全球储能技术发展现状与应用情况

全球储能技术发展现状与应用情况

一、储能技术分类、技术原理、主要特征

针对电储能的储能技术主要分为三类:电化学储能(如钠硫电池、液流电池、铅酸电池、锂离子电池、镍镉电池、超级电容器等) 、物理储能(如抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等)和电磁储能(如超导电磁储能等)。

也可以分为功率型和能量型，功率型的特点是功率密度大、充放电次数多、响应速度快、能量密度小的特点，例如飞轮、超级电容、超导；能量型的特点是能量密度大、响应时间长、充放电次数少、功率密度低等特点。例如蓄电池。

从目前的情况来看，两种储能设备混用会产生更大的效果,混用比单一使用更有利于降低成本。（最近的一篇论文介绍的模型计算结果是在微网中使用超级电容和蓄电池两种混合储能成本是单一储能成本的33.8%。）

（一）电化学储能技术

1、钠硫电池

钠硫电池的正极活性物质是液态的硫（S）；负极活性物质是液态金属钠（Na），中间是多孔性陶瓷隔板。它利用熔融状态的金属钠和硫磺在300℃以上高温条件下，进行氧化-还原反应，完成充放电过程。

钠硫电池的主要特点是能量密度大（是铅蓄电池的3倍）、充电

效率高（可达到80%）、可大电流、高功率放电、循环寿命比铅蓄电池长。然而钠硫电池在工作过程中需要保持高温，有一定安全隐患。由于钠硫电池中所用的储能介质金属钠和硫磺均为易燃、易爆物质，对电池材料要求十分苛刻，目前只有日本（NGK）公司实现产品的产业化生产。

图1 钠硫电池储能系统原理

（来源：美国储能协会）

2、液流电池

液流氧化还原电池(Redox flow cell energy storage systems)，简称液流蓄电站或液流电池，与通常蓄电池活性物质包含在阳极和阴极内不同，液流电池作为氧化-还原电对的活性物质分别溶解于装在两个大储液罐中的溶液里，各用一个泵使溶液流经液流电池堆中高选择性离子交换膜的两侧，在其多孔炭毡电极上发生还原和氧化反应。电池堆通过双极板串联，结构类似于燃料电池。目前还发展有在一个或两个电极上发生金属离子(及非金属离子)溶解/沉积反应的液流电池。

由于液流电池的储能容量由储存槽中的电解液容积决定，而输出功率取决于电池的反应面积，通过调整电池堆中单电池的串连数量和

电极面积，能够满足额定放电功率要求。两者可以独立设计，因此系统设计的灵活性大，受设置场地限制小。液流电池中的电化学反应是在液相中完成，充放电过程仅仅改变电解质离子状态，不会引起电极结构变化，此化学反应为可逆，理论上可以进行无限次任意程度的充放电循环，极大延长电池的使用寿命。

液流电池已有全钒、钒溴、多硫化钠/溴等多个体系，其中全钒液流电池具有能量效率高、蓄电容量大、能够100%深度放电、可实现快速充放电，寿命长等优点。全钒液流电池的正、负极活性物质均为钒，只是价态不同，经过优化的全钒液流电池系统能量效率可达75～85%，充放电循环次数超过10000次，其性能远远高于传统二次电池，通常液流电池主要指全钒液流电池。

图2 液流电池储能系统原理

（来源：美国储能协会）

3、锂离子电池

锂离子电池负极一般是碳素材料，正极是含锂的过渡金属氧化物

LiCoO2（钴酸锂）或尖晶石LiMn2O4、LiFePO4等，电解质是锂盐的有机溶液或聚合物。充电时，正极中的锂离子脱离LiCoO2或LiMn2O4晶体，经过电解质嵌入碳材料负极，放电时则相反。锂离子电池效率高、能量密度高，具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点，小容量锂离子电池已广泛用于便携式设备的电源。但是，目前锂离子电池在大尺寸制造、循环性能等方面存在一定问题，传统锂离子电池在某些特殊条件，如高温，短路，过充，强外力破坏等条件下可能会发生起火，过热等安全问题，传统锂离子电池循环寿命一般在400―500次（80％剩余），对于储能电站来讲，这样的循环寿命显然不能满足要求。过充控制的特殊封装要求高，价格昂贵，因此对于用于电站储能等大规模储能应用受到限制，急待突破提高。

图3 锂离子电池储能系统原理

（来源：美国储能协会）

4、铅酸电池

铅酸蓄电池主要特点是采用稀硫酸做电解液，用二氧化铅和绒状铅分别作为电池的正极和负极的一种酸性蓄电池。

铅酸电池已有一百多年的历史，具有成本低、技术成熟、储能容量大等优点，主要应用于电力系统的备载容量、频率控制，不断电系统。它的缺点是储存能量密度低、可充放电次数少、制造过程中存在一定污染。

图4 铅酸电池大规模示范应用案例

（来源：美国储能协会）

5、镍镉电池

镍镉蓄电池的正极材料为氢氧化亚镍和石墨粉的混合物，负极材料为海绵状镉粉和氧化镉粉，电解液通常为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。

镍镉蓄电池充电后，正极板上的活性物质变为氢氧化镍〔Ni(OH)2〕，负极板上的活性物质变为金属镉；镍镉电池放电后，正极板上的活性物质变为氢氧化亚镍，负极板上的活性物质变为氢氧化镉。

镍镉电池可重复500次以上的充放电，经济耐用，内阻很小，可实现快速充电，又可为负载提供大电流，而且放电时电压变化很小，是一种比较理想的直流供电电池。镍镉电池的缺点在于它的记忆效应，而且镉材料资源短缺，价格十分昂贵。

6、超级电容器

超级电容器是根据电化学双电层理论研制而成，充电时处于理想极化状态的电极表面，电荷将吸引周围电解质溶液中的异性离子，使其附于电极表面，形成双电荷层，构成双电层电容。

超级电容器优势在于与电池相比，内阻低；充放电速度快，可提供强大的脉冲功率，最大充放电电流可以达到1000A；循环寿命长，最高可达50万次；工作温度范围宽可在-30℃-70℃环境下工作；与环境友好。由于使用中电压随着放电线性下降，与电池相比能量密度低，单体工作电压低，自放电率较高；所以目前超级电容器在电力系统中多用于短时间、大功率的负载平滑和电能质量峰值功率场合，如大功率直流电机的启动支撑、稳态电压恢复器等，在电压跌落和瞬态干扰期间提高供电水平。

图5 超级电容器的结构和原理

（来源：中科院电工研究所）

（二）物理储能技术

1、抽水蓄能

抽水蓄能技术是指在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池