儲(chǔ)能被達(dá)沃斯經(jīng)濟(jì)論壇評(píng)為未來(lái)可能改變世界的十大新技術(shù)之一，儲(chǔ)能電池是儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用最活躍的領(lǐng)域。目前儲(chǔ)能電池技術(shù)發(fā)展很快，一旦取得突破，將對(duì)新能源發(fā)展、電網(wǎng)運(yùn)行控制、終端用能方式等產(chǎn)生重大影響。未來(lái)儲(chǔ)能電池技術(shù)將在新一代電力系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)廣泛應(yīng)用。

▌新型儲(chǔ)能電池技術(shù)成為當(dāng)前研發(fā)的熱點(diǎn)和技術(shù)前沿

現(xiàn)有商用電池技術(shù)包括鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫/鎘電池、鈉硫/鎳電池等，這些電池技術(shù)成熟，已廣泛應(yīng)用在電動(dòng)汽車、手機(jī)、筆記本電腦、風(fēng)電場(chǎng)儲(chǔ)能系統(tǒng)、電網(wǎng)調(diào)頻、分布式電源和微網(wǎng)等領(lǐng)域。

目前，處于商用和示范應(yīng)用、實(shí)驗(yàn)室研發(fā)或概念設(shè)計(jì)階段的新型儲(chǔ)能電池超過(guò)30種。其中，已示范應(yīng)用的電池技術(shù)包括三元材料鋰離子電池、全釩/鋅溴液流電池、鉛碳電池、超級(jí)電容電池等;

處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段的電池技術(shù)包括石墨烯/鋰硫/鋰空等新一代鋰離子電池、半固態(tài)/無(wú)薄膜等新一代液流電池、鋁/鋅等金屬空氣電池、鈉/鎂離子電池、液態(tài)金屬電池等;石墨烯超級(jí)電容電池、雙碳電池、納米微電池、有機(jī)電池等處于概念設(shè)計(jì)階段。這些新型儲(chǔ)能電池技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前研發(fā)的熱點(diǎn)和技術(shù)前沿，未來(lái)有望大幅提升儲(chǔ)能電池的性能，推動(dòng)儲(chǔ)能電池大規(guī)模應(yīng)用。

半固態(tài)液流電池結(jié)合了鋰離子和液流電池的優(yōu)點(diǎn)，將在提高電池能量和功率密度、縮小體積、降低成本方面實(shí)現(xiàn)質(zhì)的飛躍。目前美國(guó)麻省理工大學(xué)已研發(fā)出半固態(tài)液流電池，能量密度達(dá)到250瓦時(shí)/千克，比目前的液流電池提高10倍以上，成本僅100至250美元/千瓦時(shí)，比目前降低70%以上。

石墨烯鋰電池以高導(dǎo)電性、質(zhì)量超輕的石墨烯為材料，利用鋰離子可在石墨烯表面和電極之間快速穿梭運(yùn)動(dòng)的特性，將充電時(shí)間縮短至分鐘級(jí)。西班牙Graphenano公司和科爾瓦多大學(xué)共同研發(fā)出全球首例電動(dòng)汽車石墨烯電池，充電時(shí)間只需8分鐘，續(xù)航里程達(dá)到1000公里。鋰硫電池理論能量密度可達(dá)2600瓦時(shí)/千克，是傳統(tǒng)鋰離子電池的8至10倍。

美國(guó)Polyplus公司、德國(guó)弗朗霍夫材料與光束研究所研發(fā)的鋰硫電池能量密度已達(dá)到420瓦時(shí)/千克、600瓦時(shí)/千克。鋁空氣電池以空氣為正極、鋁為負(fù)極，通過(guò)鋁與氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出能量，電池能量密度在理論上可達(dá)8100瓦時(shí)/千克，居各種電池能量密度之首。以色列Phinergy公司已研發(fā)出專供電動(dòng)汽車使用的鋁空氣試驗(yàn)電池，能量密度超過(guò)800瓦時(shí)/千克，續(xù)航里程達(dá)到1600公里。

▌鋰離子和液流電池有望成為未來(lái)儲(chǔ)能電池的主流技術(shù)

鋰離子電池是當(dāng)前最受關(guān)注的儲(chǔ)能技術(shù)，據(jù)美國(guó)能源部統(tǒng)計(jì)，至2016年年底，美國(guó)、日本、歐盟和中國(guó)儲(chǔ)能裝機(jī)占全球總裝機(jī)的94%，其中電化儲(chǔ)能示范數(shù)量近百項(xiàng)，項(xiàng)目數(shù)占比為53%。

在電化學(xué)儲(chǔ)能示范項(xiàng)目數(shù)中，鋰離子電池所占比重最高，達(dá)到48%，在電池儲(chǔ)能中位列最高。未來(lái)，新一代鋰離子電池技術(shù)將對(duì)電池的安全性、能量密度、充電時(shí)間等指標(biāo)帶來(lái)根本性的改變，在電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻、電動(dòng)汽車、商用/家用儲(chǔ)能系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

液流電池具有容量大、成本低的優(yōu)勢(shì)，能夠建成10萬(wàn)千瓦級(jí)以上、經(jīng)濟(jì)可靠的儲(chǔ)能電站，為提高電網(wǎng)調(diào)度控制靈活性、大規(guī)模發(fā)展新能源提供重要支撐。在大型能源基地、中樞變電站、負(fù)荷中心、電網(wǎng)末端等地區(qū)建設(shè)投運(yùn)儲(chǔ)能電站，能夠提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等多種輔助服務(wù)，在保持發(fā)用電平衡、緩解電網(wǎng)局部阻塞、應(yīng)對(duì)電網(wǎng)緊急事故等方面發(fā)揮重要作用。在新能源發(fā)電基地配置大容量液流儲(chǔ)能系統(tǒng)，能夠有效平抑新能源發(fā)電出力波動(dòng)，靈活跟蹤發(fā)電計(jì)劃曲線，促進(jìn)新能源發(fā)電成為主力電源。

綜合國(guó)際可再生能源署、國(guó)際能源署等機(jī)構(gòu)的判斷，2030年左右鋰離子和液流電池將突破技術(shù)瓶頸，電池整體性能得到全面提升，成為最具大規(guī)模商用前景的主流電池技術(shù)，占全球儲(chǔ)能電池容量的比例將超過(guò)50%，極大推動(dòng)儲(chǔ)能電池技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。

▌多種儲(chǔ)能電池技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展將在新一代電力系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用

隨著未來(lái)多種電池儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展和廣泛應(yīng)用，儲(chǔ)能電池將應(yīng)用到電力系統(tǒng)“發(fā)、輸、配、用、調(diào)”的各個(gè)環(huán)節(jié)，有可能改變現(xiàn)有電力系統(tǒng)生產(chǎn)、運(yùn)輸和使用方式，助力傳統(tǒng)電力系統(tǒng)向“廣泛互聯(lián)、智能互動(dòng)、靈活柔性、安全可控”的新一代電力系統(tǒng)轉(zhuǎn)型。

在發(fā)電側(cè)，鋰離子電池、液流電池將成為支撐新能源大規(guī)模發(fā)展重要的儲(chǔ)能技術(shù)，推動(dòng)新能源成為新一代電力系統(tǒng)的主力電源。截至2017年年底，我國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電并網(wǎng)容量合計(jì)達(dá)到2.93億千瓦，占全部電源裝機(jī)的比重達(dá)到17%。未來(lái)我國(guó)新能源還將加快大規(guī)模發(fā)展。

根據(jù)國(guó)家非化石能源發(fā)展目標(biāo)、碳減排目標(biāo)，考慮在水電和核電裝機(jī)放緩情景下，2030年年底全國(guó)風(fēng)電、光伏發(fā)電等新能源發(fā)電總裝機(jī)容量至少要達(dá)到8.8億千瓦，是2016年年底新能源發(fā)電裝機(jī)容量的3.5倍左右，占全部電源裝機(jī)容量的比重達(dá)到30%左右。

未來(lái)，高比例新能源接入將成為我國(guó)新一代電力系統(tǒng)的主要特征，如何駕馭大規(guī)模新能源并網(wǎng)運(yùn)行需要大幅提升電力系統(tǒng)靈活性。鋰離子電池、液流電池將在短時(shí)大功率輸出、響應(yīng)速度快等性能方面實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步突破，有效平抑大規(guī)模新能源發(fā)電出力波動(dòng)，靈活跟蹤發(fā)電計(jì)劃出力曲線，實(shí)現(xiàn)新能源電廠可觀、可測(cè)、可控。

在電網(wǎng)側(cè)，液流電池作為大容量電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能電站備受青睞，可為電網(wǎng)提供多種輔助服務(wù)，增強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)度控制的靈活性和安全性。液流電池具有循環(huán)壽命長(zhǎng)、容量大、響應(yīng)速度快、安全性高的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，未來(lái)有望代替目前已投運(yùn)的鋰離子儲(chǔ)能電站，發(fā)展成為10萬(wàn)千瓦及以上的電網(wǎng)級(jí)儲(chǔ)能電站，提供調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)壓等多種輔助服務(wù)，在發(fā)用電不平衡調(diào)劑、應(yīng)對(duì)電網(wǎng)緊急事故中發(fā)揮作用。

同時(shí)，在大型能源基地周邊、中樞變電站、負(fù)荷中心、電網(wǎng)末端等地區(qū)建設(shè)大容量液流儲(chǔ)能電站，能夠充分發(fā)揮不同地域儲(chǔ)能電站在緩解局部電網(wǎng)阻塞、促進(jìn)電力平衡中的重要作用。

在用戶側(cè)，鋰離子電池將成為推動(dòng)分布式小型電池儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展的主流技術(shù)，新型電池可作為鋰離子電池的補(bǔ)充配合應(yīng)用。未來(lái)鋰離子電池技術(shù)進(jìn)一步突破，能量密度將接近600瓦時(shí)/千克，續(xù)航能力超過(guò)500公里，比目前提高一倍左右;充電時(shí)間將縮短至30分鐘以內(nèi)，使用壽命達(dá)到15年，滿足小型分布式儲(chǔ)能、移動(dòng)式電源的性能要求。

新型電池可配合鋰離子電池共同在電動(dòng)汽車、家用分布式儲(chǔ)能等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)融合應(yīng)用。未來(lái)，分布式光儲(chǔ)應(yīng)用潛力較大，部分用電需求小、對(duì)電網(wǎng)依賴性不強(qiáng)的用戶，出于經(jīng)濟(jì)利益考慮，可能選擇分布式光儲(chǔ)系統(tǒng)獨(dú)立供電，美國(guó)夏威夷已經(jīng)出現(xiàn)了用戶選擇“分布式光儲(chǔ)+電網(wǎng)”供電模式。