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关于储能电池技术的解析及应用

　　储能被达沃斯经济论坛评为未来可能改变世界的十大新技术之一，储能电池是储能技术研发和应用最活跃的领域。目前储能电池技术发展很快，一旦取得突破，将对新能源发展、电网运行控制、终端用能方式等产生重大影响。未来储能电池技术将在新一代电力系统中实现广泛应用。

　　▌新型储能电池技术成为当前研发的热点和技术前沿现有商用电池技术包括锂离子电池、铅酸电池、镍氢/镉电池、钠硫/镍电池等，这些电池技术成熟，已广泛应用在电动汽车、手机、笔记本电脑、风电场储能系统、电网调频、分布式电源和微网等领域。目前，处于商用和示范应用、实验室研发或概念设计阶段的新型储能电池超过30种。其中，已示范应用的电池技术包括三元材料锂离子电池、全钒/锌溴液流电池、铅碳电池、超级电容电池等;

　　处于实验室研发阶段的电池技术包括石墨烯/锂硫/锂空等新一代锂离子电池、半固态/无薄膜等新一代液流电池、铝/锌等金属空气电池、钠/镁离子电池、液态金属电池等;石墨烯超级电容电池、双碳电池、纳米微电池、有机电池等处于概念设计阶段。这些新型储能电池技术已经成为当前研发的热点和技术前沿，未来有望大幅提升储能电池的性能，推动储能电池大规模应用。

　　半固态液流电池结合了锂离子和液流电池的优点，将在提高电池能量和功率密度、缩小体积、降低成本方面实现质的飞跃。目前美国麻省理工大学已研发出半固态液流电池，能量密度达到250瓦时/千克，比目前的液流电池提高10倍以上，成本仅100至250美元/千瓦时，比目前降低70%以上。

　　石墨烯锂电池以高导电性、质量超轻的石墨烯为材料，利用锂离子可在石墨烯表面和电极之间快速穿梭运动的特性，将充电时间缩短至分钟级。西班牙Graphenano公司和科尔瓦多大学共同研发出全球首例电动汽车石墨烯电池，充电时间只需8分钟，续航里程达到1000公里。

　　锂硫电池理论能量密度可达2600瓦时/千克，是传统锂离子电池的8至10倍。美国Polyplus公司、德国弗朗霍夫材料与光束研究所研发的锂硫电池能量密度已达到420瓦时/千克、600瓦时/千克。铝空气电池以空气为正极、铝为负极，通过铝与氧气发生化学反应释放出能量，电池能量密度在理论上可达8100瓦时/千克，居各种电池能量密度之首。以色列Phinergy公司已研发出专供电动汽车使用的铝空气试验电池，能量密度超过800瓦时/千克，续航里程达到1600公里。

　　▌锂离子和液流电池有望成为未来储能电池的主流技术锂离子电池是当前最受关注的储能技术，据美国能源部统计，至2016年年底，美国、日本、欧盟和中国储能装机占全球总装机的94%，其中电化储能示范数量近百项，项目数占比为53%。

　　在电化学储能示范项目数中，锂离子电池所占比重最高，达到48%，在电池储能中位列最高。未来，新一代锂离子电池技术将对电池的安全性、能量密度、充电时间等指标带来根本性的改变，在电网调峰调频、电动汽车、商用/家用储能系统等领域具有广阔的应用前景。液流电池具有容量大、成本低的优势，能够建成10万千瓦级以上、经济可靠的储能电站，为提高电网调度控制灵活性、大规模发展新能源提供重要支撑。

　　在大型能源基地、中枢变电站、负荷中心、电网末端等地区建设投运储能电站，能够提供调峰、调频、调压等多种辅助服务，在保持发用电平衡、缓解电网局部阻塞、应对电网紧急事故等方面发挥重要作用。在新能源发电基地配置大容量液流储能系统，能够有效平抑新能源发电出力波动，灵活跟踪发电计划曲线，促进新能源发电成为主力电源。

　　综合国际可再生能源署、国际能源署等机构的判断，2030年左右锂离子和液流电池将突破技术瓶颈，电池整体性能得到全面提升，成为最具大规模商用前景的主流电池技术，占全球储能电池容量的比例将超过50%，极大推动储能电池技术的发展和应用。

　　▌多种储能电池技术创新发展将在新一代电力系统中发挥重要作用随着未来多种电池储能技术发展和广泛应用，储能电池将应用到电力系统“发、输、配、用、调”的各个环节，有可能改变现有电力系统生产、运输和使用方式，助力传统电力系统向“广泛互联、智能互动、灵活柔性、安全可控”的新一代电力系统转型。在发电侧，锂离子电池、液流电池将成为支撑新能源大规模发展重要的储能技术，推动新能源成为新一代电力系统的主力电源。

　　截至2017年年底，我国风电、光伏发电并网容量合计达到2.93亿千瓦，占全部电源装机的比重达到17%。未来我国新能源还将加快大规模发展。根据国家非化石能源发展目标、碳减排目标，考虑在水电和核电装机放缓情景下，2030年年底全国风电、光伏发电等新能源发电总装机容量至少要达到8.8亿千瓦，是2016年年底新能源发电装机容量的3.5倍左右，占全部电源装机容量的比重达到30%左右。未来，高比例新能源接入将成为我国新一代电力系统的主要特征，如何驾驭大规模新能源并网运行需要大幅提升电力系统灵活性。

　　锂离子电池、液流电池将在短时大功率输出、响应速度快等性能方面实现进一步突破，有效平抑大规模新能源发电出力波动，灵活跟踪发电计划出力曲线，实现新能源电厂可观、可测、可控。在电网侧，液流电池作为大容量电网级储能电站备受青睐，可为电网提供多种辅助服务，增强电网调度控制的灵活性和安全性。

　　液流电池具有循环寿命长、容量大、响应速度快、安全性高的技术优势，未来有望代替目前已投运的锂离子储能电站，发展成为10万千瓦及以上的电网级储能电站，提供调峰、调频、调压等多种辅助服务，在发用电不平衡调剂、应对电网紧急事故中发挥作用。同时，在大型能源基地周边、中枢变电站、负荷中心、电网末端等地区建设大容量液流储能电站，能够充分发挥不同地域储能电站在缓解局部电网阻塞、促进电力平衡中的重要作用。

　　在用户侧，锂离子电池将成为推动分布式小型电池储能系统发展的主流技术，新型电池可作为锂离子电池的补充配合应用。未来锂离子电池技术进一步突破，能量密度将接近600瓦时/千克，续航能力超过500公里，比目前提高一倍左右;充电时间将缩短至30分钟以内，使用寿命达到15年，满足小型分布式储能、移动式电源的性能要求。

　　新型电池可配合锂离子电池共同在电动汽车、家用分布式储能等领域实现融合应用。未来，分布式光储应用潜力较大，部分用电需求小、对电网依赖性不强的用户，出于经济利益考虑，可能选择分布式光储系统独立供电，美国夏威夷已经出现了用户选择“分布式光储+电网”供电模式。