鋰電池技術在儲能領域的應用與發展趨勢研究

李海杰

（河南省法恩萊特新能源科技有限公司，河南 焦作 454150）

鋰電池是我國重要的儲能設備，被廣泛應用于各個領域中，該電池由于應用技術成熟，具有較大的發展空間。為了實現綠色生產，合理回收綠色電能，提高儲電設備使用效率，儲能設備公司要加強儲能設備的研究，實現設備升級。相關企業要加強對相關技術的研究，同時規范原有使用技術，進而提升鋰電池使用效率，推動儲能技術的進步。

1 儲能行業最新政策

儲能是一種新型的電力系統，以新能源為主，它是保證國家能源安全的重要技術與設備的重要支撐。為實現碳達峰、碳中和、占領國際戰略新高地，提供了有力的支持。現已成為我國國民經濟和社會發展的戰略性、基礎性和先導性的工業。《“十四五”新型儲能發展實施方案》（以下簡稱《方案》，標志著一個新的行業正在蓬勃發展。

《方案》著重論述了“十四五”期間發展新型儲能的指導方針和基本原則，確定了發展的主要目標和工作重點。這是“十四五”期間促進新型儲能產業高品質發展的指導意見，同時，也為新型儲能產業的創新示范、完善產業結構提供了有力的參考，為產業創新和可持續發展提供了指導。

《方案》對我國儲能行業“技術水平和裝機規模穩定提高、應用領域和業務方式逐步擴大、制度和市場機制逐步健全”的情況進行了歸納。并認為“十四五”是我國新型儲能產業規模化發展的重要階段，迫切需要盡快構建符合我國國情的市場化、可持續發展的新型儲能產業體系。比如，把新型儲能與電力系統、新能源等的發展要求相結合，制定長期穩定的激勵措施，拓寬新型儲能業務模式，推動市場的發展；強化對儲能項目的技術指導，強化新型儲能的安全管理，改善儲能的品質控制等薄弱環節，并在今后五年里彌補不足，努力取得新的突破。

“十三五”期間，我國的新型儲能產業正處于從研究和試驗到商業化的初級階段，在技術設備的研究與開發、示范項目的建設、商業模式的探索以及政策體系的建立等方面已有重大的進步，市場應用的范圍穩定增長，為能源結構轉變提供了有力的支持。2020年年末，我國新型儲能共裝機約330萬千瓦，居全球首位。

從整體上講，我國儲能行業的發展狀況已經趨于完善，但是，在商業化運行方面還存在諸多問題，電化學儲能的安全性、商業模式尚處在摸索與試驗的過程中。因此，《方案》建議到2025年，全國新型儲能總裝機量將超過3000萬千瓦；電化學儲能技術的性能得到了極大地提高，同時，也使整個體系的運行費用下降了30%;基于傳統電源的新型儲能技術，如梯級電站儲能、火電和核電抽汽儲能等，已在工程上得到了廣泛的應用；百兆瓦壓縮空氣儲能、兆瓦級的飛輪儲能等技術逐漸趨于完善；在長時間尺度儲能技術方面，如氫儲能、熱（冷）儲能等獲取突破。

2 電力系統與儲能設備

今后的電力系統必須具有供需的靈活性，能夠適應大規模的可再生能源接入，能夠解決能源生產、儲存、輸送和消耗過程中的智能化控制。在發、輸、配、用四個方面，儲能電源發揮著關鍵的作用。因此，必須持續推動儲能技術與市場的多元化發展，提高能源品質，確保供求均衡，減少能源消耗，讓消費者真正體會到其經濟、安全的價值。

2.1 發電側的儲能系統需求

當電網斷電后，火電機組不能正常運行，儲能系統可以起到輔助供電的作用。通常只需要1～10MW，就可以連續供電2～3h。可再生能源如風光發電，由于其時斷時續、不穩定等特點，極易對電力系統產生影響，無法充分地適應電力系統的調度需要，因此，電力系統中出現了大量的棄用。采用這種儲能系統，可以使電力系統在發電側和電網得到充分的平衡，提高了風、光等可再生能源的利用率。也可以在可再生能源電站中提供后備電力。

2.2 輸電側的儲能系統需求

由于電力系統的動態變化以及負荷周期的變化，使得儲能系統必須對電網的頻率、電壓、頻率保持穩定作出反應。調頻儲能系統通常具有1MW或更大的裝機容量，充、放時間為1～15min，周期為20～40次/天，響應時間為1min以內。而調峰一般具有10MW或更大的裝機容量，充、放時間為2～4h，每天1次，響應時間為1h以內。

2.3 配電側的儲能系統需求

在配電網絡中，當配電網絡出現問題時，其儲能系統將繼續提供給客戶，此外，采用可調節負荷和控制供電方式實現配電網絡的供電質量，解決了電壓波動、諧波等問題。為了改善配電網絡的可靠度，采用10MW或更多的能量存儲方式，充放電的持續時間為0.5～2h，響應時間為10min以內，提高電力質量的儲能系統具有很大的裝機容量，視實際需要而定，一般在1～40MW以內，充放電時間為1～60s，周期為10～100次/天，響應時間在毫秒級。

2.4 用電側的儲能系統需求

在需求側管理的持續改進下，儲能系統不僅可以減少小用戶的負荷峰谷差，而且還可以極大地解決目前電網容量不足的問題。在用戶端方面，存在著多種不同的應用領域，比如，削峰填谷、高峰電力的補充，以及緊急情況下的緊急電力供應。該儲能系統可以按使用者的用電量和負荷特性來設計，其容量可以在連續高峰時供電2h，在低谷時段為8～10h，充放電周期為1次/天。

3 鋰電池技術應用現狀

當前，國內研究鋰電池主要從三個技術方面開展，即鈦酸型鋰電池、三元體型鋰電池和磷酸鐵型鋰體系三個研究路線。在儲能研究方面主要考慮電池的投資回報，而當前階段市場中還有很大一部分鉛蓄電池。據中關村CNESA統計，截至2016年，我國化學儲能設備總計243MW，其中大部分電池以鉛和鋰離子技術為主，鋰電池裝機比例為6成。

比能量參數方面，磷酸鐵型鋰電池可以達到140瓦時每千克以上，常溫充放電條件下使用壽命達到3000次以上，自放電相對較小，無記憶效應，可支持快速充電和放電，以調節波峰波谷運行模式為主，使用時間可達到10～15年，該電池的使用特點能夠應對大部分使用需求。2017年第二季度我國增加電化學設備21.1MW，鋰電池所占比例已經達到88%，說明該電池在市場已經被大多數使用者認可。

三元體型鋰電池比能量較其他鋰電池高，但是，非常受循環技術和安全技術的限制。該類電池如果受到較大力的沖擊，集中在一點的沖擊以及過充或者短路問題時，其內部溫度能夠快速達到200～300℃，極易導致正極部分內部反應引起電池整體膨脹甚至爆炸。一旦發生問題，電池很難保持可控狀態。儲能技術和新能源車的不同在于系統所占空間較大，對質量比的敏感程度低，相對來說，儲能設備能量較大，在使用中要時刻關注其安全性，如果出現起火、爆炸等情況，可能會危害周邊人員生命健康以及各類財產安全，所以使用該鋰電池的企業多數停留在理論階段或在理想環境中使用，并要對電池狀態進行實時監控。

鈦酸型鋰電池的比能量數值沒有其他兩種類型的鋰電池高，但是，該電池在低溫環境中性能十分優異，大倍率條件下充放次數可達到上萬次。許多企業將該技術作為主要研究路線，該電池在國內東北地區公共交通車輛中廣泛應用。在儲能應用時，該電池電壓平臺為1.5V，要達到與PCS直流段相匹配，需要增加電池串聯數量，由于電池一致性效果較差，致使管理系統相對較大，需要做好控制策略。此外，還要在保證使用壽命的前提下，通過壓低高倍率性能達到控制成本的目的，發揮電池低溫高效使用的特點，這方面的發展目前在儲能技術中占據不可替代的地位。儲蓄電池經過多年的發展與進步，技術成熟性不斷提升，在電池種類不斷增加的前提下，相關技術水準也在不斷提升。傳統鉛炭電池在不斷發展中，循環能力已經得到了極大地提升，但是，成果多為試驗條件下得出的，實際應用較少。同時，為了創造綠色發展道路，國內鉛及相關產品的產量也在不斷下降。同時，隨著鋰電池技術和生產能力的發展，價格優勢逐漸凸顯，尤其是磷酸鐵型鋰電池，具有較大的價格優勢，在不斷發展后，可能會取代傳統鉛電池在市場中的地位。

4 工業儲能電源系統集成技術發展趨勢

工業儲能形式的電源存儲產品大多是通過集裝箱裝載的，在使用過程中，需要結合實際使用需求，選擇合理的電池組以及能量管理系統。其關鍵技術的發展趨勢如下。

（1）從模塊形式的電池向包式方向轉變，進而提升單獨電池箱在體積不變的情況下的能量存儲量。固定式存儲方式通常使用功能模塊形式的設計，單個電池箱能量存儲可達1MW。上海某電源技術公司通過研究和創新，設計出了高密度集成技術，能夠承載1MW時的儲電系統，利用引入包層級，在一定程度上減少了絕緣、地址防護、系統穩定性、高壓直流電使用安全等各類問題，有效降低了線束外場工作產生的風險，降低了工作量。同時，利用插拔設計，完美避免了電池安裝中工藝方面的問題，使之便于維護。

（2）從固定式朝著移動式方向發展。隨著技術的成熟，儲能設備的使用變得越來越廣，已經不限于電力服務工作和調整用電波峰、波谷等固定使用場景，逐漸被應用于民用防災工作，石油開采工作，機場應用等方面。隨著移動式儲電設備的發展，將會應用到更多應用場景中，能夠代替多數柴油發電應用狀況，發展綠色海港、綠色機場等目標。

（3）市場對熱插拔，浮充供電以及較大電流平穩技術的需求日益凸顯。近年來，儲能設備相關領域發展良好的情況下，可以看出其發展勢頭良好，使用該技術，能夠確保在工作中用長期穩定地運行系統，獲得持續性收益。熱插拔技術是在系統正常運行的情況下，對模組或是連接器進行插拔操作。

浮充供電是通過特殊的電池化學設計，促進其在特別的電壓力下開展充電工作，繼而實現自動且均衡的保護效果，能夠在多數情況下避免電池出現自放電、充電深度增加的情況，是保證電池長期穩定使用的有效方法，能夠提升電池的使用周期。通常情況下，動力電池中均衡電流是運行單位為毫安陪，系統需要10A甚至更強的電流加快實現均衡速度。

5 儲能電源系統產業發展要素

5.1 安全性

電網工作開展中應用的儲能設備在理論上較電動汽車的儲能設備更加安全，但仍要使用成本極高的配套設備使其處于安全的使用環境中。此外，電池電源屬于直流形式，對安全性的要求較高。

5.2 經濟性

電池使用時間在一定程度上與成本成正比例關系，當前，電池能量轉化能力和管理技術已經相對成熟，在成本壓縮方面具有較大的發展空間，如果能夠提高系統集成性，能夠獲得較多的利潤。

5.3 便捷性

能量儲存在使用中最好做到即插即用，要將發展重點放在分布式系統建設方向，以方便使用人員將其融合進市場中使用的電力系統，同時，還要兼顧用戶的滿意程度。

6 結語

電力企業在開展儲能設備應用中，要充分發揮設備作用，結合鋰電池應用現狀以及工業儲能電源系統集成技術發展趨勢，加強對相關技術的研究，結合發展要素，提高儲能電源的安全性、經濟性和便捷性。