我国储能技术已进入大规模应用及推广阶段，主要涉及储能技术在电力系统调频、削峰填谷、提高可再生能源并网能力等方面的应用。根据能源存储的方式，储能技术一般分为机械储能、电磁储能及电化学储能。
图 1 不同储能技术的功率特性与能量特性对比
何为电化学储能
电化学储能（electrochemical energy storage）是通过电池所完成的能量储存、释放与管理过程。其工作原理是通过介质或设备把电能存储起来并在需要时释放的储能技术及措施。
电化学储能是新型电力系统的重要组成部分，是解决可再生能源间歇性和不稳定性、提高常规电力系统和区域能源系统效率、安全性和经济性的重要手段。
电化学储能产业链示意图
电化学储能的种类
按技术路线，电化学储能通常可分为锂离子电池、钠硫电池、液流电池以及铅蓄电池等各种二次电池储能。
1.锂离子电池
锂离子电池是实现电子设备无限使用、摆脱传统化石能源的重要技术手段。在目前的电化学储能技术中，锂离子电池占据了主导地位，占据全球电化学储能装机规模的92%，是现阶段最重要的电化学储能技术。
锂离子电池是通过锂离子在正负电极之间反复脱嵌，从而在外电路形成电流的浓度差电池，常被称为“摇椅式电池”，如图2所示。
图2 锂离子电池的工作原理示意图
常见的正极材料包括：磷酸铁锂、钴酸锂和三元正极材料；负极材料包括：石墨、钛酸锂、硅碳类材料。
锂电池的优势在于：
①具有较高的能量密度，俄罗斯金属钠多少钱一公斤，磷酸铁锂电池的单体能量密度最高可达到210Wh/kg，三元电池的单体能量密度则突破了300Wh/kg；
②充放电快，适合用于储能电站的调峰、调频；
③能量转化效率高，可达到80~90%；
④响应时间快速；
⑤循环寿命已经实现万次突破(衰减斜率预测结果)，宁德时代设计的福建晋江储能电站预计能够实现电池单体12000次的长寿命循环。
锂离子电池在商业化使用过程中也面临着很多突出问题：
①使用过程中存在安全隐患，无论是作为动力电池还是储能电池，锂离子电池爆炸或着火的现象频发；
②锂资源的储量有限。锂资源在地壳中的含量仅占0.0065%，目前的锂资源无法支撑未来汽车电气化和电化学储能产业的蓬勃发展。
2.钠离子电池
钠离子电池作为一种二次电池，与锂离子电池的工作原理类似，依靠钠离子在正负极之间来回穿梭工作，因而钠离子电池同锂离子电池一样被称作“摇椅式电池”。由于钠离子半径(0.102nm)比锂离子(0.076nm)大，对正负极材料的配位数、晶格常数、晶体结构等会产生比较大影响，在电极材料的选择上需要注意。
常见的钠离子电池正极材料包括：层状氧化物、隧道型氧化物、普鲁士蓝类化合物、聚阴离子型化合物。负极材料包括：硬碳等碳基材料、钛基嵌入型材料、有机类负极材料及合金及转化类负极材料。
与锂离子电池相比，钠离子电池最大的特点是：
①钠资源丰富，全球的钠含量为2.75%，远高于锂(0.0065%)；
看用什么，含量在99%进口的除了税，一公斤约50000元人民币，这个大概是5年前的价格了
②成本低。钠离子电池的电极原材料和集流体(正负极均可使用铝)的成本低，使得钠离子电池的理论制造成本为0.55元/Wh，随着产能的扩大和工艺的改进，其电芯成本有望降至0.2~0.3元/Wh，远低于锂离子电池、高温钠硫电池和全钒液流电池的制造成本；
③安全性好。对比锂离子电池，钠离子电池充放电过程中安全性更高，高低温性能保持率高，在－20℃下使用仍然有90%的容量保持。
目前以宁德时代、中科海钠为代表的电池公司均聚焦于钠离子电池技术研发。在未来钠离子电池有望部分替代锂离子电池，应用于低速交通、储能电站中。
3.高温钠硫电池
高温钠硫电池作为一种重要的储能技术，适用于大规模固定式储能，目前装机量占全球电化学储能市场的3.6%，主要技术由日本NGK公司掌握，国内上海电气钠硫储能技术公司和东方电气集团公司也有一定的技术储备。然而其安全问题一直倍受关注，成为制约其产业大规模发展的关键要素。
高温钠硫电池是由熔融电极和固体电解质组成，负极活性物质为熔融金属钠，正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐，β型Al2O3同时作为固体电解质，其最大的特点是正负极是以液体的形式进行电化学反应的。
图3 钠硫电池的结构和工作原理示意图
高温钠硫电池的工作原理如图3所示，高温钠硫电池固体电解质的工作温度在300~350℃，钠与硫电极均呈液态，在放电过程中电子通过外电路由负极到正极，Na+则通过β型Al2O3固体电解质从正极迁移到负极与S2-结合形成多硫化钠产物，在充电时电极反应与放电相反。
一般纯度的金属钠，价格从几十块到两百块一千克不等，一吨钠差不多几万到十几万人民币。钠（Natrium）是一种金属元素，元素符号是Na，在周期表中位于第3周期、第ⅠA族，是碱金属元素的代表，质地柔软，能与水反应生成氢。
高温钠硫电池的优势在于：
①资源丰富(钠和硫的储量丰富)；
②充放电寿命长；
③能量密度高，在大规模发电侧储能领域具有商业化和可持续发展潜力。
但高温钠硫电池工作温度过高 (300~350℃)，存在严重的安全隐患，限制了其大规模产业发展。目前高温钠硫电池的生产制造集中主要集中日本，由于其安全性问题没有得到有效解决，在全球范围内尚未产生规模化效应。
4.全钒液流电池
全钒液流电池(VRB)通过不同价态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放，电解液是水相体系，是唯一使用同种元素组成的水系电池系统。与传统二次电池不同，全钒液流电池反应过程不涉及相变，其工作原理图如图4所示，正极存储V5+/V4+的硫酸水溶液，负极存储V3+/V2+的硫酸水溶液。
图4 全钒液流电池的的结构和工作原理示意图
通过磁力泵将电解液从储罐输送到电堆中，不同价态的钒离子组分会在电极表面发生氧化还原反应，完成电化学反应后再由磁力泵输送回储罐中。充电过程，正极的V4+转变为V5+，负极的V3+转变为V2+，同时释放出H+，放电过程与之相反。其电极反应机理如下式(1)：
(1)因此其容量取决于所使用的电解液浓度和体积，其功率由电池的电极面积和数量决定。
一般纯度的金属钠，价格从几十块到几百块一千克不等，一吨钠差不多几万到十几万人民币。钠（Natrium）是一种金属元素，元素符号是Na，英文名sodium。在周期表中位于第3周期、第ⅠA族，是碱金属元素的代表，质地柔软，能。
全钒液流电池具有以下的优势：
②循环寿命长。电池充放电循环次数在15000次以上，使用寿命在15~20年，高于锂离子电池；
③能量转换效率高，充放电特性好；
④可深度放电(100%充放电)，能耐受大电流充放，适合大电流快速充放电；通过更换电解液能实现电池的“即时充电”，具备快速响应的特性；
⑤储能容量大，储能容量为数百千瓦时至数百兆瓦时，适合大容量固定储能。
全钒液流电池的突出问题是：
①制造成本过高，依据大连融科公司统计，钒液流电池的制造成本在4000元/kWh左右，阻碍钒电池的推广普及；
②体积庞大、不易搬运，相同储能容量下，全钒液流电池沉重、庞大，不易搬运，不适宜用于电动汽车等便捷式交通设备，只能应用于大规模固定储能；
③对环境温度要求苛刻，全钒液流电池的工作温度在0~45℃，不适合在极端环境中使用；⑤正极极板易报废，寿命不超过两年，维修成本高；
⑥比能量低，难以进一步提高。钒电池的质量比能量仅是锂电或高温钠硫电池的1/3~1/2。
5 铅蓄电池
铅蓄电池(Lead–acid battery)由正极板群、负极板群、电解液和容器等组成。
其原理图如下：
图5 铅蓄电池工作原理
不同电池特性总结
多元电化学储能中的储能介质从早期的铅酸电池发展到现在的铅碳电池、液流电池、钠硫电池、锂电池等不同类型，其性能特性和适用的场景各不相同。不同电池技术也表现出不同的化学反应原理、能量特性、安全特性和寿命特性。表4列出了目前最新的多元电化学储能电池技术特性和性能指标。
表2 多元电化学储能技术特性
图3对比了多元电化学储能的技术特征。图3中，锂离子电池综合性能较好，能量、功率密度大、能量效率高，且度电成本较低，适合大规模应用在各种场景。随着锂离子电池制造技术的完善和成本的不断降低，锂离子电池储能具有良好的应用前景。目前标准要求新建的锂电池储能电站的交流侧效率不低于85%，放电深度不低于90%，电站利用率不低于90%，充放电次数不低于6000次。
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图6 多元电化学储能技术对比
铅酸电池成本低、产业制造成熟。但铅酸电池目前存在充电速度慢、能量密度较低、寿命短、回收困难等缺点。以上缺点使其不适用于新能源发电、大规模储能电站等领域。目前铅碳电池在用户侧具有较大优势，在储能应用上已初具经济性。铅碳电池的安全性高、价格较低、循环寿命达3500以上。相对于其他电化学储能技术，投资回收期较短，随着储能规模的进一步增加，铅碳电池的成本还会进一步降低。
钠硫电池储能能量密度、功率密度高，体积小、无自放电现象、充放电效率接近100%，环境适应性强。钠硫电池便于模块化制造、安装，建设周期短，可根据用途和建设规模分期安装，可作为极端环境下可靠、长时的储能系统电池，适用于6个小时以上的长时电化学储能，但同时存在占地面积较大的问题。
全钒液流电池的产业化成熟，但其经济性受到电解液成本的影响很大，未来还需走开发新材料、降低电池成本的路线，发挥其大容量、长时的储能特性以及高安全性、长寿命、功率与容量独立等特点。
中国储能市场发展预测
根据中关村储能产业技术联盟（以下简称为“CNESA”）全球储能项目库的不完全统计，2021年，在双碳目标的推动下，我国储能产业热度空前。新增投运电力储能项目装机规模达到 10.5GW，首次突破 10GW，新型储能中，锂离子电池和压缩空气均有百兆瓦级项目并网运行。未来5年，“新能源+储能”是新型储能的主要应用场景。CNESA 基于保守场景和理想场景分别对2022-2026年新型储能的市场规模进行预测。保守场景为政策执行、成本下降、技术改进等因素未达预期的情形，理想场景为储能规划目标顺利实现的情形，其中：
保守场景
预计2026年新型储能累计规模将达到48.5GW，2022-2026年复合年均增长率（CAGR）为53.3%，市场将呈现稳步、快速增长的趋势。
中国新型储能累计投运规模预测（保守场景，2022-2026）资料来源：《储能产业研究白皮书2022》
理想场景
随着电力市场的逐渐完善，储能供应链配套、商业模式的日臻成熟，新型储能凭借建设周期短、环境影响小、选址要求低等优势，有望在竞争中脱颖而出。预计2026年新型储能累计规模将达到79.5GW，2022-2026年复合年均增长率（CAGR）为69.2%。
能源革命中的电化学储能技术及发展预期
作为新型储能领域最具发展前景的储能技术路线之一，电化学储能有望成为新能源行业中实现“碳达峰、碳中和”目标的重要助推器，具有广阔的发展前景，对于构建我国现代新能源产业体系具有重要作用。
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