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研究背景

隨著社會發(fā)展，全球范圍內(nèi)電子電器、電動汽車、空調(diào)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(gòu)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(zhuǎn)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(lǐng)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(shù)的總體要求和關(guān)鍵參數(shù)，同時討論了一些代表性電池技術(shù)的最新進展和挑戰(zhàn)，這些技術(shù)對GSES有促進作用。此外，作者強調(diào)了將新興電池技術(shù)從學術(shù)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。

03

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(shù)發(fā)展的關(guān)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(shù)。

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(diào)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(shù)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(shù)要求和性能要求。

電網(wǎng)能量存儲系統(tǒng)的關(guān)鍵要求。電池技術(shù)需要滿足全面發(fā)展的要求，才能轉(zhuǎn)化為工業(yè)生產(chǎn)，這也是學術(shù)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(shù)，包括鈉硫電池，全釩電池，鋰離電池和鉛酸電池的關(guān)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(shù)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(shù)界強調(diào)實驗室研究，工業(yè)界強調(diào)將技術(shù)轉(zhuǎn)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(guān)于新型電池化學物質(zhì)的研究中報告的性能值有些偏高，導致學術(shù)研究和BESS技術(shù)商業(yè)化之間存在明顯差距：

（1）安全性問題：這是電池技術(shù)應用于GSES的前提。

（2）成本問題：許多學術(shù)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(guān)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(guān)重要。

（5）電池管理技術(shù)：與實驗室技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shù)。圖中展示了從能源生產(chǎn)到電力消費的未來電網(wǎng)結(jié)構(gòu)。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(lǐng)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(shù)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(shù)。

電網(wǎng)儲能體系中潛在電池技術(shù)。盡管有極好的電化學性能，現(xiàn)有四種主要電池儲能技術(shù)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(lǐng)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(shù)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(shù)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(shù)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(lǐng)域的GSES技術(shù)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(jié)與展望

目前，還沒有一種理想電池技術(shù)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(guān)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(lǐng)域歷史上最成功的技術(shù)之一?？紤]到豐富的鈉儲量，鈉電池在GSES領(lǐng)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(shù)在全球工業(yè)領(lǐng)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(shù)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(shù)，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(guān)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(guān)鍵經(jīng)濟驅(qū)動力。最后，投資機構(gòu)和領(lǐng)先的制造企業(yè)也將致力于為GSES開發(fā)更好的電池技術(shù)。

審核編輯：劉清