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能源革命中的電化學儲能技術

作者:李先鋒等 來源:《中國科學院院刊》 發布時間:2019-04-29 瀏覽:
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近年來,國際能源格局正在發生重大變革,能源系統從化石能源絕對主導向低碳多能融合方向轉變的趨勢已經不可逆轉。為應對這一變化發展新趨勢,世界各主要經濟體均密集出臺相關政策,以搶占能源資源和技術競爭的戰略制高點。中國也堅定不移地啟動了能源革命的重大戰略,對延續數十年的能源生產、能源消費和能源管理體制進行變革,對能源生產和消費技術進行創新。其中,儲能技術創新是踐行和落實能源革命的關鍵環節,其目的在于解決風能和太陽能等可再生能源大規模接入、多能互補耦合利用、終端用能深度電氣化、智慧能源網絡建設等重大戰略問題。這些戰略問題的突破,需要實現跨時間、跨地域管理,以及調配各種形式的能源,也需要各種規模的儲能(電)技術作為支撐。

儲能(電)技術可分為物理儲能技術和電化學儲能技術。其中,電化學儲能技術不受地理地形環境的限制,可以對電能直接進行存儲和釋放,且從鄉村到城市均可使用,因而引起新興市場和科研領域的廣泛關切。電化學儲能技術在未來能源格局中的具體功能如下:①在發電側,解決風能、太陽能等可再生能源發電不連續、不可控的問題,保障其可控并網和按需輸配;②在輸配電側,解決電網的調峰調頻、削峰填谷、智能化供電、分布式供能問題,提高多能耦合效率,實現節能減排;③在用電側,支撐汽車等用能終端的電氣化,進一步實現其低碳化、智能化等目標。如圖?1?所示,以儲能技術為先導,在發電側、輸配電側和用電側實現能源的可控調度,保障可再生能源大規模應用,提高常規電力系統和區域能源系統效率,驅動電動汽車等終端用電技術發展,建立“安全、經濟、高效、低碳、共享”的能源體系,成為未來?20?年我國落實“能源革命”戰略的必由之路。

圖 1 能源革命中的電化學儲能技術及發展預期

電化學儲能技術盡管已有?200?多年歷史,但從來沒有一個歷史時期比?21?世紀更引人注目。電化學儲能技術共有上百種,根據其技術特點,適用的場合也不盡相同。其中,鋰離子電池一經問世,就以其高能量密度的優勢席卷整個消費類電子市場,并迅速進入交通領域,成為支撐新能源汽車發展的支柱技術。與此同時,全釩液流電池、鉛炭電池等技術經過多年的實踐積累,正以其突出的安全性能和成本優勢,在大規模固定式儲能領域快速拓展應用。此外,鈉離子電池、鋅基液流電池、固態鋰電池等新興電化學儲能技術也如雨后新筍般涌現,并以越來越快的速度實現從基礎研究到工程應用的跨越。目前,電化學儲能技術水平不斷提高、市場模式日漸成熟、應用規模快速擴大,以儲能技術為支撐的能源革命的時代已經悄然到來!

國內外電化學儲能政策

為了搶占能源競爭戰略的制高點,主要發達國家和地區都加強了頂層設計戰略主導,能源科技戰略推陳出新。①美國。2018?年?4?月,美國針對涵蓋新能源和新能源汽車產業的“中國制造?2025”加征?500?億美元關稅;同年?9?月,美國能源部(DOE)為儲能聯合研究中心(JCESR)投入?1.2?億美元(5?年),以推進電池科學和技術研究開發。②歐盟。2018?年?5?月,歐洲電池聯盟發布戰略行動計劃,提出六大戰略行動,將啟動預計規模為?10?億歐元的新型電池技術旗艦研究計劃,打造一個創新、可持續、具有全球領導地位的電池全價值鏈;同年?6?月,歐盟在“地平線?2020”計劃(支持能源和交通領域電池研究,經費?1.14?億歐元)基礎上制定了“地平線歐洲”框架計劃,明確支持“可再生能源存儲技術和有競爭力的電池產業鏈”,其中氣候、能源和交通領域的研發經費為?150?億歐元。③日本。2018?年?7?月,日本經濟產業省發布了《第五期能源基本計劃》,提出降低化石能源依賴度,舉政府之力加快發展可再生能源;經濟產業省下屬的新能源與工業技術開發組織(NEDO)通過了“創新性蓄電池-固態電池”開發項目,將聯合?23?家企業、15?家日本國立研究機構,并投入?100?億日元,用以攻克全固態電池商業化應用的瓶頸技術,為在?2030?年左右實現規模化量產奠定技術基礎。④德國。2018?年?9?月,德國公布《第七期能源研究計劃》,計劃在未來?5?年投入?64?億歐元,支持多部門通過系統創新推進能源轉型,明確支持電力儲能材料的研究。美、日、歐通過前瞻性布局和重金投入推動電池技術研發,無疑將加快電化學儲能的規模化應用步伐。

中國對電化學儲能技術也進行了規范和指導發展。2016?年?4?月,國家能源局頒布《2016?年能源工作指導意見》;8?月,工信部頒布《中國制造?2025》;10?月,工信部發布《節能與新能源汽車技術路線圖》;11?月,國務院印發《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》(國發〔2016〕67?號)。2017?年,財政部、科技部、工信部、國家能源局聯合發布《關于促進儲能技術與產業發展的指導意見》。上述文件均明確提出加快全釩液流電池、鋰離子電池、鉛炭電池等電化學儲能技術的發展。與此同時,科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院也對電化學儲能技術和應用示范進行立項支持。然而,這些研究支持相對分散,其實際效果還有待考察。值得一提的是,從?2013?年至今,中國政府對電動汽車行業的補貼已達數百億美元之巨,有效促進了鋰離子電池技術和產業鏈的發展。然而,對于在大規模儲能領域的關鍵技術應用,尚無相應的補貼政策。

國內外電化學儲能技術的發展趨勢

在能源革命的黃金時代,各類電化學儲能技術需針對其細分市場進行差異化發展。然而無論對于哪一種儲能技術,其必須滿足?3?個基本要求:安全性高,全生命周期的性價比高,以及全生命周期的環境負荷低。目前,技術成熟度較高的鋰離子電池、全釩液流電池和鉛炭電池等電化學儲能技術都基本實現市場運營,在不斷發展的能源格局中迭代發展,其基本技術參數列于表?1。在未來?20?年內,這些技術有望占領絕大部分電化學儲能市場。

鋰離子電池

鋰離子電池的種類很多,比較有代表性的是以錳酸鋰、鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳鈷錳三元材料、鎳鈷鋁三元材料為正極的商品化電池體系。其中,錳酸鋰成本低、循環穩定性差,可用于低端電動汽車、儲能電站以及電動工具等方面。鈷酸鋰成本高、能量密度高,主要應用領域為消費類電子產品。鎳鈷錳三元材料與鈷酸鋰結構類似,但較之具有更長的循環壽命、更高的穩定性、更低的成本,適用于電動工具、電動汽車及大規模儲能領域。磷酸鐵鋰具有相對較長的循環壽命、相對較好的安全性、相對較低的成本,已大規模應用于電動汽車、規模儲能、備用電源等領域。

國際上研發鋰離子電池儲能系統的公司主要包括美國的特斯拉公司、A123 Systems?公司(現在已被中國萬向集團收購),日本三菱重工公司,韓國三星公司、LG?公司;國內的代表廠商有比亞迪、中航鋰電、力神等公司。特別是美國特斯拉公司,其依托日本松下公司的電池技術和獨有的電池管理技術,在電動汽車領域和儲能領域迅速崛起。2017?年,其在澳大利亞的南澳州建成了世界最大規模的?100 MW/129 MWh?的儲能電站,并成功運行。

盡管如此,鋰離子電池由于能量密度很高、大量使用有機電解液,其發生的燃爆事故層出不窮,需要選擇合適的應用模式,并在大規模應用場合嚴格監控。而且,隨著新能源汽車電池逐漸退役,我國預計到?2020?年退役的動力電池將突破?20 GWh,因而亟待發展退役動力電池的梯次利用回收技術,使能源的使用形成閉環。

經過?10?多年的發展,中、日、韓三國的鋰離子電池電芯產值已占據全球市場的?90%?以上,鋰離子電池行業三國鼎立的競爭格局已經形成。未來,鋰離子電池需要在降低成本的基礎上繼續大幅提高安全性,以實現在大規模儲能領域的普及使用。

鈉基電池

鈉基電池主要包括高溫鈉硫電池、Zebra?電池和室溫鈉離子電池。鈉硫電池是一種適用于大規模固定式儲能的技術。日本?NGK?公司是世界上最大的鈉硫電池生產企業。自?1983?年開始,NGK?和東京電力公司合作開發鈉基電池。1992?年實現第一個鈉硫電池示范儲能電站至今,已有?20?余年的應用歷程,其中包括全球規模最大的?34 MW?風力發電儲能應用示范,保證了風力發電平穩輸出。在我國,中國科學院上海硅酸鹽研究所和上海電力公司合作于?2014?年實施了國內首個?1.2 MWh?鈉硫儲能電站工程化應用示范項目。Zebra?電池的主要研發企業為美國?GE?公司,2011?年斥資建造了年產能?1GWh?的?Zebra?電池制造工廠,所生產的?Durathon?電池自?2012?年開始實現了商業應用。高溫鈉基電池存在短路燃燒的風險,其運行安全性仍需進一步驗證。

室溫鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類似,但具有原材料來源豐富、成本低廉、無過放電、安全性好等優點,2010?年以來受到國內外學術界和產業界的廣泛關注。目前國內外有?10?余家企業(英國法拉第公司,美國?Natron Energy?公司,法國?TIAMAT?公司,日本岸田、豐田、松下、三菱等公司,以及我國中科海鈉、鈉創新能源、遼寧星空等公司)正在進行相關中試技術研發,并取得了重要進展。其中,依托中國科學院物理研究所技術的中科海鈉公司已經研制出?120 Wh/kg?的軟包裝鈉離子電池,循環?2?000?周后的容量保持率高達?80%。2019?年?3?月,中科海鈉與中國科學院物理研究所聯合推出?30 kW/100 kWh?鈉離子電池儲能電站,實現用戶側的示范應用。鈉離子電池技術的開發成功有望在一定程度上緩解由于鋰資源短缺引發的儲能電池發展受限問題。

鉛炭電池

鉛炭電池(或先進鉛酸電池)是傳統鉛酸電池的升級產品,通過在負極加入特種炭材料,彌補了鉛酸電池循環壽命短的缺陷,其循環壽命可達到鉛酸電池的?4?倍以上,是目前成本最低的電化學儲能技術。并且,由于鉛炭電池適合在部分荷電工況下工作、安全性好,因而適合在各種規模的儲能領域應用。在國際上,美國桑迪亞國家實驗室、美國?Axion Power?公司、國際先進鉛酸電池聯合會、澳大利亞聯邦科學與工業研究組織、澳大利亞?Ecoult?公司和日本古河電池公司等機構均開展了鉛炭電池的研發工作,并成功將該技術應用在數?MW?的儲能系統中,可滿足中小規模儲能和大規模儲能市場的需求。

中國在鉛炭電池研究、開發、生產與示范應用方面也取得了長足的進步。比較有代表性的是南都電源、雙登電源等鉛酸電池企業,它們通過與中國人民解放軍防化研究院、哈爾濱工業大學等單位合作,開發出自己的鉛炭電池技術,并在國內成功實施了多個風光儲應用示范。例如,浙江鹿西島?6.8?MWh?并網新型能源微網項目,珠海萬山海島?8.4?MWh?離網型新能源微網項目,無錫新加坡工業園?20?MW?智能配網儲能電站等。2018?年,中國科學院大連化學物理研究所與中船重工風帆股份有限公司合作,開發出擁有自主知識產權的高性能、低成本儲能用鉛炭電池,開展了光伏儲能應用示范。

目前,盡管鉛炭電池的循環壽命比鉛酸電池有大幅提高,但是比起鋰離子電池來說還有明顯不足。如何進一步提高鉛炭電池壽命,以及如何進一步降低鉛炭電池成本,成為其后續發展亟待解決的關鍵問題。

液流電池

液流電池是一類較獨特的電化學儲能技術,通過電解液內離子的價態變化實現電能存儲和釋放。自?1974?年?Taller?提出液流儲能電池概念以來,中國、澳大利亞、日本、美國等國家相繼開始研究開發,并研制出多種體系的液流電池。這些液流電池根據正負極活性物質不同,可分為鐵鉻液流電池、多硫化鈉溴液流電池、全釩液流電池、鋅溴液流電池等體系。其中,全釩液流電池技術最為成熟,已經進入了產業化階段。全釩液流電池使用水溶液作為電解質且充放電過程為均相反應,因此具有優異的安全性和循環壽命(>1?萬次),在大規模儲能領域極具應用優勢。

在國際上,日本住友電工的技術最具代表性,其?2016?年在日本北海道建成了?15 MW/60 MWh?的全釩液流電池儲能電站,主要在風電并網中應用。在中國,中國科學院大連化學物理研究所的技術最具代表性,其在?2008?年將該技術轉入大連融科儲能技術發展有限公司(以下簡稱“融科儲能”)進行產業化推廣。融科儲能于?2012?年完成了當時全球最大規模的?5 MW/10 MWh?商業化全釩液流電池儲能系統,已經在遼寧法庫?50 MW?風電場成功并網并安全可靠穩定運行了近?7?年,該成果奠定了我國在液流儲能電池領域的世界領軍地位。2014?年,融科儲能開發的全釩液流儲能電池儲能系統成功進軍歐美市場,開始全球戰略布局。2016?年,國家能源局批復融科儲能建設規模為?200 MW/800 MWh?的全釩液流儲能電池調峰電站,用于商業化運行示范。目前,全釩液流儲能電池依然存在能量密度較低、初次投資成本高的問題,正在通過市場模式和技術創新予以完善。在未來,還需要開發具有更低成本的長壽命液流電池技術,以實現技術的迭代發展。

我國電化學儲能技術的發展戰略

當前,我國的能源革命還處于初期階段,相應的儲能市場體系還不完善,有必要通過補貼的方式迅速培養出完整的市場和產業鏈。在推動能源生產革命和消費革命的過程中,要充分發揮市場對資源的調配作用,使各類電化學儲能技術依據其技術特點統籌發展。在關鍵技術攻關方面,仍應繼續加強對研發的投入,并充分調動國內產學研優勢力量進行聯合攻關。

對于液流電池技術,需要進一步支持全釩液流電池降低成本,開展百?MW?級系統的應用示范并推廣應用;同時,加強高能量密度、低成本鋅基液流儲能電池的研究,突破其規模放大技術,開展示范應用,推進其產業化。對于鉛炭電池技術,戰略發展的重點在于實現炭材料的國產化,進一步提高鉛炭電池的性價比,并在器件量產的基礎上,推動儲能系統集成技術的發展和應用領域的拓展。對于鋰離子技術,未來需要發展不易燃的電解液和固態電解質以提高其安全性,結合退役動力電池梯次利用以大幅降低其成本,并實現廢舊鋰離子電池的無害化處理。與此同時,需要重點開發耐低溫的鋰離子電池,以實現在我國北方地區的普及應用。除此之外,需要布局新興鈉離子電池技術的應用示范。雖然鈉離子電池能量密度不及鋰離子電池,但鈉離子電池的原材料儲量豐富、成本低廉,在大規模儲能領域的優勢明顯。未來需要進一步降低成本,提升循環壽命,全面評測鈉離子電池的電化學及安全性能,盡快建立鈉離子電池正極材料、負極材料、電解質鹽的產業鏈,開展?MW?級系統的應用示范,推進其產業化。

作為能源革命的關鍵支撐技術,電化學儲能未來發展的前景極其廣闊。目前,我國多種電化學儲能技術均已進入產業化階段,還有很多新的儲能技術迭代發展。但是我國儲能市場的發展還很不成熟,需要進一步政策引導和激勵發展。中美貿易摩擦或將給我國的新能源發展帶來一定困難,但也同時給我們創造了自主發展的機遇。為了實現我國能源革命的重大戰略,需要全國科學家、企業家的共同努力,不斷推進電化學儲能技術的創新發展。(作者:李先鋒,中國科學院大連化學物理研究所;張洪章,中國科學院大連化學物理研究所;鄭瓊,中國科學院大連化學物理研究所;閻景旺,中國科學院大連化學物理研究所;郭玉國,中國科學院化學研究所;胡勇勝,中國科學院物理研究所。《中國科學院院刊》供稿)

關鍵字:電化學儲能技術

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