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研究背景

隨著社會發(fā)展，全球范圍內電子電器、電動汽車、空調等使用率不斷提高，對電力需求呈指數(shù)增長。根據(jù)國際能源機構的數(shù)據(jù)，過去10年里，全球電力消耗以驚人的~3.5%速度增長，2018年發(fā)電能力超過了2.5萬太瓦時，但其中以不可再生能源為主（煤炭38%，天然氣23%和石油3%），相比之下，可再生能源只占相當小的比例（水電17%、風能5%和太陽能2%）。

為應對化石能源燃燒帶來的污染問題及資源枯竭問題，聯(lián)合國巴黎氣候變化會議（2015年）為全球快速轉向可再生能源系統(tǒng)確立了框架，確保實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展和避免災難性氣候變化的現(xiàn)實解決方案。在這方面，太陽能和風能被認為是清潔、豐富和分布廣泛的可再生能源，可應用于大規(guī)模和高容量可再生能源發(fā)電機組的供應，從而逐步淘汰以煤炭為主的不可再生能源。

然而，太陽能和風能具有間歇性，與持續(xù)的需求不一致，傳統(tǒng)復雜的配電網(wǎng)系統(tǒng)需要一系列輔助服務來保證其穩(wěn)定可靠運行，還需要大量能量儲存系統(tǒng)來實時平衡發(fā)電和需求?，F(xiàn)有的太陽能和風力發(fā)電廠對電網(wǎng)系統(tǒng)的影響仍然有限，隨著可再生能源在未來30年指數(shù)級增長，儲能不足的電網(wǎng)將造成從幾秒到幾小時甚至更長時間的急劇波動，反過來可能破壞電網(wǎng)，從而中斷持續(xù)的電力供應和消費。因此，開發(fā)高效電能儲存系統(tǒng)，以彌補電網(wǎng)的不靈活的特點具有重要戰(zhàn)略意義。

02

成果簡介

近期，中科大陳維教授和斯坦福大學崔屹教授在Chemical Reviews上發(fā)表了題為“Rechargeable Batteries for Grid Scale Energy Storage”的綜述文章。該綜述對大規(guī)模儲能（GSES）領域展開深入討論和綜合思考，制定GSES標準和措施，系統(tǒng)分析實際應用中電池技術的總體要求和關鍵參數(shù)，同時討論了一些代表性電池技術的最新進展和挑戰(zhàn)，這些技術對GSES有促進作用。此外，作者強調了將新興電池技術從學術界引入工業(yè)的重要性，并對GSES應用電池的未來發(fā)展進行展望。

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圖文導讀

圖1. 各種GSES系統(tǒng)的發(fā)展和特點。(a) 各種GSES技術發(fā)展的關鍵階段時間線；(b) 不同能量存儲場景中最具成本效益的儲能技術。

電網(wǎng)能量存儲系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀。自1859年鉛酸電池（LAB）發(fā)明，并于19世紀80年代融入電網(wǎng)，各類型用于電網(wǎng)規(guī)模的儲能系統(tǒng)（GSES）已經(jīng)在不斷部署，根據(jù)儲能場景對裝機容量和運行頻率要求，一般可分為不間斷電源（UPS）、季節(jié)性存儲、頻率調節(jié)、可再生能源集成、家用儲能、電能時移等。

研究發(fā)現(xiàn)，可充電電池具有短期、中期和長期存儲應用的實用價值?？沙潆婋姵鼐哂惺┕ぶ芷诙?、體積小等的優(yōu)點，非常適合在各種分布位置使用，通常包括鋰離子電池、Na-S電池、鉛酸電池(LABs)、和氧化還原液流電池等。

過去的20年里，電池儲能應用呈爆炸式增長，且目前大部分GSES市場仍由相對成熟的鋰離子電池主導，但它們還不足以滿足各種儲能需求。近年來，許多新型電池技術已經(jīng)出現(xiàn)，展現(xiàn)出在大規(guī)模儲能應用的巨大潛力，但實際應用受到極大的阻礙。因此，需要一份全面、及時的GSES電池研究指南。

圖2. 電池存儲系統(tǒng)的技術要求和性能要求。

電網(wǎng)能量存儲系統(tǒng)的關鍵要求。電池技術需要滿足全面發(fā)展的要求，才能轉化為工業(yè)生產(chǎn)，這也是學術界和工業(yè)界最大區(qū)別。這些要求包括成本、安全、服務壽命、能量密度、自放電性能、操作溫度范圍、可回收性等。作者比較了目前四種儲能技術，包括鈉硫電池，全釩電池，鋰離電池和鉛酸電池的關鍵性能參數(shù)，都有各自優(yōu)缺點，鋰電池綜合性能優(yōu)異，但鋰資源有限，安全性不足，而鉛酸電池成本低，安全性高，但使用壽命短等。

圖3.GSES電池的學術界和產(chǎn)業(yè)界的區(qū)別。

電池學界與產(chǎn)業(yè)界的區(qū)別。盡管學術界強調實驗室研究，工業(yè)界強調將技術轉化為經(jīng)濟消費品，但其共同使命應該是為實現(xiàn)清潔能源藍圖而共同努力。由于缺乏標準和措施，在大多數(shù)關于新型電池化學物質的研究中報告的性能值有些偏高，導致學術研究和BESS技術商業(yè)化之間存在明顯差距：

（1）安全性問題：這是電池技術應用于GSES的前提。

（2）成本問題：許多學術研究中，只追求完美電化學性能，而忽略電池成本。

（3）制備工藝問題：這也是工業(yè)應用巨大障礙，包括涉及許多危險化學品或昂貴的制造設備的工藝，難以擴大規(guī)模的工藝等。

（4）材料和電池組的制備工藝問題：實驗室水平的電池制造通常不太關注電極材料合成的成本和能量消耗，以及它們與工業(yè)生產(chǎn)線的兼容性，而這些在GSES電池的大規(guī)模生產(chǎn)中至關重要。

（5）電池管理技術：與實驗室技術不同，用于高安全性實際應用的電池管理系統(tǒng)必須足夠敏感，以補償熱梯度中不均勻老化或電池組平衡期間的生產(chǎn)不匹配。

圖4.電網(wǎng)能量存儲結構和系統(tǒng)。

電網(wǎng)儲能系統(tǒng)應用場景。通過儲能應用的深入理解，有望設計出針對不同應用、具有不同特性的BESS技術。圖中展示了從能源生產(chǎn)到電力消費的未來電網(wǎng)結構。電網(wǎng)是由發(fā)電機和輸配電線路組成的復雜網(wǎng)絡，這些線路對電力供應和需求的變化作出動態(tài)響應，以確保電力始終可靠供應。BESS在可再生農(nóng)場、發(fā)電廠、高壓輸電線、配電站、微電網(wǎng)、工廠、家庭等領域具有實際而靈活的應用。但是，對于不同實用場景，對電池儲能技術的性能要求不同。盡管有這些特性，但為滿足當前和未來能源需求，應該高度重視可再生能源的集成體系。

圖5.潛在電池儲能技術。

電網(wǎng)儲能體系中潛在電池技術。盡管有極好的電化學性能，現(xiàn)有四種主要電池儲能技術仍然面臨各自的缺點。為了緩解相應挑戰(zhàn)，研究者已經(jīng)進行了大量研究，目標是引入新的電池體系設計和組成?！半姵貥洹闭故玖穗姵卮鎯︻I域值得注意的突破性進展。近年來，低成本氫氣電池和有機水性技術因其在電網(wǎng)儲能方面的優(yōu)勢而極具競爭力。

然而，需要通過深入分析來評估這些技術可行性。為幫助研究界更好地理解固定新興能源系統(tǒng)并加速其發(fā)展，作者針對金屬離子電池、鉛酸電池、熔鹽電池、堿性電池、氧化還原液流電池、金屬空氣電池和氫氣電池的前沿研究和最新進展，綜述其工作原理，化學，材料挑戰(zhàn)，以及成熟和新興電池技術的當前發(fā)展狀況，并評估它們的實用性和創(chuàng)新潛力，以便為電池領域的GSES技術的開發(fā)和應用帶來一些批判性的思考和重要的指導方針。

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總結與展望

目前，還沒有一種理想電池技術能夠滿足GSES的綜合要求。未來需要進行突破性的研究，以解決電池關鍵性能問題，并使其適用于GSES。盡管存在鋰儲量減少和安全性差的問題，但鋰電池一直是BESS領域歷史上最成功的技術之一?？紤]到豐富的鈉儲量，鈉電池在GSES領域有補充甚至取代鋰電池。

在儲能設備的安全性和成本效益方面，液流電池和氫氣電池技術在全球工業(yè)領域具有未開發(fā)的潛力。此外，其他電化學性能不理想的潛在電池技術無法滿足大規(guī)模商業(yè)化的嚴格要求，需要進一步改進。目前，投入大量資金進行研發(fā)，以開發(fā)出滿足固定和移動儲能需求的尖端電池技術，并確保長期回報，是當務之急。

在這方面，政府在BESS研究和示范項目中發(fā)揮著關鍵作用，為建立工業(yè)設施和確保精簡能源實踐提供資金、物資和后勤支持。對VRE的日益增長的傾向被推測是那些尋求提高電網(wǎng)靈活性和最大化可再生資源接入的國家的關鍵經(jīng)濟驅動力。最后，投資機構和領先的制造企業(yè)也將致力于為GSES開發(fā)更好的電池技術。

審核編輯：劉清