隨著新能源產業(yè)的逐漸展開，同屬于電化學儲能方式的三種電池系統(tǒng)脫穎而出。由于它們更適合可再生能源發(fā)電、分布式電源、智能小區(qū)等智能電網的新要求，前景被包括國家電網公司在內的國內和國外很多人所看好。它們是鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池。
“我們關注的電池技術主要包括用于大規(guī)模風電、太陽能發(fā)電的兆瓦級以上電池，如液流電池和鈉硫電池，和易調整容量大小、適用于各種范圍應用的電池，包括鋰電池、鎳氫電池、鉛酸電池等。我們認為最值得關注的是鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池。其中，鋰離子電池由于應用范圍廣、市場空間更大，人們更關注，投入的力量也更大，發(fā)展速度很快。另兩種電池由于只適合大規(guī)模應用，研發(fā)投入力量較小，所以發(fā)展速度不如鋰離子電池快。”中國電力科學研究院電工與新材料研究所副所長、超導研究所所長來小康介紹說，“隨著人們對儲能技術在科研、資金方面投入的大幅提升，其自身的進步也讓人們看到了希望，使靠儲能解決可再生能源并網等問題的夢想變得有實現(xiàn)可能。”
這一夢想已經在實現(xiàn)過程中。2009年9月，國家電網公司旗下的新源控股有限公司與河北張家口正式簽訂協(xié)議，將在張北、尚義兩縣風電場建設國內首個風光儲能示范項目，總投資80億元以上，其中包括建設化學儲能7.5萬kW。項目的一期工程已經獲得河北省發(fā)改委的核準，儲能為2萬kW，根據規(guī)劃，該環(huán)節(jié)所應用的鋰電系統(tǒng)在未來的一兩個月內將投產。
這對于三種電池在智能電網中的實際應用而言只是第一步。真正實現(xiàn)電池的大規(guī)模商業(yè)化應用還需要一個漫長的過程，來小康認為，至少需要5~10年。
鈉硫電池
定義
鈉硫電池是一種以金屬鈉為負極、硫為正極、陶瓷管為電解質隔膜的二次電池。在一定的工作溫度下，鈉離子透過電解質隔膜與硫之間發(fā)生可逆反應，形成能量的釋放和儲存。電池通常是由正極、負極、電解質、隔膜和外殼等幾部分組成。
特點
◆ 比能量高——即電池單位質量或單位體積所具有的有效電能量高，可達到鉛酸電池的3~4倍
◆ 可大電流、高功率放電
◆ 充放電效率高
由于采用固體電解質，所以沒有采用液體電解質電池的那種自放電及副反應，充放電電流效率幾乎100％。
目前看來，在全球，鈉硫電池是最成熟、商業(yè)化時間最長和規(guī)模最大的電池，但只有日本NGK公司能夠大規(guī)模生產，現(xiàn)在已經有超過300 MW的實際應用。
鈉硫電池是美國福特公司于1967年首先發(fā)明公布的，已在世界上許多國家受到極大的重視和發(fā)展。其首先在不少國家被用作電動汽車用的動力電池，也曾取得了不少令人鼓舞的成果，但由于其在使用可提供的空間、電池本身的安全等方面均有一定的局限性。所以在20世紀80年代末和90年代初開始，國外重點發(fā)展鈉硫電池作為固定場合下（如電站儲能）應用，并越來越顯示出優(yōu)越性。日本東京電力公司和NGK公司合作開發(fā)鈉硫電池作為儲能電池，用于電力的削峰填谷、UPS應急電源及瞬間補償電源等，并于2002年開始進入商品化實施階段，同時開始向海外輸出。
在我國，中科院上海硅酸鹽所在國家“863”、中國科學院重大項目的支持下，研制成功了基于30 Ah單體電池的6 kW車載鈉硫儲能電池，并于2009年研制成功650 Ah大容量單體電池，實現(xiàn)了從單體電池到電池模塊的跨越；建成年產2 MW鈉硫電池中試線，實現(xiàn)了鈉硫電池制備關鍵裝備國產化；其還與上海電力公司在2007年共建了上海鈉硫電池研制基地，從事大容量城網儲能電池模塊、電網接入系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的研制。
鈉硫電池由于具有非常優(yōu)異的蓄能功能，即使輸入的電流突然超過額定功率5~10倍也能泰然承受，被認為適合應用于風電、太陽能發(fā)電等可再生能源發(fā)電領域；其還被認為適合用于“削峰填谷”。有媒體算了這樣一筆賬，2008年，上海最高用電負荷持續(xù)小時數(shù)只有104.5 h，而為滿足這短暫的高峰負荷，卻需要投資200億元。由此測算1 kW的儲能電池可節(jié)省電網投資1.3萬元。預計到2015年，上海電網峰谷差可達16000 MW，即使只將20％的“谷電”存儲起來，用于高峰時段，其經濟效益就超過70億元——而建設儲能電站的投資，僅需20億元左右。
但其缺點也是顯而易見的，它需要工作溫度在300~350℃，這讓有些人對此系統(tǒng)存在異議，認為如果一套電池系統(tǒng)在工作時還需要另外加裝一套加熱系統(tǒng)，那其儲能效率將大打折扣。
液流電池
定義
液流電池一般稱為氧化還原液流電池，是一種新型的大型電化學儲能裝置。正負極全使用釩鹽溶液的稱為全釩液流電池，簡稱釩電池，是目前發(fā)展勢頭強勁的優(yōu)秀綠色環(huán)保蓄電池之一，也是應用最多的液流電池之一。
釩電池特點
◆ 壽命長——由于全釩液流電池正、負極活性物質均為釩，只是價態(tài)不同，可以避免正、負極活性物質通過離子交換膜擴散造成的元素交叉污染，使電池性能長時間保持
◆ 成本低——生產工藝簡單，價格經濟，成本與鉛酸電池相近
◆ 大功率、支持頻繁大電流充放電——可制備兆瓦級電池組，大功率長時間提供電能
◆ 綠色無污染——它的制造、使用及廢棄過程均不產生有害物質
釩系的氧化還原電池是在1985年由澳大利亞新南威爾士大學的Marria Kacos提出的，發(fā)展至今，釩電池技術已經趨近成熟，在美國、加拿大、歐洲、日本、澳大利亞等地已經開始商業(yè)化應用。
經過這些國家的應用驗證，釩電池被證明主要適合應用于再生能源并網發(fā)電、城市電網儲能、遠程供電、UPS系統(tǒng)、海島應用等領域。它最顯著特點是規(guī)模化蓄電，在廣泛利用可再生能源的呼聲高漲形勢下，可以預見，液流電池將迎來一個快速發(fā)展的時期。
在釩電池領域，參與企業(yè)并不多。普能公司（收購了世界知名儲能公司——加拿大VRB POWER公司）和日本住友公司是這一領域的領頭企業(yè)，分別在世界各地和日本本土擁有商業(yè)化業(yè)績。
在我國，也有人在做釩電池系統(tǒng)的研究。1995年，中國工程物理研究院電子工程研究所首先在國內展開釩電池的研究，研制成功500 W、1 kW的樣機，擁有電解質溶液制備、導電塑料成型等專利。2006年3月中國科學院大連化學物理研究所研發(fā)成功10 kW試驗電堆，并通過國家科技部驗收，標志著我國的全釩液流電池系統(tǒng)取得階段性進步。清華大學利用在膜分離功能材料制備、膜過程與設備設計等方面近20年的研究經驗和技術積累，在電堆流道設計、電堆密封結構、鎖緊方式方面取得研究成果，已經申報3項專利，并研發(fā)成功全釩液流電池測試平臺。
除學術研究外，2010年5月更是有應用的消息傳來。由攀鋼集團有限公司和無錫尚德太陽能電力有限公司共同建設的兩套2 kW光伏發(fā)電—釩電池蓄電示范工程竣工。據稱，攀鋼集團有限公司是世界第二大和國內最大的釩產品生產企業(yè)，研究釩電池已達10年。北京金能燃料電池有限公司也表示，其生產的作為釩電池核心材料的全氟離子膜已批量生產，釩電池已開始銷售，已推出適用于光伏發(fā)電、風力發(fā)電、電網調峰、分布電站等諸多領域的釩電池產品。
值得注意的是，盡管釩電池的前景被很多人所看好，但釩電池普遍應用的條件尚不具備，其大部分應用還是試驗示范式的，要實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化實際應用還有許多問題尚需進行深入研究。
鋰離子電池
定義
主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動工作的充電電池。
特點
◆ 比能量高
◆ 安全性能好
◆ 可快速充放電
◆ 工作溫度范圍寬
雖然鋰離子電池目前在儲能方面的應用還沒有液流電池和鈉硫電池多，但由于它容量可大可小，也就適用于智能電網的發(fā)、用兩大環(huán)節(jié)，發(fā)展前景還是為很多業(yè)內專家所看好。
我國鋰離子電池產業(yè)發(fā)展較快，全球鋰離子電池市場已經形成中國、日本、韓國三足鼎立的局面。近幾年，鋰離子電池已經開始應用于電動自行車和電動工具。經過10余年的努力，我國已初步形成了從原料制備、設備制造、電池加工和出口貿易到下游產品開發(fā)的鋰電池產業(yè)鏈。2008年，全國鋰離子電池產業(yè)總產值約達200億元，但其在儲能領域的應用還很少。
“由于市場需求引導，我國之前對鋰離子電池的研究主要集中在應用于各類電動車的動力電池，對儲能電池的研究相對比較少，這也許是對儲能領域應用及需求狀況的了解不夠所致。”清華大學核能與新能源技術研究院新型能源與材料化學研究室副主任蒲薇華博士告訴記者，“兩者應用背景不同，則其對電池性能的要求不同，除了滿足比能量和循環(huán)壽命等基本性能外，動力電池更強調良好的功率性能，能大電流快速充放電。另外，需要電池的使用溫度范圍要寬，尤其是低溫性能，仍然是目前亟待解決的問題。儲能電池則主要強調容量效率和循環(huán)壽命。個人認為，從目前電池材料及電池制備技術的發(fā)展現(xiàn)狀分析，如果市場逐漸明朗并有大量需求，儲能電池的研究和應用勢頭有可能超過動力電池，有望在較短時間內實現(xiàn)技術突破和推廣應用。”
據了解，電網公司一般要求應用在風電、太陽能等可再生能源發(fā)電領域的電池壽命為15年，按每天充放一次計算，大概需要6000次，考慮到惡劣的運行工況，至少達到5000次。而現(xiàn)在動力鋰離子電池，以磷酸鐵鋰電池為例，在全充全放的情況下可以達到2000次充放循環(huán)。“如果充放電深度要求低于100% DOD，以及1C左右較低的充放電倍率，就目前的技術現(xiàn)狀，磷酸鐵鋰電池超過3000次的循環(huán)壽命應該問題不是太大。但是要達到5000~6000次循環(huán)，還需要在關鍵電池材料性能改進、電池結構設計等方面進行技術研發(fā)。經過2~3年的研究，要達到5000次充放循環(huán)的要求還是比較樂觀的。當然，也要考慮成本，這也是影響鋰離子電池在電網等儲能領域應用的重要因素。”蒲薇華博士預測說。
除了單體電池的壽命和成本問題，影響鋰離子儲能電池的還有電池成組技術、與之配套的相關電源管理系統(tǒng)、國家政策以及電網的接受程度等。
近期，鋰離子電池在儲能領域的應用有了進展，據了解，按照計劃，2010年6—7月張北風光儲能基地中的鋰電儲能系統(tǒng)將投產，其中1 MW的鋰電池由比亞迪股份有限公司提供。對此，專家表示，電網公司也清楚知道目前沒有鋰電池能滿足15年的壽命要求，要想未來有所應用就只能先試用，這是一種期望值和技術成熟度的妥協(xié)。
我國在鋰離子電池上走在了全球的前列，比亞迪股份有限公司、深圳市比克電池有限公司、天津力神電池股份有限公司等都是這一行業(yè)的重量級企業(yè)，據了解，比亞迪股份有限公司先后建成了多條生產線，能夠生產包括0.2 MW、1 MW和1.2 MW的產品。
長城證券有分析師預測，按照目前市場普遍預期的2020年風電發(fā)電裝機容量達到1.5億kW計算，以河北張家口項目為參考，相關的儲能容量將超過2000萬kW，假設其中50%采用化學儲能，市場需求將超過1000萬kW，按照鋰電池可以占據30%左右的市場份額計算，則有300萬kW的需求。
但未來的市場固然美好，也還需要經過示范項目的測試，在生產商、研究機構以及電網公司的共同推動下一步一步實現(xiàn)。大家普遍的認識是，這個市場未來會很大，但目前發(fā)展不會很快。
