2017年是我國儲能元年，《有關(guān)促使儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展指揮意見》的出臺，標志著儲能春天的來臨。盡管初春的氣候乍暖還寒，但儲能產(chǎn)業(yè)已經(jīng)開始萌芽、開花。儲能項目尤其是儲能電池項目，在發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)、微電網(wǎng)、通信儲能、應(yīng)急電源等范疇，目前正如雨后春筍般地快速涌現(xiàn)，儲能的春天已經(jīng)到來。
儲能技術(shù)包括物理儲能(抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、海水儲能、超導(dǎo)儲能)、化學(xué)儲能(儲氫、儲碳)、電化學(xué)儲能(電池儲能、超級電容儲能)和儲熱蓄冷等四大類型。在各類儲能技術(shù)中，電池儲能是發(fā)展最快、最受關(guān)注的儲能技術(shù)方向。截至2017年底，全球電池儲能項目總計投運1210.3MW，累計規(guī)模首次步入GW時代。
一、儲能電池使用場景
(1)可再生能源并網(wǎng)
可再生能源發(fā)電的間隙性和易變性，以及滲透率的不斷提高，對現(xiàn)有電網(wǎng)系統(tǒng)的正常運行和調(diào)度提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。近年來，為了盡可能利用更多的可再生能源和提高電網(wǎng)運行的可靠性和效率，各種儲能技術(shù)研究及工程示范項目得以快速發(fā)展。大容量電池儲能技術(shù)使用于風(fēng)電、光伏發(fā)電，能夠平滑功率輸出波動，降低其對電力系統(tǒng)的沖擊，提高電站的跟蹤計劃出力的能力，為可再生能源電站的建設(shè)和運行供應(yīng)備用能源。
(2)電網(wǎng)輔助服務(wù)
電網(wǎng)輔助服務(wù)分為容量型和功率型服務(wù)，容量型服務(wù)如電網(wǎng)調(diào)峰、加載跟隨和黑啟動等，儲能規(guī)模需達到一定體量，一般1~500MW之間，放電時間大于1小時;功率型服務(wù)如調(diào)頻輔助和電壓支持，要電池在短時間內(nèi)(分鐘級別)有較大的功率或電壓輸出。儲能電池技術(shù)在提高電網(wǎng)調(diào)頻能力方面，可以減小因頻繁切換而造成傳統(tǒng)調(diào)頻電源的損耗;在提升電網(wǎng)調(diào)峰能力方面，依據(jù)電源和負荷的變化情況，儲能系統(tǒng)可以及時可靠地應(yīng)和調(diào)度指令，并依據(jù)指令改變其出力水平。
(3)電網(wǎng)輸配
儲能電池系統(tǒng)可以改善配電質(zhì)量和可靠性。當配網(wǎng)出現(xiàn)故障時，可以作為備用電源繼續(xù)為用戶供電;在改善電能質(zhì)量方面，作為系統(tǒng)可控電源對配電網(wǎng)的電能質(zhì)量進行治理，消除電壓暫降、諧波等問題，同時降低主干網(wǎng)絡(luò)擴容投入，節(jié)約擴容資金。
(4)分布式及微網(wǎng)
微電網(wǎng)系統(tǒng)要求配備儲能裝置，并要求儲能裝置能夠做到以下幾點：1)在離網(wǎng)且分布式電源無法供電的情況下供應(yīng)短時不間斷供電;2)能夠滿足微網(wǎng)調(diào)峰需求;3)能夠改善微網(wǎng)電能質(zhì)量;4)能夠完成微網(wǎng)系統(tǒng)黑啟動;5)平衡間歇性、波動性電源的輸出，對電負荷和熱負荷進行有效控制。儲能電池系統(tǒng)具有動態(tài)吸收能量并適時釋放的特點，作為微電網(wǎng)必要的能量緩沖環(huán)節(jié)，它可以改善電能質(zhì)量、穩(wěn)定組網(wǎng)運行、優(yōu)化系統(tǒng)配置、保證微電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行。
(5)用戶側(cè)
用戶側(cè)儲能緊要包括工商業(yè)削峰填谷及需求側(cè)應(yīng)和。電池結(jié)合電力電子技術(shù)能夠為用戶供應(yīng)可靠的電源，改善電能質(zhì)量;并利用峰谷電價的差價，為用戶節(jié)省開支。
(6)電動汽車VEG模式的供能系統(tǒng)
新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展非得與儲能產(chǎn)業(yè)協(xié)同發(fā)展。為了滿足將來電動汽車安全快充的需求，有必要建立類似加油站的分布式能量站，能量站安裝有低成本、長壽命的兆瓦級儲能電池，可從電網(wǎng)充電儲存電量后，給電動汽車快速充電;同時，能量站還能夠與電網(wǎng)互動，用于電力調(diào)峰或調(diào)頻。
二、儲能電池的類型
儲能使用場景的復(fù)雜性決定了儲能電池技術(shù)的多元化發(fā)展方向。針對特定場景選擇適宜的儲能電池技術(shù)進行使用將是將來很長時間內(nèi)儲能市場的主旋律，將來新型儲能電池技術(shù)的研發(fā)方向也應(yīng)遵循這一規(guī)律，針對特定場景放大其優(yōu)勢以獲得將來商業(yè)化使用的可能。
表征儲能電池的性能有許多特點參數(shù)，其中最為緊要的是電池的功率特性和容量特性。因此，可以依據(jù)不同儲能使用場景有關(guān)電池功率容量比值(W：Wh，簡稱C)的不同要求，大致將儲能電池分為三種類型：容量型(≤0.5C)、能量型(≈1C)和功率型(≥2C)。比值越大，代表電池的功率密度越高，但容量密度會低一些，單位容量的價格會更高些。
例如，電力調(diào)峰、離網(wǎng)型光伏儲能或用戶側(cè)的峰谷價差儲能，一般要儲能電池繼續(xù)充電或繼續(xù)放電兩個小時以上，因此適合容量型電池的使用;有關(guān)電力調(diào)頻或平滑可再生能源波動的儲能場景，則要儲能電池在秒級至分鐘級的時間段快速充放電，所以比較適合功率型電池的使用;而在一些同時要承擔(dān)調(diào)頻和調(diào)峰的使用場景，能量型電池會更適合些，當然，這種場景下也可以將功率型與容量型電池配合一起使用。
在目前各類儲能電池中，液流電池和鋰漿料電池屬于典型的容量型電池，鋰離子電池中的鈦酸鋰離子電池則是一類典型的功率型電池，這是由上述電池的本質(zhì)屬性決定的，難以改變。其它種類的電池，可以通過更改電池材料和工藝，進行某種程度的屬性調(diào)整，以適應(yīng)不同的儲能使用場景。
三、儲能電池的技術(shù)內(nèi)涵
將來針對電力調(diào)峰儲能的大容量電池和電力調(diào)頻儲能的大功率電池還有待技術(shù)的創(chuàng)新沖破。儲能電池技術(shù)內(nèi)容緊要包括六個方面：材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)、制造技術(shù)、使用技術(shù)、修復(fù)技術(shù)和回收技術(shù)。
(1)材料技術(shù)
電池核心材料包括正極材料、負極材料和電解質(zhì)材料，附屬材料還包括隔膜、集流體和電池殼體材料等。在過去的三十年里，鋰離子電池材料的研發(fā)緊要聚集在提升材料的能量密度、循環(huán)壽命和安全性能，開發(fā)低成本的材料制備技術(shù);液流電池材料的研發(fā)緊要聚集在電解液和隔膜材料的改性。2006年鉛酸蓄電池范疇開始了負極鉛膏中碳材料添加劑的選擇與改性，以發(fā)展儲能用長壽命鉛炭電池。
縱觀儲能電池技術(shù)的研究歷史，雖然材料的進步能夠帶來電池性能的顯著改善，但能夠有實際效果的材料創(chuàng)新進程其實非常緩慢。尤其是試驗室論文報道的材料性能，并不等同于實際電池的性能，兩者之間往往有相當?shù)牟罹?。因此電池材料雖然很關(guān)鍵，但并不是電池技術(shù)研究的全部。目前儲能范疇技術(shù)工程類項目的立項過于看重了試驗室的材料論文研究工作，忽視了與實際使用場景的對接，造成了科研工作與產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求之間較大的脫節(jié)，應(yīng)予以足夠重視。
(2)結(jié)構(gòu)技術(shù)
并非所有的電池都可以稱為儲能電池，系統(tǒng)功率在1KW量級以上的，可以稱為儲能電池;系統(tǒng)功率≥1MW，用于儲能電站的電池稱為電力儲能電池。
儲能電池結(jié)構(gòu)技術(shù)包括電池單體內(nèi)部結(jié)構(gòu)技術(shù)和外部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)技術(shù)。與小型的消費類電子產(chǎn)品用電池不同，儲能電池的結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，具有系統(tǒng)串并聯(lián)的要求和大功率大容量的特點。
現(xiàn)有儲能和動力鋰離子電池是由手機電池等微小型鋰離子電池發(fā)展而來的，無論是圓柱型還是方型電池，從內(nèi)部結(jié)構(gòu)來看，所有類型的鋰離子電池內(nèi)部采用的都是粘接的薄膜電極結(jié)構(gòu)，這給儲能用鋰離子電池性能一致性的設(shè)計帶來了根本性的結(jié)構(gòu)難題。另外，當電池報廢回收時，只能把粘接電極全部粉碎，內(nèi)部破裂的鋁箔、銅箔材料以及Co、Li元素等要重新用冶金方式回收，導(dǎo)致回收成本高，并存在酸堿廢液污染解決的風(fēng)險。因此，儲能用鋰離子電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計有必要借鑒融合鉛酸蓄電池、液流電池等大型電池的結(jié)構(gòu)思路，由容易出問題的嬌小富貴轉(zhuǎn)變?yōu)榘踩煽康纳荡蟊看郑瑥亩m合大電流大功率的儲能使用場景。
將來大型儲能電池的研發(fā)還要考慮電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)與外部結(jié)構(gòu)的融合設(shè)計。有關(guān)電力儲能而言，使用端客戶關(guān)心的是系統(tǒng)成本、系統(tǒng)效率、系統(tǒng)壽命和系統(tǒng)安全性，而不關(guān)心單體電池的能量密度或單體電池的循環(huán)壽命。因此，作為電池技術(shù)研發(fā)端，應(yīng)主動考慮單體內(nèi)部與系統(tǒng)外部結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新融合，通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)的顛覆設(shè)計，減輕外部系統(tǒng)面對的成本和安全性壓力。這將是將來儲能電池結(jié)構(gòu)技術(shù)研究的一個緊要方向。
(3)制造技術(shù)
儲能電池制造技術(shù)與電池結(jié)構(gòu)設(shè)計密切相關(guān)。儲能電池系統(tǒng)的串并聯(lián)特性要求電池非得具備較好的一致性，因此加工工藝的智能管控尤為緊要。要怎么樣用低成本的裝備和工藝制造高性能的儲能電池?這是一個矛盾問題，也是目前儲能電池制造技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵問題。
現(xiàn)有的鋰離子電池加工工藝是從過去磁帶制造工藝過渡而來的，以適應(yīng)電池薄膜涂覆極片的精度要求，加之電池產(chǎn)品型號五花八門，缺乏規(guī)范，導(dǎo)致了電池加工過程的材料利用率低、產(chǎn)品合格率低、設(shè)備運轉(zhuǎn)率低、制造成本高。因此，將來要結(jié)合電池結(jié)構(gòu)的顛覆設(shè)計，從根本上降低儲能電池加工工藝的復(fù)雜度和加工設(shè)備的參數(shù)要求，同時推進大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與儲能電池加工設(shè)備和制造工藝的融合發(fā)展，通過智能制造升級，規(guī)范制造工藝標準，嚴格控制產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品終檢效率，降低儲能電池的制造成本。
(4)使用技術(shù)
儲能電池使用技術(shù)緊要指bMS、pCS和EMS。bMS(電池管理系統(tǒng))是電池本體與使用端之間的紐帶，緊要對象是二次電池，目的是提高電池的利用率，戒備電池出現(xiàn)過度充電和過度放電。pCS(電池儲能系統(tǒng)能量控制裝置)是與儲能電池包配套，連接于電池包與電網(wǎng)之間，把電網(wǎng)電能存入電池包或?qū)㈦姵匕芰炕仞伒诫娋W(wǎng)的系統(tǒng)。EMS(能量管理系統(tǒng))是現(xiàn)代電網(wǎng)調(diào)度自動化系統(tǒng)總稱，包括：計算機、操作系統(tǒng)和EMS支撐系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視、自動發(fā)電控制與計劃、網(wǎng)絡(luò)使用分解。
目前很多儲能示范項目的落地是由電池加工供應(yīng)商與電網(wǎng)公司筆直對接，并且缺乏責(zé)任認定標準和使用技術(shù)標準，這給后期的系統(tǒng)運維和可能的事故認定帶來難題。將來應(yīng)當會出現(xiàn)以使用技術(shù)開發(fā)為核心的獨立的儲能電池系統(tǒng)使用服務(wù)商，負責(zé)儲能系統(tǒng)的設(shè)計規(guī)劃、租賃運維和報廢回收，并與保險公司合作，承諾負責(zé)系統(tǒng)的使用壽命和運行安全。
(5)修復(fù)技術(shù)
儲能電池的修復(fù)技術(shù)包括電池系統(tǒng)的電氣維修技術(shù)和在線再生技術(shù)。前者包括環(huán)境腐蝕修護、電氣絕緣老化測試、電連接測試、溫度壓力傳感維護和電池巡檢技術(shù)等，后者是針對新型儲能鋰離子電池提出的新的技術(shù)方向。因為理論上講，除了電池活性顆粒內(nèi)部晶格紊亂問題以及集流體的腐蝕脫落問題，儲能鋰離子電池的其它界面問題都有可能通過在線再生的方式進行維護延壽。當電池使用一段時間后，可以通過正負極材料表面SEI膜原位修復(fù)、電解液的補充和更換等方式對電池性能進行再激活，延長儲能鋰離子電池的實際日歷使用壽命。例如，鋰漿料電池的漿料厚電極形態(tài)賦予了其在使用期進行在線再生的可能性。
(6)回收技術(shù)
任何電池都有使用壽命的期限。消費類小型電池目前國內(nèi)的使用總量有幾億只，且大多數(shù)體積較小，廢電池利用價值較低，加上使用分散，絕大部分被當作生活垃圾解決，存在污染隱患。報廢后的儲能電池不可能像消費類小型電池相同丟棄于環(huán)境中，非得做回收再生解決。
儲能電池的回收技術(shù)包括廢舊電池的更換解決技術(shù)、安全運輸技術(shù)、回收解決技術(shù)和資源再利用技術(shù)。目前，鉛酸蓄電池的回收再生技術(shù)比較成熟，但存在不規(guī)范回收環(huán)節(jié)的污染風(fēng)險。鋰離子電池的回收流程和技術(shù)還不成熟，要與材料技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)相結(jié)合，發(fā)展方便回收再生的新型儲能電池技術(shù)，在產(chǎn)品設(shè)計方面加以創(chuàng)新改進，從加工端提前考慮電池回收解決的環(huán)節(jié)，以實現(xiàn)儲能鋰離子電池產(chǎn)業(yè)的資源可繼續(xù)發(fā)展，這一點具有緊要的戰(zhàn)略意義。
四、儲能電池技術(shù)發(fā)展目標
儲能的春天已經(jīng)來臨，但產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展的夏季還遠未到來，各類儲能技術(shù)已經(jīng)開展商業(yè)或示范使用，在使用中展現(xiàn)了儲能的優(yōu)點，也逐漸暴露了一些問題，尤其是電池儲能技術(shù)，距離低成本、長壽命、高安全、易回收的發(fā)展目標還有很長的路要走，有待創(chuàng)新與沖破。
(1)低成本
狹義的儲能電池成本僅包括一次(采購)成本，廣義的儲能電池成本還包括二次(使用)成本和三次(回收)成本。
其中，一次成本包括電池的材料成本和加工制造成本。在材料成本下降空間有限的情況下，通過電池結(jié)構(gòu)技術(shù)的顛覆設(shè)計，簡化電池加工工藝，降低制造成本和人力成本，將會是新型儲能電池緊要的降成本方向。
二次成本與電池使用壽命息息相關(guān)。要結(jié)合材料技術(shù)和結(jié)構(gòu)技術(shù)，發(fā)展新型修復(fù)再生技術(shù)，提升電池使用壽命，降低容量型電池的度電成本和功率型電池的頻次成本。
三次成本緊要指電池的回收成本。目前儲能電池的回收再生環(huán)節(jié)若要做到完全符合環(huán)保標準的要求，成本還是非常高的，要有創(chuàng)新的回收再生思路，降低電池的三次成本。
儲能電池技術(shù)成本降低可以分為以下四個目標階段。當前目標：開發(fā)非調(diào)峰功能的儲能電池技術(shù)和市場，例如調(diào)頻儲能電池和移動儲能電池;短時間(5-10年)目標：低于峰谷電價差的度電成本;中期(10-20年)目標：低于火電調(diào)峰和調(diào)度的成本;長期(20-30年)目標：低于同時期風(fēng)光發(fā)電的度電成本。
電池儲能輔助AGC調(diào)頻會先于調(diào)峰儲能發(fā)展起來。將來惟有當儲能電池使用成本低于火電調(diào)峰成本后，儲能電池系統(tǒng)才可能作為緊要補充得以規(guī)模發(fā)展，并納入到電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)度系統(tǒng)。
(2)長壽命
一般來說，有關(guān)消費類小型電池(如手機電池)，3至5年的使用壽命足以滿足電子產(chǎn)品的壽命要求，但目前還是希望電池單次充電后的待機時間能夠更長一些，因此有關(guān)電池的能量密度有著更高的筆直的需求。然而有關(guān)電力儲能電池，基本上都要求十年乃至二十年以上的日歷使用壽命。因此，提升儲能電池的日歷使用壽命尤其緊要。
電池循環(huán)次數(shù)壽命是日歷使用壽命的基礎(chǔ)，但并不等同于電池的實際日歷使用壽命。因為從熱力學(xué)角度來說，電池系統(tǒng)是一個高度非平衡的化學(xué)體系，在漫長的循環(huán)使用歲月中，還存在不可逆的體相和界面的化學(xué)變化，導(dǎo)致電池內(nèi)阻的新增和容量的衰減。目前，還缺乏適宜的加速老化試驗標準能夠?qū)?yīng)電池實際的日歷衰減變化。將來除了要建立相關(guān)探測標準以外，還要開發(fā)創(chuàng)新的在線修復(fù)再生技術(shù)，提升儲能電池的日歷使用壽命，滿足實際儲能的工況要求。
(3)高安全
儲能電池的安全性非常緊要。相對而言，水系電池如液流電池、鉛酸蓄電池等安全性較好，能夠滿足儲能電站的安全性要求，但也要嚴格控制電池的充電截止電壓，以戒備水溶液過壓電解后的析氫爆炸;有機系鋰離子電池的安全性問題較為突出，目前總體而言處于安全及格線上下的水平，有待技術(shù)沖破;固態(tài)電池不含易燃的電解液，因此具有最高的安全性，在將來實現(xiàn)量產(chǎn)后有可能會首先使用到高安全要求的某些特殊場景。當然，固態(tài)電池要規(guī)模使用于電力儲能，在降本增壽方面還有相當?shù)睦щy要克服。另外，固態(tài)電池的回收解決也是一大難題。
戒備電池(內(nèi)部或外部)短路的安全防止技術(shù)以及在電池短路發(fā)生后的應(yīng)急維護技術(shù)是儲能電池安全技術(shù)發(fā)展的緊要方向。僅僅通過外部滅火裝置進行儲能鋰離子電池的安全保護，是遠遠不夠的，將來非得開發(fā)顛覆性的電池結(jié)構(gòu)技術(shù)和安全維護技術(shù)，從電池內(nèi)部徹底處理電池的安全問題，確保儲能電池的安全運輸和儲能電站的安全運行。
(4)易回收
資源的循環(huán)再生利用將是儲能電池將來規(guī)模使用面對的最大挑戰(zhàn)。儲能電池要達到易回收的目標有三點基本要求：1、電池回收過程符合安全和環(huán)保標準;2、稀有貴金屬元素做到接近100%的再生利用;3、電池有一定回收殘值。
今朝示范使用的儲能鋰離子電池系統(tǒng)基本上沒有考慮到將來電池報廢后的回收解決環(huán)節(jié)。更為嚴重的是，目前電池界廣泛存在一種錯誤的觀念，認為報廢鋰離子電池富含各類有價值的貴金屬，因此根本不用擔(dān)心回收解決的問題。
本文作者了解到的實際情況是，報廢電池的價值與環(huán)保之間存在較為嚴重的沖突和矛盾，現(xiàn)有儲能鋰離子電池的材料體系選擇和電池結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得完全符合環(huán)保要求的有價值的回收解決工作非常困難。因此，有必要開展細致的儲能電池全產(chǎn)業(yè)鏈污染分解和環(huán)保評估，引導(dǎo)儲能電池技術(shù)創(chuàng)新的環(huán)保發(fā)展方向，以促使產(chǎn)業(yè)的健康可繼續(xù)發(fā)展。
五、結(jié)語
可再生能源+儲能是新能源發(fā)展的必然選擇，而儲能使用場景的復(fù)雜性決定了儲能電池技術(shù)的多元化發(fā)展方向。將來針對電力調(diào)峰儲能的大容量電池和電力調(diào)頻儲能的大功率電池還有待技術(shù)的創(chuàng)新沖破。儲能電池組括六大技術(shù)內(nèi)涵：材料技術(shù)、結(jié)構(gòu)技術(shù)、制造技術(shù)、使用技術(shù)、修復(fù)技術(shù)和回收技術(shù)。其中，電池材料是基礎(chǔ)，但不是儲能電池技術(shù)研究的全部。提議以后基礎(chǔ)探索類項目可以偏重于新材料的研究，而技術(shù)工程類項目則應(yīng)重視其它非材料技術(shù)方面的立項沖破，在已有商業(yè)及示范儲能電站的相關(guān)相關(guān)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，圍繞低成本、長壽命、高安全、易回收的總體目標，發(fā)展各類容量型峰谷儲能電池、功率型調(diào)頻儲能電池和能量型復(fù)合儲能電池，與其它類型儲能技術(shù)配合，支撐儲能產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。
原標題：儲能電池使用場景和將來發(fā)展技術(shù)探討
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