大规模储能市场或成钠电池产业化第一站

【专题 | 「储能」储能产业链_中国储能行业市场发展现状与前景】

　　摘要：新一轮能源革命带来了能源结构的深刻调整，加快开发利用可再生能源，实现绿色发展，是我国实现产业转型升级和经济可持续发展的重要措施。近年来,我国可再生能源取得飞跃式发展,光伏、风电、水电装机均稳居世界第一,储能技术在可再生能源产业发展过程中的关键作用也越发凸显，钠电池储能技术迎来了快速发展的契机。

　　储能方式主要分为机械储能、电化学储能、电磁储能和相变储能四种。作为储能技术未来的主要发展方向,电化学储能系统具有储能效率高、建设周期短、运营成本低、环境友好、应用灵活等诸多优势。储能电池是整个电化学储能系统中最核心的环节，因此，选择合适的储能电池非常重要。为了满足大规模储能的需求，理想的储能电池除具备优异的电化学性能外，还需要兼顾经济性、安全性与环保性等多方面。储能电池的类型非常多，包括锂电池、铅酸电池、钠硫电池、液流电池等。

图1  储能方式分类

　　从应用层面看，无论是技术成熟度还是商业化程度，锂电池排在第一位。目前，全球电网级电池储能系统应用最多的是磷酸铁锂电池和三元锂电池(如表1)。锂离子电池具有高能量密度、高功率密度和高工作电压，是现今最主要的储能设备之一，但锂资源的稀缺使其难以同时支撑新能源汽车和大规模储能两大产业的发展。因此，性能同样优异且资源丰富、价格低廉的钠电池有望发展成为新型储能体系的主力。

表1  全球电网级电池储能系统

　　我国储能产业快速发展，对电池技术提出新要求

　　近年来，我国新能源发电行业呈现爆发式增长。2017年，全国风电新增装机15.03GW，累计装机达到164GW;光伏发电新增装机53.06GW，累计装机达到130亿千瓦。新能源已经成为第三大主力电源，预计在2030年会超过水电成为第二大主力电源。随着新能源的发展和利用，由于太阳能、风能等新能源发电具有随机性和波动性的特点，大规模接入电网会给电网稳定运行带来安全隐患，市场对电能储存的需求越来越大，刺激了储能产业的快速发展。根据《储能产业研究白皮书2018》，截至2017年底，中国已投运的储能项目累计装机规模达28.9W，同比增长19%。其中，电化学储能项目的累计装机达到389.8MW，同比增长45%;新增装机规模为121MW，同比增长16%，锂离子电池装机占比最大，达到了71%。未来新增规划、在建中的电化学储能项目的装机规模为 705.3MW，预计短期内中国电化学储能装机规模还将保持高速增长。

图2   2016-2017储能电池装机量(单位：MWh)

　　“十三五”规划纲要、《能源发展战略行动计划(2014-2020年)》、《能源技术革命创新行动计划(2016-2030年)》等多项政策规划都将储能作为重点研究和发展领域之一。为了进一步加快储能产业发展，今年10月，多部委联合发布《关于促进储能技术和产业发展的指导意见》，明确到2025年，储能产业要实现规模化发展，形成较为完整的产业体系，成为能源领域经济新增长点。

　　市场和政策的双重利好下，储能产业将在全国迅速铺开，必将推动储能电池需求的爆发，容量型储能、功率型储能、能量型储能是电池技术的主要发展方向。

　　高安全、长寿命、低成本的钠电池为储能产业提供了新选择

　　各种储能电池在比能量、循环寿命、安全性、成本等各方面各有不足:铅酸电池的使用寿命较短、能量效率较低，液流电池的能量密度较低、运维复杂，锂离子电池回收成本高、安全隐患大，钠硫电池对工作温度要求较高，还没有哪一种储能电池在各方面性能上处于绝对优势。综合所有技术指标来看，高安全、长寿命、低成本的钠电池最具发展潜力。

表2   各种储能电池的性能比较

　　钠电池是一种以钠或钠的化合物作为电极的电化学装置，如Na/S电池、Na/NiCl2电池及钠离子电池等。钠电池的响应速率在次秒级，具有较高的储能容量和能量效率，能量密度与锂离子电池相当，循环寿命可达4000余次，非常适合大规模储能的要求。

　　(1)钠硫电池

　　钠硫电池是一种负极为Na、正极为S、电解质为β-Al2O3陶瓷组成的二次电池。大容量管式钠硫电池最早由日本NGK公司应用于储能电站并进行商业化推广，目前全球已经有超过250余座钠硫电池储能电站在投运当中。NaS电池具有储能密度大、充电快速、寿命长、运行费用低、维护较容易等优点，可发挥变电站负荷调控(削峰填谷)、平抑可再生能源等间歇式能源入网的冲击、作为后备电源应急的功用，能从根本上解决电力不稳定的问题，提高电能质量，应用范围涵盖电网系统、高耗能企业、分布式电站、电信通讯基站等领域，是一种理想的储能电池。

　　(2)钠盐电池

　　钠盐电池的正极是NiCl2 、负极是液态Na、电解质为β-Al2O3陶瓷。20世纪80年代，钠盐电池首次研发成功，2012年通用电气的新型钠盐电池技术已经相对成熟并进入产业化阶段。目前，钠盐电池技术已经应用在全球25个国家，建成了太阳能、风电组合、峰值管理、通讯基站等储能项目。作为新型储能技术，钠盐电池技术具备循环寿命长、比能量高、成本节约、环境友好等特性，是一种适用于新能源并网、分布式发电及微电网的新型储能技术。

　　(3)钠离子电池

　　从功率提供能力、能量效率、安装成本、额定功率放电能力、安装场地要求、维护要求等多因素综合考虑，钠电池的总体特性最适合大规模储能系统应用，但钠硫和钠盐电池的正、负极材料腐蚀性强，对工作温度要求苛刻，存在安全隐患问题。钠离子电池则没有这些问题，正极由钠离子嵌入化合物组成，电解质采用中性的盐水溶液，材料常规无腐蚀性且能在常温下工作，安全性能大幅提高。目前，钠离子的成本和性能仍有很大的进步空间，随着材料选择和制作工艺的不断优化提升，未来有希望成为储能电池的首选。

　　抢滩储能市场，各方纷纷布局钠电池技术

　　钠电池的成本问题一直制约其大规模发展和应用。随着储能产业的蓬勃发展，国内相关机构、企业也不断研发钠电池储能新技术，欲在产业爆发前占领制高点。

　　2017年1月，超威集团与美国通用电气公司成立合资公司，专注于钠盐电池的生产研发，以解决当前存在的因储能能力不足导致的弃风、弃光问题。超威第一代钠盐电池产品主要运用在电网储能、通讯基站及动力电源领域，已有20多个国家和地区的客户表达了需求。

　　2018年4月，中科院合肥物质科学研究院发布了高性能钠硫储能电池项目的研究成果。该院的Na-β-Al2O3陶瓷隔膜制备技术已达到国际先进水平，目前处于组装商业化(工业化)钠硫电池中试阶段，最终将实现钠硫电池及其电池组的转移转化与产业化。

　　结语

　　储能市场的发展，对提高可再生能源发电的兼容量和利用效率，解决我国能源安全、实现节能减排目标具有重要意义。储能电池是现在储能市场的最大瓶颈，一旦电池技术取得突破，亿万蓝海将一触即发。钠离子电池在储能产业中具有较大潜力，但开发应用尚不够完善，在未来的研究中需要在电池材料、性能、安全和成本方面都有进一步的提高，成功开发出性能优异的钠离子电池。