鋰離子電池儲能產業發展現狀與對策建議

馬 靜，江依義，沈 旻，宋半夏，李 南，李瀟逸，馬國強

（浙江省化工研究院有限公司，浙江 杭州 310023）

當前，面對資源短缺、環境污染等諸多挑戰，可持續發展已經成為全球共識。我國更是明確提出“碳達峰”和“碳中和”的確切時間表，能源領域將面臨一場巨大革命，新能源將逐步走向能源領域的支柱地位。電力系統由“集中式發電為主導”向“集中式結合分布式發電”轉變形式，對應電力系統主體則由“源網荷”（電源、電網、負荷）三個主體發展向“源網荷儲”四個主體轉換，儲能產業無疑是能源體系變革與能源革命中非常關鍵的一環。建設新型電力系統是實現碳中和目標的關鍵舉措，這將給儲能產業帶來爆發式增長。鋰離子電池具有能量密度高、自放電小、沒有記憶效應、寬溫程工作范圍、可大倍率充放電、壽命周期長、綠色環保等優勢，被廣泛應用于動力、數碼、通信、儲能等領域。如今，中國已經成為全球鋰離子電池核心供應鏈，且占據較大的市場份額，鋰離子電池儲能是目前儲能領域產品開發中最可行的技術路線，我國鋰電儲能產業已具備顯著的核心競爭力。如何在現有政策條件和產業基礎上推動鋰電儲能產業的健康、快速發展，是目前儲能行業亟需解決的問題。

本文就鋰離子電池在儲能中的應用現狀與發展趨勢進行分析，深入剖析鋰電儲能面臨的安全、一致性、成本等問題，最后提出鋰電儲能產業健康發展的對策與建議。

1 鋰電儲能發展現狀與趨勢

1.1 鋰電儲能發展現狀

電儲能一般是指電能的存儲及釋放循環的過程，電力系統是儲能產業的最大的應用場景。根據技術類型的不同，儲能方式主要分為機械儲能、電磁儲能和電化學儲能[1-4]。機械儲能以抽水儲能為主，抽水儲能和電化學儲能是目前商業化程度相對較高的儲能技術，兩者占我國儲能產業裝機總量的98%以上[5]。抽水儲能主要提供能量調節能，比較適用于季節性調峰、長期需求響應等情況[6]，是機械儲能應用最廣泛的一種技術類型，在20 世紀90 年代就已實現商業化應用，其技術十分成熟，且運營成本較低[7]，據中國能源研究會儲能專委會報道，截至2021 年底，全球已運營的電力儲能項目裝機規模為209.4 GW，其中抽水儲能累計裝機規模占比86.2%，比上年同期下降4.1%，見圖1。

圖1 全球各類儲能累計裝機規模

抽水儲能容易受地形限制，建設所需時間長、經濟成本高，且大型建設容易對生態平衡造成負面影響，發展限制因素較多[8]，故無法滿足用戶側儲能等應用場景。電化學儲能同時具有較高的能量密度和功率密度，應用場景較為靈活，可用于一次調頻，提高電能質量、平滑新能源出力波動等情況[3,9-10]，其中，鋰離子電池儲能[11]同時具有高功率密度與高能量密度，循環性能好、響應速度快、系統綜合效率高等特點，成為市場上推廣應用最多的儲能技術[12-15]。根據中關村儲能產業技術聯盟(China Energy Storage Alliance,CNESA)全球儲能項目庫的不完全統計，截至2021 年底，我國已投運儲能項目累計裝機規模為4610萬kW，占全球儲能市場的22%。其中，新型儲能累計裝機超570 萬kW，同比增長75%。從2015年至2021 年，全球鋰電儲能累計裝機量由483.5 MW 提升到23200 MW，增長了48 倍，全球已投運鋰電儲能裝機量占總裝機量由0.3%提升至11.1%。截至2021 年底，新型儲能累計裝機規模為25366.1 MW，較2020 年增加10242.4 MW，同比增長67.7%，其中，鋰電儲能市場份額90.9%，占據主導地位[9,16]。

各類儲能運作原理、主要應用范圍及優缺點對比見表1。

表1 各類儲能運作原理、主要應用范圍及優缺點對比[17-18]

1.2 鋰電儲能發展趨勢

鋰離子電池[13,19]正極材料主要有三元材料（Li(NiCoMn)O2）[20]、磷酸鐵鋰（LiFePO4）[21-24]、鈷酸鋰（LiCoO2）[25]、錳酸鋰（LiMn2O4）[26]，主要性能見表2。

表2 正極材料性能表[27-28]

海外儲能市場主要以日韓廠商為主，大多采用三元電池。國家能源局發布的《防止電力生產事故的二十五項重點要求（2022 年版）（征求意見稿）》中明確提出，中大型電化學儲能電站不得選用三元鋰電池。對三元電池和磷酸鐵鋰電池的優劣勢進行分析，磷酸鐵鋰電池在儲能行業中的優勢顯而易見，具有更長的壽命周期、更低的購置成本及安全可靠性，但能量密度與三元電池相比較低，而儲能領域對電池能量密度的要求相對動力領域較低，更加看中其經濟性和安全性，所以磷酸鐵鋰電池相比三元電池更加適用于儲能領域。無論是從目前的市場情況還是未來的新能源儲能發展方向分析，未來的儲能行業是由磷酸鐵鋰電池主導的，特別是高容量長循環壽命磷酸鐵鋰電池（例如，當前磷酸鐵鋰電池循環壽命可高達10000 次）[29-31]。

2 鋰電儲能問題剖析

2.1 安全問題

雖然在儲能行業中鋰電市場占有率迅速提升，但瓶頸短板仍然不容小覷，國內外儲能安全事故層出不窮。據不完全統計，2022 年上半年全球已發生17 起關于儲能的安全事故，其中大多數是鋰離子電池引發的，儲能安全問題成為全球需共同面對的行業痛點，對其安全性的擔憂始終是鋰電儲能大規模應用和快速發展的門檻[15,32-33]。鋰電能量密度較高，其內部有很強的燃爆條件，例如石墨、有機酯類化合物等，鋰電儲能安全問題一般歸結于4 個方面，分別為電池本體、外部因素、運行環境及電池管理系統[34]。

2.1.1 電池本體

因電池在生產制造中存在金屬異物引入、集流體邊緣毛刺等。如圖2 所示，美國電子電器工程師協會(Institute of Electrical and Electronics Engineers,IEEE) 發布的IEEE1725 標準中對毛刺及其高度進行明確定義。

圖2 IEEE1725 規定的毛刺及其高度定義

研究表明，Fe、Ni 等金屬異物的存在會隨著電池老化而逐漸沉積在負極表面，形成內部微短路并且逐漸發展為硬導通，導致隔膜刺穿引發熱失控；電池在正常運行過程中陽極會形成固體電解質界面（solid electrolyte interphase,SEI）膜[35]，老化過程中因電解液的分解產物沉積而不斷增厚，陰極的表面也會產生正極電解質界面(cathode electrolyte interphase,CEI)膜[36]，在電池老化的過程中厚度不會發生顯著變化，但是其電導率、孔隙率及擴散系數會隨著副反應的進行而被副反應產物沉積阻塞，在正負極共同作用下，使電池的阻抗不斷增大且發生不可逆鋰損失，最終導致容量損失。如果在極端環境或管理系統影響下運行，電化學副反應使得SEI 膜不斷增厚，充放電過程中電極材料的持續膨脹與收縮將會造成新的活性位點暴露，而在電極活性物質分布不均或者充放電倍率較大時，活性物質容易產生粉化、破裂、脫落或者結構錯位，此時若將電池在低溫下或者大倍率充電，容易在陽極形成鋰枝晶刺穿隔膜引發內短路。另外，如果將電池過放電，陽極集流體銅箔開始溶解，在電極上形成銅枝晶造成內短路[37]。電池在生產制造過程的瑕疵及工作過程中的枝晶生長問題會直接導致電池內短路，并在內短路位置點產生局部發熱觸發電池內部易燃物鏈式反應放熱，電池過熱會觸發陰極金屬氧化物晶格釋氧，所以即使在密封隔絕氧氣的條件下也不能有效阻止鋰離子電池引發熱失控[38]。

2.1.2 外部因素

儲能領域的外部因素主要包括外部短路、絕緣失效導致的電流沖擊、電池外部件發熱導致的熱沖擊和電池熱失控后引發的熱失控蔓延。外部短路會造成電池快速升溫，引發電池易燃物發生反應；電流沖擊有可能會導致電池保護裝置如直流接觸器等損壞引發火災甚至爆炸，對電池造成熱沖擊，造成事故；熱沖擊發生的原因有可能是連接件松動或者老化產生電弧、或電池熱失控蔓延等[39]。

2.1.3 運行環境

溫度對鋰離子電池的穩定運行至關重要，低溫環境會降低電解液電導率，增加黏度及電池阻抗，陽極極化作用增強，動力學性能變差，降低化學反應速率，并且低溫下對電池充電時嵌鋰產生影響，會發生陽極析鋰，一方面會造成嚴重容量損失[40-41]，另一方面析鋰發生會形成鋰枝晶可能刺穿隔膜造成內短路；高溫環境不利于鋰電池散熱，電池內部溫度大于外部溫度時電池溫度持續上升，有可能引發熱濫用，觸發電池熱失控。此外，電池組內電池單體之間溫差過大也會影響電池一致性，影響系統循環壽命，并且當這種影響累加到一定程度會威脅系統的安全性能，電池管理系統(battery management systems,BMS)對于短板電池單體的荷電狀態(state of charge,SOC)/健康狀態(state of health,SOH)監測存在誤差，會造成電池單體的過充或者過放問題，嚴重時會引發安全事故[42-43]。

2.1.4 管理系統

管理系統影響，包括BMS、能量管理系統（energy management systems,EMS）[44]、儲能變流器（power conversion systems,PCS）[45]。管理系統監測誤差或者控制滯后甚至失效，都會導致電池工作異常[46-48]。

2.2 一致性問題

電池組的一致性直接影響儲能系統的能量效率，在實際運行中，由于電壓、容量、內阻、溫度等參數在電池單體之間的差異，同一模組內產生的效能不同，整體運作的性能由短板電池單體決定。隨著電池組充放電循環的進行，產熱不均勻、受熱不均衡、電池間溫差增大等問題加劇，會導致部分電池的容量、充放電性能和循環壽命降低，從而增大安全隱患[46,49]。

2.3 成本問題

如圖3 和圖4 所示，儲能系統主要由電池組(PACK)、BMS、EMS、PCS 及其他電氣設備構成[50]。PACK 是儲能系統最主要的構成部分；PCS 可以控制儲能電池組的充電和放電過程，進行交直流的變換；BMS 主要負責電池的監測、評估、保護以及均衡等；EMS 負責數據采集、網絡監控和能量調度等。儲能系統的成本除了建造所需的設備購置成本外，還包括工程總承包(energy performance contracting,EPC)及管理費用[51]。如圖5 所示，電池成本在儲能系統總成本中占比最高，一般占50%～70%，所以電池的成本直接決定了儲能系統的成本競爭力，也是儲能系統后續降低成本的重要渠道。鋰電儲能作為鋰電池的眾多應用之一，充分地獲得了鋰電降本的紅利。由于鋰電在動力、通信、儲能等領域的規?；虡I應用和不斷的技術迭代，鋰電池價格不斷降低（排除短期內因原材料短缺引起的市場價格波動）。據彭博社新能源財經公司(BloombergNEF,BNEF)報道，鋰離子電池包的單價從2010 年的1191 美元/kWh，到2020年已降低至137 美元/kWh，整體降幅達88%，但是，這種價格下降的趨勢目前正在逆轉。自2020年末以來，由于原材料需求超預期膨脹，鋰電供應鏈產能擴增速度不及鋰電池企業的擴產速度，加之市場炒作、新冠疫情影響等波動因素，加大了礦產資源供應風險，導致原材料價格不斷上漲，并傳至鋰電池企業。根據高工產研鋰電研究所預測，綜合考慮采購量、賬期、議價能力、長期合作等對采購成本的影響，與鋰電池產品的性能、良率及配組率等因素提升對原材料成本上漲的對沖，原材料價格的上漲傳遞至電池端的成本增加約20%～25%，儲能系統成本的上漲導致儲能下游產業成本進一步承壓。據高工鋰電報道，2022 年2 月儲能系統價格在1.41～1.97 元/Wh 之間，到今年7 月儲能系統的平均價格為1.8 元/Wh，與2021 年1.5 元/Wh 的價格相比，上漲20%[52-53]。

圖3 儲能系統主要組成方式[54]

圖4 儲能系統各組成部分主要功能[55]

圖5 儲能系統成本構成[56]

3 鋰電儲能產業健康發展的對策與建議

（1）電池本體因素是儲能系統安全運行的核心。選用質量更高的電池單體，提升電池生產的工藝水平，避免在制造過程中引入金屬雜質、涂布陰陽面、邊緣毛刺、水分等問題。此外，鑒于電池單體的全壽命周期演化特征，研究如何通過電池基本參數、不一致性、老化機理及外部參數的變化來預測儲能系統的循環壽命及安全演化趨勢，進行預測和早期報警，是當前儲能系統安全運行亟需解決的問題。

（2）優化儲能系統設計，減少安全隱患發生。儲能系統需配制可靠的主動熱管理系統，對于熱失控單元采取強化制冷，主動熱管理系統調動冷卻介質以減緩進而消除熱失控單元的內部材料鏈式反應，進一步阻止熱失控蔓延發生，防止安全事故擴大化，將損失降至最低程度。

（3）鋰電從業者持續性地研發產品、提升工藝水平，增加規模效應，進一步降低鋰電池成本。除此之外，需盡快建立鋰電儲能成本疏導機制，通過完善峰谷電價格，優化峰谷電價格差等方式，為用戶側儲能的發展創造空間，鼓勵儲能項目通過電力市場來疏導成本壓力。

（4）加強鋰電儲能戰略和政策研究。鋰電儲能產業在發展初期，目前我國在鋰電儲能領域的相關戰略及政策研究缺乏有效引導和激勵措施，不利于鋰電儲能進一步發展，因此，需要聚焦安全性、一致性、成本等關鍵問題，強化研究制定關于鋰電儲能行業發展的戰略規劃，明確行業發展目標，不斷完善政策規劃機制和商業模式，推動鋰電儲能項目保質保量落地。

（5）推動技術標準的制定與實施。鋰電儲能方面的技術標準尚在起步階段，而技術標準的發展滯后已經嚴重影響了鋰電儲能行業規范化發展，可能會導致鋰電儲能系統設計過于簡單，性能指標不明確，檢測不充分，未能有效辨識安全隱患等問題，因此應該從儲能系統應用的角度出發，分別對規劃、設計、制造、運行、維護及鋰電回收等方面全方位制定技術標準，尤其是安全相關標準的制定。