鋰離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)

1、鋰離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)能源是人類賴以生存和社會(huì)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)、國(guó)家安全和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要基石。隨著人類社 會(huì)的發(fā)展，人類對(duì)能源的需求日益增加，但是生態(tài)環(huán)境不斷 惡化，特別是溫室氣體排放導(dǎo)致日益嚴(yán)峻的全球氣候變化， 近幾年這一矛盾更加嚴(yán)峻。目前，我國(guó)已成為世界能源生產(chǎn) 和消費(fèi)大國(guó)，我國(guó)對(duì)能源的需求在持續(xù)增長(zhǎng)，因此，調(diào)整能 源結(jié)構(gòu)已迫在眉睫：一方面要開發(fā)新的能源來滿足需求，另 一方面我們要合理有效地利用可再生能源?？稍偕茉窗ǎ猴L(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、海洋能及 小水電等，是一次能源，通常被轉(zhuǎn)化為電能使用。在開發(fā)利 用可再生能源的過程中，電能儲(chǔ)存技術(shù)發(fā)揮著重要的作用。 眾所

2、周知，風(fēng)能和太陽(yáng)能在使用過程中存在不連續(xù)、不穩(wěn)定 性，需要經(jīng)過儲(chǔ)能系統(tǒng)穩(wěn)定后再入網(wǎng)，同時(shí)采用離網(wǎng)發(fā)電模 式的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組，儲(chǔ)能系統(tǒng)也是必不可少的；另一方面， 在能源的使用過程中存在使用不均衡現(xiàn)象，儲(chǔ)能系統(tǒng)可以用 于電網(wǎng)的“削峰填谷”，從而提高能源的利用率。為了推進(jìn) 可再生能源發(fā)電的大規(guī)模利用，提高替代能源電站的效率以 及維護(hù)國(guó)家能源的安全，研究?jī)?chǔ)能技術(shù)具有重要的經(jīng)濟(jì)和社 會(huì)意義。工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家高度重視大規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究和開 發(fā)，例如日本政府的“新陽(yáng)光計(jì)劃”、美國(guó)的“DO成目計(jì)劃”以及歐盟的“框架計(jì)劃”等都將儲(chǔ)能技術(shù)作為研究重點(diǎn)。 我國(guó)對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)的開發(fā)也十分重視，高效能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)能技 術(shù)已列為未

3、來國(guó)家火炬計(jì)劃優(yōu)先發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域，中國(guó)儲(chǔ)能電 池產(chǎn)學(xué)研技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟已于 2009年11月成立。止匕外，根據(jù) 國(guó)家經(jīng)濟(jì)貿(mào)易委員會(huì)下達(dá)的2000-2015年新能源和可再生 能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃要點(diǎn)，到2015年，小型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組年生產(chǎn)能力達(dá)到5萬臺(tái)，總產(chǎn)量累計(jì)將達(dá)到34萬臺(tái)，總裝機(jī)容量為10.5萬kW總產(chǎn)值約9億元，其中儲(chǔ)能系統(tǒng)的銷 售額應(yīng)過億元，必將拉動(dòng)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在強(qiáng)大的社會(huì)發(fā)展需求和巨大的潛在市場(chǎng)推動(dòng)下，基于 新概念、新材料和新技術(shù)的儲(chǔ)能新體系不斷涌現(xiàn)。儲(chǔ)能技術(shù) 正向大規(guī)模、高效率、長(zhǎng)壽命、低成本、無污染的方向發(fā)展。一、儲(chǔ)能技術(shù)的分類及發(fā)展趨勢(shì)到目前為止，針對(duì)不同的領(lǐng)域、不同的需求，人們已提

4、由和開發(fā)了多種儲(chǔ)能技術(shù)來滿足應(yīng)用。全球儲(chǔ)能技術(shù)主要有 物理儲(chǔ)能、化學(xué)儲(chǔ)能（如鈉硫電池、全乳液流電池、鉛酸電 池、鋰離子電池、超級(jí)電容器等）、電磁儲(chǔ)能和相變儲(chǔ)能等 幾類。.物理儲(chǔ)能 物理儲(chǔ)能技術(shù)主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等。相比化學(xué)儲(chǔ)能來說，物理儲(chǔ)能更加環(huán)保、綠色，利用 天然的資源來實(shí)現(xiàn)。抽水蓄能電站 (PSH,PumpedStorageHydroelectricity)是通過配備上、下游兩個(gè)水庫(kù)，負(fù)荷低谷時(shí)設(shè)備工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，將下游水 庫(kù)的水抽到上游水庫(kù)保存，而負(fù)荷高峰時(shí)設(shè)備工作于發(fā)電機(jī) 的狀態(tài)，利用儲(chǔ)存在上游水庫(kù)中的水發(fā)電，見圖 1。由于技 術(shù)成熟，抽水儲(chǔ)能電站已成為電力系統(tǒng)中

5、應(yīng)用最為廣泛的儲(chǔ) 能技術(shù)，目前我國(guó)在建的抽水蓄能電站裝機(jī)約11400MW預(yù)計(jì)至2010年底抽水蓄能電站的總裝機(jī)可到17500MW左右。壓縮空氣蓄能電站(CAES,CompressedAirEnergyStorage)是一種調(diào)峰用燃?xì)廨?機(jī)發(fā)電廠，主要利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時(shí)的剩余電力壓縮空氣， 并將其儲(chǔ)藏在典型儲(chǔ)氣壓力為7.5MPa的高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放由來驅(qū)動(dòng)燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電。世界上第一個(gè)商業(yè) 化CAESt站是1978年在德國(guó)建造的 Huntdorf電站，裝機(jī) 容量為290MW換能效率77%運(yùn)行至今，累計(jì)啟動(dòng)超過7000 次，主要用于熱備用和平滑負(fù)荷。和抽水蓄能電站相比，CAES電站選址靈活

6、，它不需建造地面水庫(kù)，地形條件容易滿足， 目前壓縮空氣蓄能電站已經(jīng)在一些發(fā)達(dá)國(guó)家得到廣泛應(yīng)用。飛輪儲(chǔ)能(FW,FlyWheels),是通過機(jī)械能和電能的相互轉(zhuǎn)化來實(shí)現(xiàn)充放電。它是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪鐵芯作為機(jī)械能 量?jī)?chǔ)存的介質(zhì)，利用電動(dòng)/發(fā)電機(jī)和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)來控 制能量的輸入和輸由O飛輪儲(chǔ)能對(duì)制作飛輪的原材料和技術(shù) 要求很高，直到20世紀(jì)90年代才得以飛速發(fā)展，用于不間 斷電源（UPS）/應(yīng)急電源（EPS）、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制等領(lǐng)域。 我國(guó)在這方面的研究才剛剛起步。固，抽水儲(chǔ)能電站廊理示慧國(guó)物理儲(chǔ)能如抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能具有規(guī)模大、循環(huán) 壽命長(zhǎng)和運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但是需要特殊的地理?xiàng)l件和場(chǎng)

7、地，建設(shè)的局限性較大，且一次性投資費(fèi)用較高，不適合較 小功率的離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。從發(fā)展水平及實(shí)用角度來看，化學(xué) 儲(chǔ)能比物理儲(chǔ)能具有更廣闊的應(yīng)用前景。.化學(xué)儲(chǔ)能一鋰離子電池儲(chǔ)能是目前最可行的技術(shù)路 線鉛酸電池是最老的也是最成熟的化學(xué)儲(chǔ)能方法，已有100多年的歷史，廣泛用于汽車啟動(dòng)電源、電動(dòng)自行車或摩托車動(dòng)力電源、備用電源和照明電源等。鉛酸電池電極主要 由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液。充電時(shí)，正極主 要成分為二氧化鉛，負(fù)極主要成分為鉛；放電時(shí)，正負(fù)極的 主要成分均為硫酸鉛。鉛酸電池可靠性好、原材料易得、價(jià) 格便宜，但是其最佳充電電流為0.1C左右，充電電流不能大于0.3C,放電電流一般要求在 0

8、.053c之間，很難滿足 功率和容量同時(shí)兼顧的大規(guī)模蓄電要求。同時(shí)，鉛酸電池不 可深度充放電，100頒電條件下對(duì)電池的壽命影響非常大（滿充放電條件下電池的循環(huán)壽命不足300次），并且充電末期水會(huì)分解為氫氣、氧氣體析由，需經(jīng)常加酸、加水，維 護(hù)工作繁重，因此不適合在智能電網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用。目前可以應(yīng)用于智能電網(wǎng)領(lǐng)域的化學(xué)電源主要有鈉硫 電池、液流電池和鋰離子電池。鈉硫電池（NaS）是美國(guó)福特（Ford）公司于1967年首先發(fā) 明公布的，它以金屬鈉為負(fù)極，硫?yàn)檎龢O，陶瓷管為電解質(zhì) 隔膜。在一定的工作溫度下，鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫之 間發(fā)生可逆反應(yīng)，形成能量的釋放和儲(chǔ)存，見圖2。鈉硫電 池比能量高（理論

9、比能量高達(dá) 760Wh/kg）、可大電流充放電、使用壽命長(zhǎng)（1015年），是目前較經(jīng)濟(jì)實(shí)用的儲(chǔ)能方法之一，主要應(yīng)用目標(biāo)是電站負(fù)荷調(diào)平、UPS應(yīng)急電源及瞬間補(bǔ)償電源等領(lǐng)域。目前鈉硫電池技術(shù)領(lǐng)先的國(guó)家是日本，截至2007,日本年產(chǎn)鈉硫電池已超過 100MW 2008年，日本二又 風(fēng)力發(fā)電站導(dǎo)入了 NG儂司的17臺(tái)鈉硫電池系統(tǒng)，蓄電能 力34MW成功地抑制了最大功率為 51MW勺風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的 功率變動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃性地進(jìn)行功率輸由，為實(shí)現(xiàn)風(fēng)電的并 網(wǎng)發(fā)電提供了基礎(chǔ)。2009年，我國(guó)上海硅酸鹽研究所成功研 制了 100kW級(jí)關(guān)鍵技術(shù)，成為繼日本之后世界上第二個(gè)掌握 大容量鈉硫單體電池核心技術(shù)的國(guó)家，所

10、開發(fā)的鈉硫電池如 圖3所示。但是鈉硫電池需要高溫350c熔解硫和鈉，需要附加供熱設(shè)備來維持溫度，同時(shí)過度充電時(shí)很危險(xiǎn)，因此在 安全性和免維護(hù)性方面存在不足。生2曾I磁電池的工作原理示意圖全乳液流電池的研究始于1984年澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Skyllas-kazacos 研究小組，它是一種基于金屬鋼元 素的氧化還原可再生燃料電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，其工作原理示意圖 見圖4。液流電池采用質(zhì)子交換膜作為電池組的隔膜，電解 質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過雙電極板 收集和傳導(dǎo)電流使儲(chǔ)存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。液流 儲(chǔ)能電池系統(tǒng)的額定功率和額定容量相互獨(dú)立，功率大小取 決于電池堆，容量大小取決

11、于電解液，可以通過增加電解液 的量或提高電解質(zhì)的濃度來實(shí)現(xiàn)增加電池容量，通過更換電 解液實(shí)現(xiàn)“瞬間再充電”。液流電池的理論保存期無限，儲(chǔ)存壽命長(zhǎng)，無自放電，能 100%采度放電而不會(huì)損壞電池。這些特點(diǎn)使得液流電池成為儲(chǔ)能技術(shù)的首選技術(shù)之一。目前液 流儲(chǔ)能技術(shù)已在美國(guó)、德國(guó)、日本和英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家示范性 應(yīng)用，我國(guó)目前尚處于研究開發(fā)階段。全乳液流電池的難點(diǎn) 在于通常使用的總機(jī)離子濃度低于2mol/L ,導(dǎo)致比能量只有2535Wh/kg,電解液儲(chǔ)槽大、較難管理，而且正極液中的 五價(jià)機(jī)在靜置或溫度高于 45 C的情況下易析由五氧化二機(jī) 沉淀，影響電池的使用壽命。相比較而言，鋰離子電池儲(chǔ)能則是目前儲(chǔ)能產(chǎn)

12、品開發(fā)中 最可行的技術(shù)路線。鋰離子電池具有能量密度大、自放電小、沒有記憶效應(yīng)、工作溫度范圍寬、可快速充放電、使用壽命 長(zhǎng)、沒有環(huán)境污染等優(yōu)點(diǎn)，被稱為綠色電池。表 1是鉛酸電 池、鈉硫電池、液流電池和以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池的 比較，可以看由，鉛酸電池的使用壽命較短，鈉硫電池的不 足在于工作溫度較高，液流電池的能量密度較低，而以鈦酸 鋰為負(fù)極的鋰離子電池則顯示由綜合的性能優(yōu)勢(shì)。圖5是以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池工作原理示意圖。臟5以口徵方負(fù)極的建離子電池工作原理示童圖表1不同烽能電池的比較銀英電池鼠酸槿，鈦酸IS 體系鎂黑干電池船破也迫液流電池循環(huán)皋命次3005000 10 0002500m m

13、適宜工傳昌惠t5 T一百0 750300 *350一町-30M。-4Q的 - 1Q010025 T徒量造堂我率力G0 * 70沖。*,SQ鼓n萍裳2701003如10。月自垓電%30無無由于鈦酸鋰為零應(yīng)變材料，可以避免由于電極材料的來 回伸縮而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，從而大幅度提高了鋰離子動(dòng)力電池 的使用壽命；并且由于鈦酸鋰具有較高的工作電位，即使過 充電也很難在負(fù)極上形成鋰枝晶，從而大大提高了鋰離子動(dòng) 力電池的安全性。這些改進(jìn)使得鋰離子動(dòng)力電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域 的應(yīng)用成為可能，目前以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子動(dòng)力電池儲(chǔ) 能技術(shù)正成為國(guó)內(nèi)外競(jìng)相開發(fā)的熱點(diǎn)。 2008年，美國(guó)Altairnano 公司開發(fā)由1MWt酸

14、鋰儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，經(jīng)試運(yùn)行表明可以輸由250kWh的能量，能量轉(zhuǎn)換效率大于 90% 2010 年，日本東芝(Toshiba)在年度經(jīng)營(yíng)方針會(huì)上宣布將采用鈦 酸鋰負(fù)極材料開發(fā)儲(chǔ)能用超級(jí)鋰電池(SCiB),憑借高功率 SCiB鈦酸鋰電池的成功商業(yè)化，預(yù)計(jì)東芝的SCiB儲(chǔ)能電池將會(huì)很快面向市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)中信國(guó)安盟固利動(dòng)力科技有限公司 經(jīng)過5年的技術(shù)開發(fā)，于 2010年開發(fā)生了儲(chǔ)能領(lǐng)域應(yīng)用的 35Ah電池，該電池循環(huán)壽命已接近 8000次，可以5c倍率充放電， 安全性能優(yōu)異，目前該公司正在與合作單位共同開發(fā)兆瓦級(jí) 儲(chǔ)能系統(tǒng)，預(yù)計(jì)該產(chǎn)品 2011年可以面向市場(chǎng)銷售。除了以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子動(dòng)力電池可以應(yīng)用在

15、儲(chǔ) 能領(lǐng)域外，隨著磷酸鐵鋰正極材料的應(yīng)用，傳統(tǒng)的碳負(fù)極鋰 離子動(dòng)力電池的壽命和安全性也得到較大提高，也可應(yīng)用于 儲(chǔ)能領(lǐng)域。2010年索尼推由了 1.2kWh磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池模 塊，具有最大2.5kW的輸生功率。但是目前磷酸鐵鋰電池還 存在較嚴(yán)重的一致性問題， 即使單體電池壽命可以達(dá)到 2000 次以上，電池成組后的壽命會(huì)大打折扣，并且磷酸鐵鋰材料 的核心專利掌握在一些國(guó)際大公司手中，磷酸鐵鋰電池的生 產(chǎn)將面臨專利糾紛問題。因此，目前鋰離子儲(chǔ)能電池產(chǎn)品中 采用鈦酸鋰鋰離子電池進(jìn)行儲(chǔ)能應(yīng)該是最可行的技術(shù)路線。3,其它儲(chǔ)能技術(shù)超導(dǎo)電磁儲(chǔ)能是把電能轉(zhuǎn)化為磁能儲(chǔ)存在超導(dǎo)線圈的 磁場(chǎng)中，通過電磁相互轉(zhuǎn)換實(shí)

16、現(xiàn)儲(chǔ)能裝置的充電和放電。由 于超導(dǎo)狀態(tài)下線圈沒有電阻，因此超導(dǎo)儲(chǔ)能的能量損耗非常 小。但由于超導(dǎo)狀態(tài)要求線圈處于極低溫度下才能實(shí)現(xiàn)，而 低溫需耗費(fèi)大量能源，且不易小型化，所以該項(xiàng)技術(shù)正處于 研究開發(fā)階段。相變儲(chǔ)能是利用某些物質(zhì)在特定溫度下，通過相變來吸 收或釋放能量，如冰蓄冷、水蓄熱儲(chǔ)能，可以應(yīng)用于中央空 調(diào)等領(lǐng)域，是一種新興的儲(chǔ)能技術(shù)。二、儲(chǔ)能技術(shù)的市場(chǎng)前景一鋰離子電池將成理想選擇據(jù)中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)數(shù)據(jù)，2009年中國(guó)（不含臺(tái)灣省）累計(jì)風(fēng)電裝機(jī)容量25805.3MW那么，按國(guó)電的研究計(jì)算，我國(guó)儲(chǔ)能行業(yè)就蘊(yùn)藏著約51617742MW的市場(chǎng)。至U 2020年，我國(guó)風(fēng)電和太陽(yáng)能裝機(jī)容量都將達(dá)到 千萬千瓦級(jí)別，儲(chǔ)能電池的市場(chǎng)將達(dá)到700億元人民幣，儲(chǔ)能產(chǎn)品將成為未來最值得投資與資金最富集的市場(chǎng)領(lǐng)域。鋰離子電池是近10年高技術(shù)研究的最重要成果之一， 代表著化學(xué)電源發(fā)展的最先進(jìn)水平。由于這一新體系兼具高 比能量、長(zhǎng)循環(huán)壽命以及環(huán)境友好等顯著優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)已成為各類先進(jìn)便攜式電子產(chǎn)品的主要配套電源，在移動(dòng)場(chǎng)合具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，目前鋰離子電池的全球年需求量已達(dá)13億只，擁有每年270億美元的銷售額，毫無疑問是充電電池市場(chǎng)的 主導(dǎo)者之一。隨著鋰離子電池新材料的研發(fā)、電池制作技術(shù) 的創(chuàng)新以及眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)的參與，鋰離子電池的性能 正日益提高，電池成本日益降低，電池的安