1.2.2 电化学储能

电化学储能利用电池实现电能与化学能的相互转化，其主要原理是利用可逆的氧化还原反应，离子在电池内发生转移，从而带来电荷流动，最终实现电能的存储和释放。电化学电池主要由电极、电解质以及隔膜构成，不同类型电池的电极、电解液以及隔膜材料存在差异。主要电池类型包括：锂离子电池、铅酸电池、液流电池和钠硫电池等。

1.2.2.1 锂离子电池

锂离子电池伴随着近些年电动汽车行业的迅猛发展，技术和产业成熟度快速提升，目前已成为国内外储能应用的主流技术类型，已在电源侧、电网侧和用户侧开展了大量工程实践。

锂离子电池是目前比能量最高的实用二次电池，其工作原理如图1-5所示，电池由正极、负极、隔膜和电解液组成，其材料种类丰富多样，其中适合作正极的材料有锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰酸锂，适合作负极的材料有石墨、硬（软）碳和钛酸锂等。

锂离子电池储能的技术特点如下：

1）适用度高，技术进步快，发展潜力大，锂离子电池综合性能较好，能够满足多样化的场景需求。可选择的材料体系多样，且从事相关科研、产业和应用的人员较多，技术进步较快。随着技术经济性的提高，将更加广泛地应用于各种场景。

2）转换效率高，能量密度大。锂离子电池单体能量转换效率可达近100%，系统效率一般近90%，能量密度可达约200Wh/kg。

3）使用寿命和循环次数提高显著。随着技术更新换代加速，目前锂离子电池的使用寿命一般能达到8～10年，正常工况下循环次数可以达到4000～5000次。

虽有潜在安全隐患，但整体可防可控。当前，使用可燃性电解质的锂离子电池虽存在本征安全隐患，但随着材料体系不断改进、制作工艺迭代升级、防护理论逐渐完善，锂离子电池单体及系统的安全性能已有了大幅改善，整体已经基本满足应用需求。未来在高压高温电解液、无机化隔膜、固态电解质、新一代生产工艺、智能管理、专用消防灭火等技术手段基础上，其安全性能将得到进一步提升。

目前，锂离子电池储能系统工程建设成本为300～400美元/kWh，储能系统本体占70%～80%。电池储能系统本体主要由电池单元、系统组件、管理系统等构成，其中电池单元约占60%，系统组件约占15%，管理系统约占10%，其他设备约占15%。在电池单元成本构成中，正极材料约占40%，负极材料约占15%，电解液约占20%，隔膜约占10%，生产成本约占15%，成本构成如图1-6所示。总体来看，材料成本通常占电池系统本体的50%以上。

近年来，锂离子电池已经在通信电子行业和电动汽车行业全面应用。随着制造技术不断完善和成本不断降低，许多国家已经将锂离子电池用于储能系统，其研究也从电池本体及小容量电池储能系统逐步发展到大规模电池储能电站的建设应用。截至2018年年底，全球已建成锂离子电池储能系统约578万kW，主要用于平滑新能源出力波动、跟踪新能源计划出力，为电力系统提供调峰、调频、调压、需求响应及备用等多种服务。2018年，我国电化学储能市场出现爆发式增长，电网侧和用户侧储能应用成为主要的增长点，锂离子电池占比接近70%。

1.2.2.2 铅酸电池

铅酸电池是由浸在电解液中的正极板和负极板组成，电解液是硫酸的水溶液，电池单元的开路电压为2.1V，基本的电池反应如下：

正极：

负极：

总反应：

普通铅酸电池的能量密度为30～40Wh/kg，功率密度为150W/kg，循环寿命为1000次左右（80%充放电深度），能量转换效率为80%，电池价格为1000元/kW。铅酸电池具有安全可靠、价格低廉、技术成熟、工作温度宽、再生利用率高、性能可靠和适应性强并可制成密封免维护结构等优点，目前在汽车启动电源、UPS及EPS等传统领域中，铅酸电池仍然在电池市场中占主导地位。但传统的铅酸电池寿命短、能量密度低、系统管理粗放的缺点使得其无法满足未来电网灵活多样的储能应用需求。目前，世界众多研究机构和公司均已重点关注长寿命铅酸电池和铅炭超级电池（见图1-7）在储能领域的研究、开发与应用。

1.2.2.3 液流电池

液流电池是氧化还原液流电池的简称。液流电池的活性物质以液态形式存在，既是电极活性材料又是电解质溶液，分装在两个储液罐中，各由一个泵使溶液流经液流电池电堆，在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应，如图1-8所示。

目前主要的液流电池研究体系有：多硫化钠/溴体系、全钒体系、锌/溴体系、铁/铬体系。其中，全钒体系发展比较成熟，具备MW级系统生产能力，已建成多个MW级工程示范项目。

液流电池作为一种专用的储能型电池，其额定功率可以达到数十兆瓦，同时其有着寿命长、容量大的显著优势，可用于备用电源、辅助可再生能源并网、削峰填谷等场合，但液流电池系统结构复杂、效率低、能量密度（特别是体积能量密度）低、成本较高，整体技术尚不成熟。

目前，全钒液流电池的成本约为480美元/kWh，其构成如图1-9所示。电解液成本约占总成本的43%，易受上游钒价格波动的影响；电堆成本约占43%，其中离子交换膜占比最高。

由于能量密度低，电池系统占地面积较大，全钒液流电池适合建设在对占地要求不高的新能源发电场站周边，提高新能源发电的可调节性，参与系统调峰等能量型应用。

1.2.2.4 钠硫电池

钠硫电池属于高温钠系电池，工作温度范围分别为300～350℃和250～300℃，主要由作为固体电解质和隔膜的β-氧化铝陶瓷管、钠负极、硫正极、集流体以及密封组件组成，电池结构与工作原理如图1-10所示。

目前钠硫电池的成本约为25000元/kW，循环寿命为2500次（100%深度充放电），能量转换效率大于83%。根据应用需求，可由钠硫电池模块级联构成大规模储能系统。

钠硫电池经过多年的商业化应用，具有先发优势，积累了较多的工程应用经验，可根据应用需求通过钠硫电池模块组合使系统规模达到MW级别，且钠硫电池能量密度大、无自放电，原材料钠、硫易得，不受场地限制。钠硫电池的缺点是倍率性能差，充放电能力不对称，而且电池寿命有限，成本高。另外，钠硫电池在高温运行，金属钠和单质硫均是液态，存在安全隐患。

钠硫电池比能量较高，技术相对成熟，在辅助可再生能源并网等场景已有一定规模的应用示范（主要在日本），但其必须运行于高温的特点，使得其存在本征的安全隐患和系统效率瓶颈，同时受制于专利布局和电解质材料，推高了推广应用的门槛和成本，在日本以外的其他国家和地区几乎没有应用。