化學電源及其在儲能領域的應用

高嘯天 ，匡俊 ，楚攀 ，孫克寧

（1. 中國能源建設集團廣東省電力設計研究院有限公司，廣州510663；2. 北京理工大學化學與化工學院，北京102488）

改革開放以來，我國經濟飛速發展，國內生產總值不斷增長。2010年，中國的國內生產總值超越日本，正式成為世界第二大經濟體。科技的進步和工業的快速發展給人們生活帶來便利的同時也增加了能源的需求。當前，我國的能源消耗仍然具有投入高、消耗大、排放高的缺點，不僅會造成資源的浪費，更會增加環保壓力。在2015 巴黎氣候大會上，中國承諾在2030年前將單位國內生產總值的二氧化碳排放量比2005 年降低60%～65%，且二氧化碳總排放達到峰值。早在2009年，我國就確立了推進核能、太陽能、風能、水電等可再生清潔能源利用的能源思路。2018年，我國新能源（風能、太陽能）發電量543.5 TWh，占全國發電量的7.8%，同比增長1.2%。

對于風能、太陽能等可再生能源發電，其發電效率受到時間、地域、天氣等影響，具有波動性、隨機性和間歇性等特點，使得新能源發電的消納給電力系統帶來了諸多挑戰。此外，我國目前的發電系統仍然以火電和水電為主，且二者的響應時間和爬坡速率仍有待進一步提高。可再生能源發電的快速發展和電力系統結構的優化改革，使得對傳統電力系統的規劃、運行和控制提出新調整方案成為亟待解決的問題。儲能技術對于提高新能源的消納能力、調節用電峰谷、改善用電質量的積極作用已經得到廣泛認同。化學電源儲能作為一種重要的儲能手段，具有響應速度快、爬坡迅速、能量密度高、配置靈活等諸多優點。2014年，中國的電化學儲能總裝機容量僅為132.3 MW，到2018 年12 月底，這一數字已經增加到1.07 GW，發展極為迅速。化學電源技術種類繁多，各種技術之間存在較大差異。對化學電源進行深入研究，并因地制宜地使用化學電源進行儲能應用，是現階段的關鍵問題。本文針對不同化學電源技術的機理、特點及其在儲能領域的應用和面臨的主要問題等進行探討，并給出相應的建議，為化學電源在儲能領域的發展提供借鑒。

1 化學電源研究現狀

化學電源又稱為電池，是能夠將化學能轉化為電能的裝置。按照工作性質，可將電池分為一次電池、二次電池、燃料電池等。隨著電子產品的日益普及，電池已經成為當今生活的一種必需品。二次電池也可以被稱為蓄電池，能夠將電能轉化為化學能進行儲存，并在需要放電時將化學能轉化為電能釋放。二次電池能夠多次實現電能與化學能的相互轉化，因此可以循環使用實現多次充放電，具有更好的經濟和環保效益。從應用領域看，小至手表、心臟起搏器、筆記本電腦等電子產品，大至電動汽車、大型無人機、儲能電站，二次電池均發揮著極其重要的作用。目前常見的二次電池包括鎳氫電池、鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池等。由于電池結構與組成的不同，不同種類二次電池的性能也存在差異。對各種二次電池的特點進行深入了解是充分利用其性能優勢的必要條件。

1.1 鎳氫電池

鎳氫電池是一種發展較早，技術較為成熟的儲能電池，最初設計目的是為了替代鎘鎳電池作為第二代空間儲能電源。鎳氫電池的能量密度可以達到95 Wh/kg，可以實現快速充放電，低溫性能和循環性能極為優異，在低軌道衛星中以DOD 40%的放電深度工作，可以循環4萬次。

按照氫的儲存方式，鎳氫電池可以分為高壓鎳氫電池和低壓鎳氫電池，二者最主要的差別為高壓鎳氫電池采用高壓鋼瓶直接存儲氫氣而低壓鎳氫電池采用儲氫合金儲氫。從性能上看，高壓鎳氫電池的能量密度更高、循環性能更好，但是采用鋼瓶儲存氫氣會有較大安全隱患。因此，高壓鎳氫電池通常被用于同步軌道衛星作為儲能電源。著名的美國哈勃望遠鏡于1990 年發射，使用的就是容量為83 A·h的鎳氫電池組。

相比之下，低壓鎳氫電池由于使用合金儲氫，安全性能大大提高，但儲氫材料的引入造成整體質量的增加，引起能量密度的相應降低。基于高安全性和長循環壽命的特點，低壓鎳氫電池在移動電話、筆記本電腦、攝像機等消費電子產品中曾經得到廣泛使用。在電動汽車領域，鎳氫電池同樣是最為成熟的二次電池之一。日本豐田公司設計的Prius混合動力汽車采用的就是低壓鎳氫電池。該車型是第一種真正意義上市場化的混合動力汽車，并且至今仍然保持很高的銷量。

鎳氫電池目前仍然是技術最為成熟的二次電池之一，憑借循環壽命高、大倍率充放電性能好等優點在航天儲能、消費電子、電動汽車領域均得到廣泛應用。但因其理論容量不如鋰離子電池且具有記憶效應等缺點，從長期看，鎳氫電池將面臨以鋰離子電池為主的二次電池的挑戰。

1.2 鉛蓄電池

鉛蓄電池是第一種商業化的二次電池，也是目前使用范圍最為廣泛的電池產品。在結構組成上，鉛蓄電池由正極（二氧化鉛、PbO），負極（金屬鉛、Pb），電解液（硫酸、HSO）、隔板和電池殼（包括連接部件）等部分組成。鉛蓄電池的制造及回收工藝極為成熟，使其生產、使用、回收、再利用過程中理論上不會發生鉛的外泄，最大限度降低了鉛蓄電池對于環境的影響。相比于其他蓄電池，鉛蓄電池目前仍具有一些無語倫比的優異性能：

1）結構簡單、造價低廉。

2）單體電池電壓高（2 V）。

3）大倍率放電性能優異，因此廣泛用做汽車、拖拉機、摩托車等的啟動電池。

4）工作溫度范圍寬，在-40～50 ℃均能夠正常工作。

5）淺充放電性能優異，適合用于新能源儲能、電網的平峰谷和調頻。

6）安全性高，極少發生失火、爆炸事故，因此可以制成大容量的蓄電池組。

基于上述優點，鉛蓄電池仍然是應用最為廣泛的蓄電池，其應用范圍主要包括：（1）汽車、拖拉機等的啟動電源；（2）風能、太陽能等新能源發電的儲存；（3）數據中心、計算機、大型儀器設備的不間斷備用電源（UPS）；（4）小型電動車、工程車輛等的動力電源。

由于具有造價低廉、安全性高、工作溫度范圍寬、淺充放電性能優異的優點，鉛蓄電池已經在電力系統中得到應用。截止至2018年，鉛蓄電池在全球電化學儲能裝機比重為5.9%（數據來源：中關村產業技術聯盟，國泰君安證券研究）。

鉛蓄電池最大的劣勢主要有兩點：（1）鉛蓄電池的能量密度較低，理論值為170 Wh/kg，實際值不到50 Wh/kg，實際能量密度不到目前商用鋰離子電池的1/3；（2）鉛蓄電池的循環壽命相對較低，僅為鋰離子電池的1/3 左右，用于移峰填谷時實際使用壽命僅為2 年左右。通過電池管理系統（BMS）的引入有效提升了鉛蓄電池的使用壽命，降低了使用成本，但能量密度較低的本征缺陷限制了鉛蓄電池的進一步大規模應用。目前，鉛蓄電池在電力系統裝機規模比例正不斷降低，逐漸被鋰離子電池等新型電化學系統替代。不過鉛蓄電池的維護簡單、可靠性極高，在偏遠地區的儲能建設、大型設備的備用電源和不間斷供電方面仍然可以發揮作用。

1.3 鋰離子電池

鋰離子電池最早由索尼公司于1992年實現商業化。相比于其他已經商業化的二次電池，鋰離子電池具有能量密度高、循環壽命長、無記憶效應等優點，是目前最具潛力，可行性最高的儲能路線。圖1 中給出了鋰離子電池的工作示意圖：在充電過程中，鋰離子（Li）從正極脫出遷移至負極一側并嵌入負極材料層間；放電時，Li從負極脫出向正極遷移并嵌入正極材料。可以看出，鋰離子電池對于電能的儲存和釋放是通過Li在正負極之間的遷移實現的，這種往復遷移如同在搖椅兩端往復運動，因此鋰離子電池也被稱為“搖椅電池”。

圖1 鋰離子電池工作示意圖［11］Fig. 1 Schematic diagram of lithium-ion battery［11］

從工作機理上來看，鋰離子電池是利用鋰離子在正負極之間遷移實現充放電的一大類電池。理論上講，能夠進行鋰離子可逆脫嵌的材料均具有作為鋰離子電池電極材料的潛力。目前已經商用的有鈷酸鋰、磷酸鐵鋰、鎳酸鋰、三元材料等多種正極材料和石墨、硅碳等負極材料。不同的電極材料會賦予鋰離子電池不同的工作特性。例如，磷酸鐵鋰正極材料具有高溫性能好、循環性能優異、安全性好等優點；以鎳鈷錳和鎳鈷鋁為代表的三元正極材料具有更高的工作電壓和更大的容量；鈷酸鋰正極材料的優點為放電平臺平穩、大電流性能優異。正是基于上述特點，通過電極材料、電解液、電池結構的設計，可以得到功率型、能量密度型、儲備型等不同特點、不同用途的鋰離子電池。

目前商用鋰離子電池的能量密度為150～250 Wh/kg，遠高于所有目前商業化的二次電池。不僅如此，鋰離子電池仍然有進一步發展的潛力，通過結構設計和新材料的開發還能夠進一步提高鋰離子電池的能量密度和循環壽命。

鋰離子電池是目前綜合性能最為優異的二次電池，已經在便攜式電子設備上得到廣泛應用，并逐步取代鉛酸和鎳-氫電池作為動力電池應用于電動汽車。在電力系統中，鋰離子電池在AGC 調頻、可再生能源發電和峰谷調控均具有極為廣闊的應用潛力。

1.4 液流電池

液流電池最初是由美國航天局支持，于20 世紀70 年代提出的一種二次電池儲能裝置。圖2給出了液流電池的示意圖。不同于其他傳統二次電池（如鎘鎳電池、鋰離子電池）中電極材料永久封閉在電池殼體中，液流電池的陰陽極反應物為單獨儲存并通過泵體控制流量的液體電解質。這些電解質既是電極反應的活性物質，又是離子傳輸的載體。通過控制液體電解質存量和流速的控制，即可調節電池的儲能容量和輸出功率。液流電池可以在不損傷電池的情況下實現100%深度放電，并且通過電解液的更換，即可實現電池“瞬間充電/放電”。基于上述優點，液流電池具有非常高的設計自由性和靈活性。液流電池另一個特點是活性物質電解質為水溶液，使得電池系統不存在起火的風險，安全性高，非常適合用于大型儲能站的建設。

圖2 液流電池示意圖Fig. 2 Schematic diagram of flow battery

全釩液流電池是最有前景的液流電池之一，已經得到初步的商業化應用。不過，目前限制液流電池大規模應用的最大障礙在于其昂貴的造價。其中，離子交換隔膜的成本可以達到電池成本的55%。目前應用最為普遍、性能最優異的隔膜是美國杜邦公司生產的Nafion 膜，較高的技術門檻造成其幾乎沒有替代品，使得中國的液流電池發展嚴重受限。不僅如此，使用Nafion 膜作為隔膜會存在離子和水的滲透遷移現象，從而引起電池的失效。目前技術較為成熟的液流電池—釩液流電池需要用到大量有毒的釩溶液，存在一定環保問題隱患。此外，電池的密封技術、高效電極材料的開發等都在一定程度上限制著液流電池的大規模應用。

總而言之，由于技術及成本限制，液流電池尚處于商業化應用的初期，存在很多亟待解決的技術難題。但液流電池安全性高、靈活性好的優點，也使其成為儲能領域最具潛力的選擇之一。

1.5 燃料電池

燃料電池是直接將燃料和氧化劑的化學能轉化為電能的裝置。與其他二次電池充放電的工作模式不同，燃料電池在工作時連續不斷地輸入燃料（氫氣、甲烷等）和氧化劑（空氣、氧氣）即可連續穩定地輸出電能。從這一角度看，燃料電池與內燃機具有相似之處，是一種發電技術。相比于熱電機組，燃料電池又具有很多無可比擬的優勢：

1）效率高。燃料電池通過電化學反應將燃料的化學能直接轉化為電能，不受卡諾循環的限制，因此能量轉化效率理論上可以達到100%，實際效率已經達到60%～80%，超過普通熱機的2倍。

2）環境友好。燃料電池所用的燃料氣包括氫氣、甲烷、甲醇、天然氣等，理論上工作時沒有氮氧化物和硫化物的產生與排放，二氧化碳排放量也要比煤炭發電低40%以上，有效降低空氣污染的同時還能減少溫室氣體排放。

3）結構簡單。燃料電池結構簡單，由于沒有摩擦、轉動部件，因此工作噪聲低。簡單的結構還有助于實現燃料電池的小型化、家用化。

燃料電池的分類方式和種類繁多，根據電解質的差異，可以將燃料電池分為質子交換膜燃料電池（PEMFC）、堿性燃料電池（AFC）、直接甲醇燃料電池（DMFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）等。雖然每一種燃料電池的工作條件有所不同，但總體結構和工作機制基本相似，即正負極活性物質單獨儲存，在電解質界面（如質子交換膜）發生電化學反應輸出電能（圖3）。在這一點上，燃料電池與液流電池的結構較為相似。

圖3 質子交換膜燃料電池示意圖Fig. 3 Schematic diagram of PEMFC

燃料電池已經在航天、軍事、電動汽車和分布式發電系統中得到實際應用。日本松下公司推出的ENE-FARM 型質子交換膜燃料電池和東京煤氣公司研發的小型固體氧化物燃料電池系統瞄準1 kW級的家用市場并得到初步商業化應用。這種分布式燃料電池能夠滿足居民日常生活用電需求，還可以并網減輕電網壓力，減小電網的送電損耗，提高能源利用效率。除此之外，燃料電池系統在邊防、孤島供電方面同樣具有極大的應用潛力。

2 化學電源在儲能領域的應用

2.1 新能源的并網

隨著人口的增長和科技的進步，人們對能源的需求量日益提高。針對能源的國家、地區沖突時有發生，化石能源使用帶來的環保問題也愈發嚴峻。我國幅員遼闊，風能和太陽能資源極為豐富。風能、太陽能等新型清潔可再生能源的開發，是優化能源結構，解決我國能源與環保問題的重要手段。在相當長的一段時間內，風能和太陽能發電的成本都要遠高于常規發電手段，因此只能作為偏遠地區的補充能源使用。在過去的十年，隨著技術的進步和規模化帶來的成本降低，太陽能發電成本已經降低了90%，路上風電機組上網電價已經降低至0.61元/kWh 以下。而風能和太陽能最為顯著的問題在于其受限于時間、地域、天氣等因素造成的不穩定性和間歇性。因此，風能和太陽能有必要與儲能結合以達到平滑電能輸出、吸收過剩的新能源發電以減少“棄風棄光”。

雖然處于部署周期的早期階段，太陽能+儲能項目已經成為工程總承包商的關注重點。2019 年3月，Nextera 能源公司表示將為美國佛羅里達州電力和照明（FPL）公司在坦帕附近74.5 MW 的太陽能發電廠建設409 MW/900 MWh 的電池儲能系統。該儲能系統的計劃裝機容量達到世界上現有電池儲能系統的四倍。該太陽能+儲能的運行模式將逐漸替代兩個天然氣發電廠。

2020 年3 月10 日，國家能源局發布了《關于2020 年風電、光伏發電項目建設有關事項的通知》，并指出要加強風電、光伏發電消納能力的論證與監管。而光伏+儲能的運行模式恰好能夠達到這一目的。截止至2019 年底，中國與光伏發電相配套的儲能電站裝機290.4 MW，約占中國儲能總規模的18%。根據中關村儲能產業技術聯盟的預測，到2025 年，電化學儲能站的裝機容量將超過10 GW，其中，用于新能源消納的儲能比例將進一步提高。

除了直接利用化學電源對新能源發電進行儲存外，通過風能、光伏發電進行制氫，并結合燃料電池進行集中發電或建設分布式電站同樣是一種極具應用前景的新能源消納手段。這種策略的優勢在于利用儲氫這一中間途徑作為緩沖，緩解風能、太陽能發電的不穩定性，通過燃料電池發電提供穩定的電力輸出，減少了調控電站的投入。同時，與新能源結合的電化學儲能裝置需要大容量、高功率、能夠長期不間斷循環的電池系統，這對目前以鋰離子電池為代表的二次電池而言是較為嚴峻的技術難題，而通過燃料電池電堆的設計恰恰能夠實現不間斷地大功率電能輸出。在孤島供電系統中，向風能/光伏+制氫+燃料電池系統中引入響應迅速的電化學儲能系統，有助于解決電解槽和燃料電池響應延遲的問題。針對我國可再生能源比例不斷提高的現狀，向風能/光伏+制氫+燃料電池系統+電化學儲能的模式是一種極具前景的新能源消納策略。除了直接用于發電，生產的高純氫氣還可以用于半導體、光纖、航天等領域，具有較好的額外經濟價值。

2.2 發電側調頻

我國目前的裝機結構仍然以水電和火電機組為主，尤其是裝機規模最大的火電機組，存在響應速度慢、爬坡時間長的問題。頻繁地調節發電機組的輸出功率還會加重機組的磨損，降低工作壽命。自動發電控制（AGC）通過對電網中調頻電源的有功出力進行調節，實現對于電網中分鐘甚至是秒級功率不平衡的改善。化學電源儲能系統具有響應迅速、功率高、配置靈活等優點。將化學電源用于電網調頻，具有如下優勢：

化學電源響應速度快，能夠達到毫秒級，且可以快速轉換調節方向。與發電機輸出功率變化會額外增加燃料消耗和機械結構磨損不同，電池系統在充放電過程中沒有上述損耗。因此采用電化學儲能系統通過功率的吸收、釋放調節頻率能夠有在有效提高調頻效率的同時降低機組的故障率。

美國西北太平洋國家實驗室2008年的研究報告指出，電化學儲能系統的調頻效率是水電機組的1.4 倍，是燃氣機組的2.3 倍。引入化學電源有助于提高火電機組的AGC 能力，從而獲得更高的收益。表1 給出了水電和幾種常見火電機組的響應速率對比圖。以汽包爐式燃煤機組為例，如果要求機組在10 分鐘后增加30 MW 功率進行調頻，那么將需要100 MW 的火電機組才能滿足需求。而使用30 MW的鋰離子電池儲能電站進行調頻，在1 秒鐘內即可輸出需要的功率，顯著提高系統響應速率。在此條件下電化學系統的調頻效率超過燃煤機組的3.3倍。不僅如此，電化學儲能系統配置靈活，儲能站建設周期短，能夠延緩燃煤機組的擴建，降低投資成本。

表1 水電和幾種火電機組的響應速率對比［16］Tab. 1 Response rates comparison between hydropower and several kinds of thermal power units［16］

我國石景山熱電廠于2013 年對AGC 性能最差的3 號機組采用2 MW×15 min 鋰離子電池儲能系統進行改善。石景山熱電廠由4 臺容量220 MW 的燃煤供熱汽輪機發電機組組成，不僅承擔北京市1/5 的供電需求，還要承擔北京市電網頻率調節的主要任務。近年來風能、太陽能等可再生能源發電量快速提高，其不穩定性顯著增加了石景山熱電廠的AGC 調頻壓力。尤其是石景山熱電廠還要負責冬季的供暖任務，使得AGC 能力不足的問題進一步嚴峻。在此背景下，引入響應迅速的電化學儲能系統能夠在不影響發電機組控制邏輯的前提下顯著提高AGC 性能。改善后，原本石景山熱電廠AGC 性能最差的3 號機組綜合調頻指標在華北電網提供AGC 服務的機組中排名第一。該項目為國內首個火電儲能聯合調頻項目（事實上，這也是全球首個此類項目），對我國今后的電網側儲能調頻具有極為重要的借鑒價值。

在經濟效益上，由于電化學儲能的調頻能力明顯優于傳統發電機組，因此儲能站的建設能夠有效減少發電機組的容量，從而節省建設成本。在運行過程中，電化學儲能系統能夠有效降低發電機組機械部件的磨損程度、降低輸出調節過程中的燃料用量，從而減少運行費用。不僅如此，采用電化學系統進行調頻的響應速率更快、精度更高，能夠產生額外的動態效益。更為重要的是，電化學系統的引入可以顯著降低火電機組碳氧化物、氮氧化物、硫化物的排放量，從而得到更為優異的環境保護效益。

2.3 用戶側

中國化學與物理電源行業協會儲能應用分會發布的《2019儲能產業應用研究報告》指出，截止至2018年年底，用戶側儲能的總裝機規模高達1.583 GWh，占總電化學儲能裝機規模的51.0%。

目前，用戶側儲能主要通過以下模式實現收益：利用峰谷不同的電價，高充低放，實現價差收益；改善高質量用電需求設備的用電質量，同時作為不間斷備用電源提高對于突發停電的應對能力；延緩容量增加的建設，降低成本；提高用戶側光伏、風能發電的消納能力。

早期的用戶側儲能多采用價格低、穩定性高的鉛蓄電池以實現經濟效益的最大化。不過隨著技術的進步和制造工藝的逐漸成熟，近年來鋰離子電池的裝機容量迎來爆發式增長。

隨著光伏發電技術的成熟和成本的降低，光伏與儲能結合的策略成為近期廣受關注的課題。電動汽車的快速發展給電力系統帶來了新的挑戰。“光儲充”作為新能源領域的熱門組合，將光伏發電、儲能和充電站整合，利用低谷電荷太陽能發電為儲能電池充電，在電動汽車充電高峰期為充電站供電，不僅能夠削峰平谷降低電網壓力，還能夠解決太陽能發電的不連續性，提高新能源消納能力。2019 年10 月30 日，杭州市首座光儲充一體化充電站正式投入使用，該充電站的儲能系統又回收再利用的電池組加上控制系統組成，不僅實現了光伏發電、儲能、充電站的有機結合，更為化學電源的梯度利用提供借鑒價值。

2.4 電網側

電網側的儲能主要為電網提供削峰填谷、調頻調壓等服務。在湖南大學馮越琪題目為《電池儲能參與含抽水蓄能的電網調頻研究》的碩士論文中，通過仿真模擬手段討論了電池儲能在含有抽水蓄能的電網調頻的可行性，認為電池儲能的引入不僅能夠提高調頻效果，還具有一定的經濟效益。

雖然抽水蓄能具有容量高、響應迅速等優點，但其建設受限于地理條件，且投資成本高、建設周期長，在一定程度上限制了抽水儲能的進一步應用。相比之下，化學電源儲能具有地勢要求小、容量配置靈活、易于模塊化和建設周期短的優點，在調壓調頻、應急響應方面極具應用前景。利用化學電源儲能配置靈活的特點，在電網中關鍵節點布置儲能站，能夠實現服務多個用戶和電源，充分利用儲能系統的容量，減少閑置浪費，從整體收益來看，具有更高的整體經濟效益。不過目前限制化學電源在電網側儲能應用的最大問題在于成本劣勢和運行策略的不完善。近年來隨著材料開發和工藝技術的逐漸成熟，電化學儲能的度電成本降至0.6～0.9 元/kWh，相比抽水儲能的0.21～0.25 元/kWh 仍然偏高。不過隨著電池技術的不斷進步和生產規模的逐漸擴大，電池成本將會進一步降低，從而達到規模化應用的0.3～0.4 元/kWh 度電要求。從長遠來看，隨著風能、太陽能等可再生能源在電網中比例不斷升高，儲能系統是一種剛性需求。這種必然需求將會推動電網側儲能技術的發展、成本的降低、運行策略的改進和市場制度的完善。

3 化學電源在儲能領域面臨的關鍵問題及建議

3.1 化學電源的開發與選擇

從第一章中電池的介紹可以看出，電池種類繁多，且每一種電池都具有各自的優勢，如鎳氫電池的高循環壽命、鉛蓄電池的高安全性、鋰離子電池的高容量、液流電池的高靈活性、燃料電池的無限放電能力等。但是每一種電池又都具有自己的缺點而造成其應用局限性（各種電池性能匯總比較如表2所示），針對儲能電站建設的條件與要求合理地選擇電池極為重要。

表2 不同儲能電池的性能比較Tab. 2 Performance comparison of different energy storage batteries

目前，最受矚目，應用最為廣泛的電池當屬鋰離子電池。鋰離子電池最初是為了替代鎘鎳電池作為手機、攝像機等小型消費電子產品電源而得到商業化。由于性能優異逐漸應用到電動汽車、儲能領域。從電池結構和制造工藝來看，儲能用的鋰離子電池除了將電池的體積增大，仍然以涂覆、卷繞/疊片工藝為主，可以看做是小型電池的放大產品，制造大型電池組、電堆存在均一性較差，后期使用過程中容量衰減更嚴重等問題。在電解質方面，傳統鋰離子電池采用的是液態有機電解質，具有可燃性，在高溫、大電流工作、枝晶刺破隔膜造成短路時均有發生火災的風險，存在安全隱患。近年來通過漿料電極、固態電解質等技術發展，有效簡化了電池制造工藝，提升了鋰離子電池活性物質密度，提高了電池的安全性。擺脫小型電池開發的固有思維，對于電池技術進行革新，開發用于儲能的專用電池是支撐電化學儲能事業的一項工作重點。而對于專用電池的開發不應局限在鋰離子電池領域，液流電池、鈉硫電池等針對儲能需求開發的電池種類同樣應該加以重視。液流電池具有安全性好、容量設計靈活性高、通過液態反應物的更換能夠做到瞬間充放電等優點，其最初開發目的就是用于儲能。而鈉硫電池具有大功率性能極佳的特點。這兩種電池的優勢都是鋰離子電池發展亟待解決的技術瓶頸，同時也是儲能領域必需的技術特性。雖然由于一些技術問題尚未得到解決限制了新型儲能電池的實際應用，但這也為我國的儲能事業發展提供了機遇。

在現有電池體系的選擇方面，表3 給出了3 種目前最為常見的鋰離子電池正極材料性能比較。儲能電站的主要作用為調峰調頻、平滑出力等，需要綜合考慮安全性和經濟性。從這一角度看，目前在動力電池領域備受關注的高鎳三元材料由于循環性能較差、造價較高，并不完全適合儲能電站的建設。一些儲能站建設位置偏遠，電池的維護、更換難度較大，在電芯選擇時更傾向于可靠性更高、壽命更長的電池種類，同時盡可能不讓電池在滿功率狀態工作，以延長系統中電池壽命（相比之下動力電池更側重于高容量和功率密度）。而磷酸鐵鋰電池雖然能量密度明顯低于三元材料，但具有安全性高、循環性能好、工作溫度范圍寬、不含有昂貴的鈷元素等優點，不失為儲能電池的優秀選擇。此外，鉛酸電池的制造、使用、回收工藝極為成熟，且安全性高、造價低，電池的技術仍然不斷更新進步，在不間斷電源、新能源存儲領域可以發揮作用。

表3 三種代表性鋰離子電池正極材料的性能比較Tab. 3 Performance comparison of three representative cathode materials for lithium ion batteries

3.2 電池管理系統

化學電源儲能是涉及一系列學科的系統問題，除了電池，還包括電器元件、電池管理系統（BMS）等。系統中的每一個組成部分都對于儲能性能的發揮起到重要作用。

工作溫度對于化學電源的性能具有極為重要的影響。以目前應用最廣泛的鋰離子電池為例，其工作溫度為-40～60 ℃，最適宜的工作溫度為10～35 ℃。如果工作、儲存溫度（即使是在允許的工作范圍內）過高，則有可能引起如下問題：（1）安全問題，高溫會造成電池中電解液在鎳、鈷等的催化下分解產生氣體，引起電池脹氣，造成電池鼓包失效，更存在電池脹破失火的風險；（2）容量損失，電解液分解產生的氣體中存在氟化氫，不僅能夠導致正極材料中過渡金屬元素的溶解造成不可逆容量損失，這些溶解的金屬元素還能再沉積產生非電極活性物質而增大電池內阻。電解液的分解還會對負極結構產生破壞作用，同樣會導致活性鋰離子的損失。

如果電池的工作溫度過低，則會降低電解液黏度，使離子在電解液和電極材料中的傳輸速率下降，造成電極材料內部的離子無法及時遷移到電化學反應界面，不僅會導致電池容量的迅速衰減，嚴重影響電池的大倍率放電性能，還容易導致電極材料局部過度脫鋰，引起不可逆的容量衰減，影響電池壽命。

電池的溫度控制系統是電池控制系統的重要部分，通過對電池溫度實時檢測后及時對電池進行散熱或者預熱，保證電池在最合適的溫度范圍工作，以提高儲能系統的安全性，并獲得最理想的經濟效益。在電池控制系統方面，特斯拉電動汽車的溫度控制系統模式具有非常高的參考價值。在電池方面，特斯拉并沒有選擇電動汽車常用的大型軟包或方殼型專用電池，而是使用18650 或者21700 型圓柱狀電池（電池直徑18 mm 或21 mm，高65 mm 或70 mm，0代表柱狀電池，其尺寸略大于常用的5號電池），每輛汽車使用的單體電池數量超過7 000枚，這些電池通過復雜的串并聯系統連接，工作電壓為400 V。如此龐大的電池組使得對于電池控制系統具有極高的要求，但也正是將如此眾多的小型電池做到精準控制，使得電池系統具有極高的安全性和穩定性：（1）精確控制每一節電池的溫度，雖然電池數量超過7 000枚，卻可以嚴格控制溫差在±2 ℃范圍內；（2）即使出現熱失控現象，單體18650或者21700 電池的爆炸威力有限，配合合理的電池布局，不足以造成電池組整體的失火甚至爆炸問題。

除了溫度控制，優秀的電池管理系統使得每一個單體柱狀電池荷電狀態的監控得以實現，從而精確預估電池健康狀態，并針對電池狀態設計更為合適的工作方式，從而提高電池的續航能力。特斯拉關于BMS系統申請的專利超過140項，也成為其最重要的核心競爭力之一。相比之下，國內電動汽車采用的為大塊的軟包或者殼體專用電池，這種電池能量密度高，且無需像管理7 000 枚單體電池那樣需要復雜的電池管理系統，使得電池管理系統的設計操作與電池維護更為簡單。但也造成電池管理的精度有待進一步提高。一旦需要更換單體電池，專用電池的更換成本也要遠高于柱狀電池。

動力電池管理系統運作在高速行進的汽車上，電池的充放電狀態時刻發生變化，相比于儲能用電池系統，對于SOC曲線估算精度、反饋響應時間都具有更高要求。而汽車上相對狹小的空間也提高了電池的溫度控制難度。相比之下，儲能電站的空間更加充裕，有利于電池的散熱和預熱裝置的安裝。而更高的電池裝機規模也能夠更好地均衡充放電電流，減少單體電池的大電流工作時間，從而提高電池壽命。成熟的動力電池管理系統能夠為儲能站電池管理系統提供很高的參考價值，但同時應該注意到儲能電池的容量密度和功率密度都要遠遠大于動力電池，因此在電池均衡、維護方面難度更高。

3.3 混合儲能策略

總體而言，將化學電源用于儲能具有容量配置靈活、效率高、響應速率快、精度高等優點，在調峰調頻、微電網、新能源消納等領域具有很高的應用前景。但是目前的化學電源體系用于儲能的存在如下問題：（1）化學電源在持續工作過程中，尤其是大功率條件下會有明顯發熱，具有一定安全隱患；（2）化學電源的循環壽命有限，在儲能電站建設時需要考慮電池的維護、更換，成本較高。除了化學電源儲能，還有飛輪儲能、蓄水儲能、壓縮空氣儲能、超級電容器儲能等，每一種儲能方式都有各自的優點與不足。將不同的儲能方式進行整合，互相取長補短，從而在改善電網質量的同時，獲得更好的安全性和經濟效益。

針對瞬間大電流充放電會對化學電源造成損壞的問題，可以嘗試引入飛輪儲能、超級電容器儲能等方式。飛輪儲能和超級電容器儲能屬于功率型儲能，其響應速率能夠達到毫秒級（化學電源為秒級），同時具有非常優異的大功率性能和循環壽命。二者的缺點在于能量密度不到鋰離子電池的1/50。將飛輪、超級電容器儲能與化學電源儲能結合，有助于進一步提高儲能系統的響應速率和爬坡能力，減少化學電源大功率工作時間，不僅能夠延長電池的使用壽命，還能夠減少發熱，提高儲能系統的安全性。不僅如此，與化學電源聯用還能夠有助于克服飛輪和超級電容器儲能容量偏低的不足。

采用混合儲能策略理論上能夠獲得更好的經濟效益和更高的安全性，但實際實施起來還需要因地制宜地進行模塊設計。因此，需要大量的數據積累和系統的設計模擬建立動態模型，從而得到最優化方案。

4 結論

化學電源儲能具有響應迅速、效率高、容量配置靈活的優點。不同種類化學電源所具有的性能多樣性能夠在新能源消納、電網調頻、電力質量改善等方面提供適當的選擇。隨著技術的進步和成本的下降，化學電源儲能具有極為廣闊的應用前景和經濟潛力。

目前來看，電力系統中儲能電池經常處于大功率工作、深度放電狀態，對于化學電源而言，工作環境惡劣，容易造成化學電源的熱失控和容量的衰減，對安全性和經濟效益都有不利影響。針對上述問題需要加大新型儲能專用電池的研發投入、開發優異的電池管理系統。利用儲能手段多樣化的優勢將化學電源儲能與其他儲能方式聯用，揚長避短，改善化學電源的工作環境。適時地進行儲能應用的試驗項目建設，積累有效數據，有效地將現有儲能電池的合理利用和新型儲能電池的研發相結合。同時，應該建立專用的儲能評價體系，充分利用模擬、仿真和大數據實現電化學儲能的合理化、高效化、安全化，從而獲得更高的經濟效益。