正极材料方面，目前可通过补锂质等方式推进，逐步提升能量密度是磷酸铁锂正极的发展趋势；负极材料未来发展趋势主要集中在具有高比容量的碳硅复合材料上；隔膜创新趋势主要集中在制备工艺和技术发展上，提高隔膜的热稳定性，有效提升安全性能；电解质方面，提高电池的安全性和稳定性。结合国家发展改革委、国家能源局《“十四五”新型储能发展实施方案》要求，锂离子电池技术发展趋势还包括智能传感技术、热失控阻隔技术、安全控制技术、智慧调控技术等核心技术装备攻关；加大关键技术装备研发力度，开展新型锂离子电池关键核心技术、装备和集成优化设计研究，研发储备固态锂离子电池等新一代高能量密度储能技术。

3.2液流电池技术

液流电池主要是通过电解液中的活性物质在正负电极上发生电化学氧化还原反应来实现电能和化学能的相互转化，是由美国科学家Thaller于1974年提出的一种电化学储能技术。目前液流电池已发展出较多的技术路线，主要是根据液流电池电解质中活性电对种类的不同，分为铁铬液流电池、锌溴液流电池、全铁液流电池、全钒液流电池等。其中，全钒液流电池由于其正负极氧化还原电对均采用了钒元素，使得液流电池发生交叉污染后，不至于造成电池容量难以复原的困境，电解液可以在长时间运行后进行再生。另一方面，全钒液流电池两个氧化还原半反应的电化学反应动力学较好，在无外加催化剂的情况下即可达到较高的功率密度。目前，全钒液流电池技术已经步入了商业化发展，处于市场开拓阶段。在正极和负极反应中，钒元素是液流电池唯一的能量载体，实现化学能与电能之间的转化过程。充电过程中，正极电解槽中的钒失去一个电子由V4+变为V5+，从VO2+转变为VO2+，同时负极电解槽中的钒得到一个电子由V3+变为V2+，总反应上看是由一个V4+与V3+变为了V5+与V2+，类似于歧化反应。在全钒液流电池中，钒作为能量载体是电池体系里最重要的一部分，成本约占总成本的40%。全钒液流电池采用两个独立的电解液储能罐进行了分装，储能罐的容量决定了全钒液流电池的容量，而电解槽的大小、面积等设计参数，决定了全钒液流电池的功率。

3.3铅碳电池

铅碳电池是一种电容型铅酸电池，由传统的铅酸电池演进而来。将具有双电层电容特性的碳材料（C）与海绵铅（Pb）负极进行合并，制作成既有电容特性又有电池特性的铅碳双功能复合电极（简称铅碳电极），铅碳复合电极再与PbO2正极匹配，组装成铅碳电池。目前铅碳电池能量密度为30-100W·h/kg，循环次数不大于1000次，充放电效率约为80%，功率上限可达兆瓦级，响应速度可达毫秒级，续航时间为小时级，技术成熟度较高，已有大规模应用。主要瓶颈为存在铅污染，环保性差，自放电较大。

3.4钠离子电池

钠离子电池主要依靠Na+在正极和负极之间移动来完成充放电。与锂离子电池工作原理相似，钠离子电池主要由正/负极、隔膜、电解液和电池外壳等组成，结构上和锂离子电池具有高度一致性，同为摇椅式电池。目前钠离子电池能量密度为100-150W·h/kg，循环次数为2000-4500次，充放电效率为80%-95%，功率上限可达兆瓦级，响应速度可达毫秒级，续航时间为小时级，技术成熟度较低，仍在研发阶段[11-12]。主要瓶颈在于金属钠安全性太低，生产和应用风险较高。

4结束语

在新型电力系统构建的牵引下，中国新型储能市场正在蓬勃发展，其增长趋势明显，市场规模庞大（2023—2027年年均市场规模5.035×1010～7.519×1010元/a）。电化学储能、压缩空气储能和热储能适用于新型电力系统规模占比高、增长潜力大的长时储能应用场景。电化学储能以其优良的性能指标，可适应包括长时储能在内的几乎所有储能应用场景，且其产业发展较为成熟，性价比高，未来很长时间内在新型储能市场领域中将继续占据绝对主导地位。

参考文献

[1]童家麟,洪庆,吕洪坤,等.电源侧储能技术发展现状及应用前景综述[J].华电技术,2021,43(7):17-23.

[2]黎冲,王成辉,王高,等.电化学储能商业化及应用现状分析[J].电气应用,2021,40(7):15-22.

[3]武强,涂坤,曾一凡.“双碳”目标愿景下我国能源战略形势若干问题思考[J].科学通报,2023,68(15):1884‒1898.