碳中和目標(biāo)下電化學(xué)儲能技術(shù)進展及展望

周凡宇, 曾晉玨, 王學(xué)斌

(南京大學(xué) 現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院, 固體微結(jié)構(gòu)物理國家重點實驗室,人工微結(jié)構(gòu)科學(xué)與技術(shù)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210033)

為了應(yīng)對氣候變化,重塑能源體系,實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展,世界各國紛紛提出“碳中和”目標(biāo)。在此全球趨勢推動下,能源格局正歷經(jīng)前所未有的轉(zhuǎn)型,電力供應(yīng)主體逐漸從傳統(tǒng)化石能源向可再生能源轉(zhuǎn)變[1]。

自習(xí)近平總書記提出“2030碳達峰、2060碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)以來,我國深化對能源結(jié)構(gòu)的改革與優(yōu)化,逐步提高電力系統(tǒng)中風(fēng)光出力比重。截至2022年底,我國風(fēng)電和光伏的總裝機容量已達7.6億kW,約占全國電力總裝機容量的30%,位列全球首位[2]。根據(jù)國際能源署于2023年發(fā)布的全球能源結(jié)構(gòu)發(fā)電預(yù)測數(shù)據(jù)(圖1),可再生能源發(fā)電占比預(yù)計從2022年的30%發(fā)展到2050年的70%,其中光伏和風(fēng)電預(yù)計占54%的份額,裝機規(guī)模將達到29 021 TW·h[3]。圖中其他可再生能源為結(jié)合碳捕集利用與封存技術(shù)的生物能、聚光太陽能熱電、地?zé)崮芎秃Ｑ竽堋?/p>

圖1 全球能源結(jié)構(gòu)發(fā)電占比的現(xiàn)狀和預(yù)測[3]

未來新能源發(fā)電將以風(fēng)電和光伏為主導(dǎo)。然而,風(fēng)光出力的間歇性、隨機性和波動性特點給電力系統(tǒng)安全和能源消納帶來諸多挑戰(zhàn),儲能技術(shù)是新能源規(guī)模利用的關(guān)鍵。相較于傳統(tǒng)電力系統(tǒng),新能源發(fā)電系統(tǒng)的慣量低、電壓支撐弱,這帶來以下挑戰(zhàn):(1) 電網(wǎng)安全性。風(fēng)、光發(fā)電系統(tǒng)的系統(tǒng)慣量低,調(diào)頻能力弱,難以應(yīng)對電網(wǎng)負(fù)荷波動。(2) 電網(wǎng)穩(wěn)定性。風(fēng)電和光伏具有波動性、間歇性,在尖峰負(fù)荷時段容易出現(xiàn)電力供應(yīng)不足,導(dǎo)致供需矛盾。(3) 消納問題。新能源和負(fù)荷存在時空錯配,局部地區(qū)、局部時段的棄風(fēng)棄光問題依舊突出,消納難度隨著新能源滲透率同步抬升。為了解決這些問題,我國30多個省市出臺了新能源發(fā)電并網(wǎng)政策,由“鼓勵配儲”演變到目前的“強制配儲”。

針對新能源的大規(guī)模利用,儲能需要發(fā)揮平滑出力、調(diào)頻、調(diào)峰和消納等多種功能。按儲能時長來分,儲能通常可分為功率型、能量型和容量型儲能技術(shù)。功率型儲能的供能時長一般在15～30 min,強調(diào)短時高功率吞吐,主要應(yīng)用于調(diào)頻和平滑出力等場景,典型技術(shù)包括超級電容器等。能量型儲能的供能時長約1～4 h,側(cè)重在較長時間釋放較小功率,具有較高的能量密度,主要應(yīng)用于調(diào)峰和備用等場景,典型技術(shù)包括鈉離子電池等。容量型儲能的供能時長一般大于4 h,著眼于長時間供能,主要應(yīng)用在長時能量管理或離網(wǎng)儲能,典型技術(shù)包括液流電池和氫能等。常見儲能技術(shù)特性如圖2所示[4-5]。

圖2 各類儲能技術(shù)的儲能時間、功率范圍及其與場景適配性[4-5]

新型儲能可用于電力系統(tǒng)電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)和用戶側(cè),具有輔助新能源消納、支撐電網(wǎng)穩(wěn)定、保障用戶靈活高效用電等功能。(1) 電源側(cè)儲能的主要場景包括可再生能源并網(wǎng)、電力調(diào)峰、輔助動態(tài)運行和系統(tǒng)調(diào)頻等方面。功率型儲能技術(shù)可以為新能源發(fā)電系統(tǒng)提供慣量、電壓支撐,維持電網(wǎng)頻率和電壓穩(wěn)定、平滑新能源發(fā)電出力。能量型/容量型儲能技術(shù)可以提高電力調(diào)度的時空靈活性,一方面可以實現(xiàn)中長時間尺度下的電力安排平衡,另一方面可以支撐富余電力外送,提高新能源消納水平。(2) 電網(wǎng)側(cè)儲能為電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行提供支撐。儲能可以為電力系統(tǒng)提供動態(tài)阻尼和慣量支撐,可以在輸變電阻塞、暫態(tài)失穩(wěn)時提供備用,還可以延緩輸變電投資和頂峰供電建設(shè),提高系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定水平。(3) 用戶側(cè)儲能通過低存高放實現(xiàn)分時電價管理,降低用電成本;也可以提供慣量和容量支撐,提高供電質(zhì)量、可靠性。

多時間尺度儲能技術(shù)是新能源系統(tǒng)實現(xiàn)電力靈活調(diào)度的關(guān)鍵。“新能源+儲能”模式正在逐步成為新能源發(fā)電的主要支撐方案。《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》提出,規(guī)模化新型電力系統(tǒng)需加大力度發(fā)展新型儲能,重點布局系統(tǒng)友好型新能源電站[6]。未來隨著風(fēng)電、光伏站場陸續(xù)開發(fā),新型儲能的規(guī)模將進一步擴大,預(yù)計將形成以抽水蓄能、電化學(xué)儲能為主體的多元儲能技術(shù)協(xié)同發(fā)展模式[7]。

2 電化學(xué)儲能技術(shù)進展

電化學(xué)儲能基于電化學(xué)過程,主要利用氧化還原反應(yīng)進行能量存儲與轉(zhuǎn)換,具有快速響應(yīng)、選址靈活的特性,在功率型、能量型、容量型儲能領(lǐng)域均具有突出優(yōu)勢。與飛輪儲能相比,功率型電化學(xué)儲能技術(shù)的響應(yīng)速度快、能量轉(zhuǎn)換效率高、空載損耗小。與壓縮空氣儲能相比,能量/容量型電化學(xué)儲能技術(shù)的能量密度高、轉(zhuǎn)換效率高、擴展性強。根據(jù)中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的不完全統(tǒng)計[8],截至2022年底,全球已投運新型儲能項目累計裝機容量45.7 GW,我國新型儲能累計裝機容量達13.1 GW。根據(jù)合理預(yù)測,未來幾年我國新型儲能的裝機容量將以60.3%的復(fù)合年增長率持續(xù)增長,預(yù)計2027年達138.4 GW。當(dāng)前的新型儲能中,以鋰離子電池為代表的電化學(xué)儲能占據(jù)主導(dǎo)地位,占比超98%。具體的統(tǒng)計數(shù)據(jù)見圖3。

(a) 2022年中國儲能技術(shù)裝機容量統(tǒng)計

電化學(xué)儲能技術(shù)是新型儲能的發(fā)展重點。《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》提出了新型儲能核心技術(shù)裝備攻關(guān)的重點方向:開展鋰離子電池和液流電池等技術(shù)的百兆瓦級規(guī)模應(yīng)用研究;集中攻關(guān)和推動鈉離子電池、兆瓦級超級電容器等技術(shù)的示范;研發(fā)固態(tài)鋰電池、液態(tài)金屬、金屬空氣電池等新一代高能量密度儲能技術(shù)。該方案提出新型儲能發(fā)展目標(biāo),在2025年由商業(yè)化初期步入規(guī)模化發(fā)展階段,在2030年實現(xiàn)全面市場化發(fā)展。《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》及“儲能與智能電網(wǎng)技術(shù)”重點專項中電化學(xué)儲能技術(shù)目標(biāo)是:度電成本0.1～0.2元,服役壽命大于20 a,循環(huán)次數(shù)大于1.5萬次,儲能規(guī)模大于1 GW·h[9]。

3 電化學(xué)儲能技術(shù)

電化學(xué)儲能覆蓋了功率型、能量型、容量型技術(shù),可滿足不同時長供能需求。儲能技術(shù)的分類見圖4。功率型儲能包括電容器和高功率電池,其充放電速度快。能量型儲能包括堿金屬離子電池和液流電池等。容量型儲能包括氫、醇、氨等燃料,可長時貯存。

圖4 儲能技術(shù)分類[9]

3.1 超級電容器和堿金屬離子電容器

超級電容器是一種典型的功率型儲能器件,目前產(chǎn)業(yè)化程度高的超級電容器是雙電層電容器。它具有電容量高、響應(yīng)速度快、功率密度高、循環(huán)壽命長、工作溫度范圍寬的優(yōu)點,尤其適用于短時高頻儲能領(lǐng)域,例如平滑波動和調(diào)頻等。其優(yōu)點如下:(1) 電容量較高。由于電極的比表面積大,雙電層電容器電容量為普通電容器的數(shù)千倍。(2) 響應(yīng)速度快和功率密度高。雙電層電容器依賴離子在電極表面的吸附和脫附實現(xiàn)充放電,可在極短時間(毫秒級)內(nèi)實現(xiàn)滿功率吞吐。(3) 循環(huán)壽命長。超級電容器儲能是基于靜電場的物理儲能,電極和電解液老化慢,循環(huán)壽命可達百萬次。(4) 工作溫度范圍寬,部分可達-40～70 ℃。然而,雙電層電容器的能量密度較低,持續(xù)供能時間較短。為了實現(xiàn)長時連續(xù)出力,通常需要配套電池等,導(dǎo)致里程成本偏高[10]。

超級電容器處于研發(fā)向產(chǎn)業(yè)化過渡的階段,當(dāng)前主要與其他儲能技術(shù)以互補形式構(gòu)成混合儲能系統(tǒng),支持調(diào)峰和調(diào)頻模式切換,減少能量型儲能介入調(diào)頻響應(yīng)次數(shù),延長儲能系統(tǒng)壽命。2023年,華能集團投運大容量超級電容儲能輔助火電AGC調(diào)頻示范項目[11]。

為了降低超級電容器的里程成本,要求在保持高功率密度的前提下提升能量密度,這就需要研發(fā)新體系、新材料。堿金屬離子電容器是目前的一個研究熱點,它作為一種介于雙電層電容器和二次電池之間的新型儲能器件,兼具較高能量密度、高功率密度和長壽命的特性。能量密度一般為雙電層電容器的3～10倍,功率密度約為電池的3倍,具有近10萬次的循環(huán)壽命。堿金屬離子電容器儲能的市場定位是功率型儲能,優(yōu)勢在于利用高能量密度減少超級電容器儲能系統(tǒng)中的額外配置成本[12]。其中,鋰離子電容器(LIC)初步進入市場化應(yīng)用,寧波中車新能源的CHPL系列產(chǎn)品容量在20 000～60 000 F。鈉離子電容器(SIC)、鉀離子電容器(PIC)尚處于研發(fā)階段。隨著技術(shù)發(fā)展和成本降低,預(yù)計堿金屬離子電容器的裝機規(guī)模不斷增長。現(xiàn)階段的基礎(chǔ)研究集中在碳基及復(fù)合電極材料和電解液體系,見表1。

表1 堿金屬離子電容器近期研究進展

3.2 堿金屬離子電池

電化學(xué)儲能的能量型技術(shù)主要是鋰離子電池,具有高能量密度等優(yōu)勢。考慮到全球鋰資源有限,而鈉、鉀均具有豐富的地殼儲量,因此鈉離子電池和鉀離子電池在近年來受到了更多關(guān)注。其中,鈉離子電池的基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速,鉀離子電池的關(guān)鍵材料仍在研發(fā)。

3.2.1 鋰離子電池

鋰離子電池通過鋰離子在電極間的可逆脫嵌實現(xiàn)儲能,具有能量密度高、循環(huán)壽命長、能量轉(zhuǎn)換效率高和響應(yīng)速度快等優(yōu)點,是目前應(yīng)用規(guī)模最大的電化學(xué)儲能技術(shù)。正極技術(shù)路線有磷酸鐵鋰、三元正極、鈷酸鋰等,各具優(yōu)勢,適用于不同領(lǐng)域。磷酸鐵鋰電池循環(huán)使用壽命更長、成本更低,是目前電力系統(tǒng)儲能電池的主要來源。當(dāng)前儲能用磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命一般為5 000～8 000次,服役壽命8～10 a,度電成本為0.4元。“十四五”期間,鋰離子電池希望循環(huán)次數(shù)突破15 000次,服役壽命大于25 a,度電成本低于0.1元[21]。對于儲能電池,目前仍需開展技術(shù)攻關(guān),延長使用壽命,增加安全性,降低成本。

目前,我國已完成多個100 MW級鋰離子電池儲能項目,如寧夏的100 MW/200 MW·h儲能電站,寧德時代推出全氣候儲能集裝箱,衛(wèi)藍新能源推出2 MW·h混合固液鋰離子儲能電池,以及海博思創(chuàng)的固態(tài)電池[21]。然而,我國預(yù)計鋰礦儲量1 914萬t,占全球鋰礦儲量的5.48%;同時,全球鋰儲量有限,難以同時滿足動力電池、消費電子和儲能電池的龐大使用需求。

3.2.2 鈉離子電池

與鋰離子電池工作原理類似,鈉離子電池基于鈉離子在正負(fù)極之間的可逆脫嵌實現(xiàn)充放電。除能量密度較低外,鈉離子電池在倍率性能、高低溫性能和安全性等方面均不遜于鋰離子電池。(1) 鈉離子電池能量密度約為鉛酸電池的3～5倍,有望追趕磷酸鐵鋰電池。(2) 倍率性能好。鈉離子的溶劑化能比鋰離子的更低,擴散動力學(xué)更快。另外,鈉離子的Stokes半徑比鋰離子的小,同濃度電解液的離子電導(dǎo)率更高。(3) 高低溫性能優(yōu)異。可在-40～80 ℃正常工作,適應(yīng)多緯度地區(qū)的氣候條件。(4) 安全性好。鈉離子電池短路時瞬間發(fā)熱量少,熱失控溫度高。

鈉離子電池的成本優(yōu)勢顯著,經(jīng)濟可行性高,包括2個方面:一是材料成本低。正極的主要元素鈉、鐵、錳、銅等價格低廉;負(fù)極主要采用軟、硬碳等無定型碳材料,原料來源廣泛;正負(fù)極集流體均可采用較廉價的鋁箔。二是產(chǎn)業(yè)鏈基礎(chǔ)完善,技術(shù)路線重置成本低。鈉離子電池的技術(shù)特性和制造工藝與鋰離子電池相似,可承襲后者的產(chǎn)業(yè)鏈布局[22-23]。當(dāng)前,鈉離子電池負(fù)極材料結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差,能量密度和使用壽命仍待提升。

2022年,我國將鈉離子電池列入《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》,支持鈉離子電池前沿技術(shù)和核心技術(shù)裝備攻關(guān)。2022年“儲能與智能電網(wǎng)技術(shù)”重點專項希望在“十四五”期間將鈉離子電池產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展至接近鋰離子電池產(chǎn)業(yè)水平,循環(huán)壽命突破10 000次,電芯能量密度超150 W·h/kg,單體造價低于0.3元/(kW·h),-40 ℃下容量保持率大于80%。我國鈉離子電池研發(fā)已取得重要成果,包括過渡金屬氧化物/無煙煤基軟碳、普魯士白/硬碳等技術(shù);電芯能量密度約120～160 W·h/kg;循環(huán)壽命約1 500～4 000次。

目前,鈉離子電池處于產(chǎn)業(yè)化初期和示范應(yīng)用階段,在大規(guī)模儲能領(lǐng)域初步布局。2021年中科海納全球首套1 MW·h鈉離子電池儲能系統(tǒng)成功投運[24]。當(dāng)前基礎(chǔ)研究集中在電極材料,見表2。未來,隨著關(guān)鍵技術(shù)突破和產(chǎn)業(yè)鏈完善,鈉離子電池的低成本優(yōu)勢將進一步顯現(xiàn)。

表2 鈉離子電池近期研究進展

3.2.3 鉀離子電池

鉀離子電池的原理與鋰/鈉離子電池相似,通過鉀離子在電極中的可逆脫嵌實現(xiàn)儲能。(1) 鉀的標(biāo)準(zhǔn)氧化還原電位(-2.9 V)比鈉低(-2.7 V),更接近鋰(-3.0 V),意味著鉀離子電池可以實現(xiàn)更高的輸出電壓及理論能量密度。(2) 高倍率。鉀離子比鈉離子的溶劑化半徑小和脫溶劑化能低,在電解液中的傳輸動力更快。(3) 低成本。鉀資源儲量豐富,正負(fù)極集流體亦可使用低成本鋁箔,理論上也可以實現(xiàn)低成本電池。

然而,受制于元素特性,鉀離子電池的關(guān)鍵電極材料缺乏,容量、倍率、循環(huán)穩(wěn)定性和安全性等指標(biāo)尚不能滿足實際應(yīng)用需求。(1) 鉀離子半徑較大,難以嵌入傳統(tǒng)的石墨負(fù)極,尚缺乏高性能負(fù)極和正極材料;鉀離子在電極材料中擴散系數(shù)較小,傳質(zhì)較遲緩,影響了電池的倍率性能。(2) 嵌鉀/脫鉀過程中,電極材料發(fā)生較大的體積變化,材料結(jié)構(gòu)易受破壞,電池不易實現(xiàn)長循環(huán)壽命。(3) 鉀的反應(yīng)活性更高,易引起副反應(yīng),且容易引發(fā)安全問題。近五年來,鉀離子電池材料研究快速增長,見表3。

表3 鉀離子電池近期研究進展

3.3 液流電池

液流電池由電化學(xué)電堆、電解液和泵組成,其中電堆為核心,其關(guān)鍵部件包括電極、雙極板和選擇性隔膜。通過泵入電解液,利用活性物質(zhì)在電極表面發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移進行充放電,具備安全性高、擴容性強和使用壽命長等優(yōu)點,適用于大規(guī)模、長時儲能領(lǐng)域。(1) 高安全性。電解液不易發(fā)生熱失控,且電解液與電堆相互獨立,儲存安全。(2) 擴容靈活。基于獨立式的系統(tǒng)裝置,可通過增加電堆和電解液,分別擴展功率/能量容量[41]。(3) 長壽命。電子轉(zhuǎn)移僅發(fā)生在電極表面,電池內(nèi)部的結(jié)構(gòu)完整性得以保持,當(dāng)前電池的循環(huán)壽命可達10 000次以上,服役壽命為10～20 a。

根據(jù)活性物質(zhì)的不同,液流電池主要包括全釩液流電池、鐵鉻或鋅溴液流電池等數(shù)種技術(shù)路線。目前,鐵鉻液流電池電解液有交叉污染等問題,鋅溴液流電池自放電率較高,維護成本較高。全釩液流電池正負(fù)極的活性物質(zhì)均為釩離子,無交叉污染,綜合性能好,是目前較為成熟的技術(shù)路線。現(xiàn)階段全釩液流電池在儲能市場中的滲透率仍較低,主要有2個原因:一是初裝成本較高。當(dāng)前投資成本為3.8～6.0元/(W·h),約為鋰離子電池的2倍;膜材料成本約10 000元/m2。二是能量密度和能量效率偏低。受釩離子溶解度和電堆設(shè)計的限制,全釩液流電池的能量密度約12～40 W·h/kg;電池需要泵維持電解液流動,能量效率約65%～75%。“十四五”期間提出液流電池的發(fā)展目標(biāo),即使液流電池的循環(huán)壽命超15 000次,能量密度突破40 W·h/L,能量轉(zhuǎn)換效率高于80%,膜成本降至800元/m2以下[21]。當(dāng)前液流電池的基礎(chǔ)研究集中在隔膜/電極材料改進、電解液優(yōu)化以及新型體系如鋅碘、鋅錳和溴鈦等,見表4。

表4 液流電池近期研究進展

在全球持續(xù)推進碳中和的背景下,長時儲能在儲能方面作用重大。截至2022年底,全球已建成液流電池儲能規(guī)模274.2 MW,在新型儲能中占比0.6%[8]。未來隨著體系升級和裝機規(guī)模增加,液流電池儲能的經(jīng)濟優(yōu)勢逐漸突顯。

3.4 其他二次電池

電化學(xué)儲能技術(shù)路線眾多,還包括固態(tài)電池、水系電池、液態(tài)金屬電池、金屬空氣電池等,在能量密度和安全性等方面各具優(yōu)勢。

(1) 固態(tài)鋰電池。固態(tài)鋰電池采用不可燃的固態(tài)電解質(zhì)替代隔膜和有機電解液,具有安全性高的優(yōu)點。該技術(shù)難點主要有固態(tài)電解質(zhì)的電導(dǎo)率偏低、固/固界面接觸性/穩(wěn)定性較差、工藝較復(fù)雜等,導(dǎo)致充放電速度較慢。衛(wèi)藍新能源發(fā)布的30 A·h固態(tài)鋰電產(chǎn)品,能量密度為270 W·h/kg[21]。現(xiàn)階段,固態(tài)電池在中型動力電池領(lǐng)域處于推廣發(fā)展階段,在大規(guī)模儲能型領(lǐng)域尚未開始布局。

(2) 水系電池。水系電池是以水作為電解質(zhì)溶劑的二次電池,具有成本低、安全性高、環(huán)境友好、功率密度高等優(yōu)點。目前,包括水系鋰離子電池、水系鈉離子電池、水系鋅離子電池等。水系電池存在電壓窗口較窄等問題,導(dǎo)致能量密度受限、循環(huán)壽命不足。未來的研究方向為開發(fā)具有寬電壓窗口的電解液、設(shè)計電極材料,以提升能量密度和循環(huán)壽命。賁安能源發(fā)布的水系鈉鹽電池產(chǎn)品,用于用戶側(cè)儲能和工業(yè)級備用等場景[21]。

(3) 液態(tài)金屬電池。液態(tài)金屬電池分別采用液態(tài)金屬和熔融鹽作為電極和電解質(zhì),通過陽極金屬去合金化/合金化實現(xiàn)儲能/放能。液態(tài)金屬電池具有結(jié)構(gòu)簡單易放大、低成本、高功率密度、長循環(huán)壽命、高安全性等優(yōu)勢,在長時規(guī)模儲能領(lǐng)域具有應(yīng)用前景。當(dāng)前基礎(chǔ)研究主要集中在低熔點及低成本電極材料方面。

(4) 金屬空氣電池。金屬空氣電池以金屬為負(fù)極,空氣或氧氣為正極活性物質(zhì)。目前已發(fā)展出鋰空氣電池、鋅空氣電池和鎂空氣電池等多種體系。金屬空氣電池的能量密度高、材料成本低、安全性高;但存在易自放電等現(xiàn)象,導(dǎo)致電池的能量效率較低、循環(huán)穩(wěn)定性受限。目前,金屬空氣電池的研究集中在負(fù)極金屬材料、正極高效催化材料方面。

(5) 高溫鈉硫電池。高溫鈉硫電池是由鈉、硫、β-氧化鋁電解質(zhì)組成的高溫熔融電池。在300～350 ℃下,鈉離子經(jīng)選擇性膜在正負(fù)極間遷移,與硫發(fā)生可逆反應(yīng)。鈉硫電池的能量密度高,使用壽命長,循環(huán)壽命約為4 500次,服役壽命8～15 a。高溫下鈉和硫的活性高,存在消防隱患。

(6) 鉛蓄電池。鉛蓄電池包括鉛酸電池和鉛碳電池。傳統(tǒng)鉛酸電池以二氧化鉛作正極,金屬鉛作負(fù)極,硫酸溶液作電解液,通過鉛離子和二氧化鉛間的可逆電化學(xué)反應(yīng)進行充放電。鉛酸電池的技術(shù)成熟、安全性高、成本低廉,但能量密度較低、循環(huán)壽命較短、充放電速度較慢,其能量密度一般為50～70 W·h/kg,循環(huán)壽命為300～1 000次。鉛炭電池相當(dāng)于鉛酸電池和超級電容器的內(nèi)并,負(fù)極混有炭材料,一方面可有效抑制負(fù)極板硫酸鹽化,提升循環(huán)壽命;另一方面電容儲能機制使充電速度加快。2022年,湖州“和平共儲”鉛碳儲能電站項目投入建設(shè),裝機規(guī)模100 MW/1 000 MW·h[50]。

表5對幾種主流電化學(xué)儲能技術(shù)的特點和成本進行了匯總[51-52]。

表5 幾種電化學(xué)儲能技術(shù)的特點匯總1)

3.5 氫基能源

氫基能源主要包括氫、甲烷、甲醇、氨等化學(xué)燃料,可作為儲能載體。它們具有能量密度高、自放電率低和存儲靈活等特點,適用于超長時儲能場景(>10 h)。值得注意的是,氫基能源還可用作工業(yè)原料,有助于新能源多途徑消納。

氫能熱值高(1.4×1018J/kg),是目前大力發(fā)展的規(guī)模儲能技術(shù)之一。《氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展中長期規(guī)劃(2021—2035年)》提出,發(fā)揮氫能調(diào)節(jié)周期長、儲能容量大的優(yōu)勢,開展氫儲能在可再生能源消納、電網(wǎng)調(diào)峰等應(yīng)用場景的示范[53]。氫能包括電化學(xué)制氫、氫儲運、氫燃料電池等環(huán)節(jié)。電化學(xué)制氫包括堿性電解槽、質(zhì)子交換膜電解槽、固體氧化物電解槽等方式,其中堿性電解水制氫技術(shù)最成熟,已初步實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,能量效率約70%。質(zhì)子交換膜電解水制氫技術(shù)較成熟,運行電流密度寬,可以適應(yīng)可再生能源的波動性,但使用的鉑、銥貴金屬催化劑價格高。固體氧化物電解水制氫技術(shù)的能量轉(zhuǎn)換效率高(～90%),有利于大規(guī)模、低成本的氫能供應(yīng),處于試驗研究階段[54]。此外,儲氫是難點問題,輸運管道亦仍處于小范圍試驗階段。

電催化制備甲烷、甲醇和氨等燃料,其催化劑的活性、產(chǎn)物選擇性是研究重點。二氧化碳加氫技術(shù)還有助于二氧化碳的資源化利用。

4 結(jié)語

面向碳中和戰(zhàn)略目標(biāo),電化學(xué)儲能對推動能源清潔化轉(zhuǎn)型起到了關(guān)鍵作用。在解決大規(guī)模可再生能源并網(wǎng)引發(fā)的電力系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題上,電化學(xué)儲能因具有出力精準(zhǔn)、響應(yīng)迅速快的特性逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個環(huán)節(jié),為保障穩(wěn)定的電力供應(yīng)提供了重要支撐。筆者對幾種主流的電化學(xué)儲能技術(shù)的特性、基礎(chǔ)研究和應(yīng)用前景進行了梳理。現(xiàn)階段,電化學(xué)儲能市場尚處于初期發(fā)展階段,其增長空間巨大。總體來說,現(xiàn)有的電化學(xué)儲能技術(shù)在高性能、高安全性、低成本指標(biāo)上仍需持續(xù)探索。

(1) 能量密度、功率密度和循環(huán)壽命等是電池的關(guān)鍵性能指標(biāo)。對于提高性能,未來的研究重點仍是對電池體系和電極材料進行持續(xù)優(yōu)化。

(2) 對于提高安全性,未來需開發(fā)更安全的電池體系,如固態(tài)電池、水系電池等。同時,加大對室溫、低溫器件的研發(fā),如室溫、低溫鈉硫電池等,以減少消防隱患。

(3) 在降低成本方面,需進行材料創(chuàng)新和技術(shù)優(yōu)化,同時進一步提高工藝成熟度和完善產(chǎn)業(yè)鏈布局,以減少系統(tǒng)成本。