在轉(zhuǎn)變發(fā)展方式、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)的要求下，新能源的發(fā)展擁有著廣闊的前景。但新能源、智能電網(wǎng)、電動汽車，這未來三大新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展瓶頸都指向了同一項(xiàng)技術(shù)——儲能技術(shù)。這促使越來越多的企業(yè)和研究人士把目光投向儲能技術(shù)。
在研究者看來，儲能技術(shù)的突破或?qū)⒛軌蚓徑獠煌娏χg的利益之爭，推動新能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，更重要的是能夠高效利用清潔能源，改變我國能源構(gòu)成比例，促進(jìn)節(jié)能減排。
由此，本周刊特意開設(shè)“儲能專欄”，旨在探討儲能技術(shù)在我國的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化還面臨著哪些困境。本期推出我國化學(xué)儲能的研究進(jìn)展。
一場新能源革命正如火如荼的進(jìn)行，但其中扮演“橋梁”角色的儲能技術(shù)還遠(yuǎn)未達(dá)到產(chǎn)業(yè)化水平，使得新能源領(lǐng)域的各個“主角”仍不能大舉進(jìn)入百姓家庭。
雖然儲能技術(shù)水平有限，但儲能形式卻是多種多樣。而這其中誰又能率先以成熟的技術(shù)搶占市場，獲得眾人青睞,成為享用 “大蛋糕”的第一人？
儲能技術(shù)分為物理儲能和化學(xué)儲能兩種方式，《科學(xué)時報》了解到，鈉硫電池、液硫電池和鋰離子電池成為目前化學(xué)儲能中較為主流的三種技術(shù)。
鈉硫電池：最經(jīng)濟(jì)適用的儲能方法之一
“鈉硫儲能電池是目前最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的儲能方法之一。”上海硅酸鹽所所長羅宏杰對鈉硫電池作出上述稱贊。
鈉硫電池以鈉和硫分別用作陽極和陰極，Beta-氧化鋁陶瓷同時起隔膜和電解質(zhì)的雙重作用。“鈉硫電池的工作溫度為250℃~350℃，具有高的比功率和比能量、低原材料成本和制造成本、高的溫度穩(wěn)定性以及無自放電等優(yōu)勢。”中科院上海硅酸鹽所能源材料研究中心主任、上海鈉硫電池研制基地技術(shù)總工程師溫兆銀對《科學(xué)時報》介紹說。
他詳細(xì)介紹道，首先，鈉硫電池的理論比能量高，達(dá)到760Wh/kg，實(shí)際數(shù)值也已大于100Wh/kg，是鉛酸電池的3～4倍；其次，可大電流、高功率放電，放電電流密度一般可達(dá)200~300mA/cm2，瞬間可放出其3倍的固有能量；第三，由于采用固體電解質(zhì)，所以沒有通常采用液體電解質(zhì)二次電池的自放電及副反應(yīng)，充放電電流效率幾乎達(dá)到100％。
上世紀(jì)80年代末～90年代初開始，國外重點(diǎn)發(fā)展鈉硫電池作為固定場合下（如電站儲能）應(yīng)用，并越來越顯示出其優(yōu)越性。如日本東京電力公司TEPCO和NGK公司合作開發(fā)鈉硫電池，其應(yīng)用目標(biāo)瞄準(zhǔn)電站負(fù)荷調(diào)平（即起削峰平谷作用，將夜晚多余的電存儲在電池里，到白天用電高峰時再從電池中釋放出來）、UPS應(yīng)急電源及瞬間補(bǔ)償電源等，并于2002年開始進(jìn)入商品化實(shí)施階段，已建成世界上最大規(guī)模（8MW）儲能鈉硫電池裝置，但其技術(shù)和生產(chǎn)裝備完全保密。
“國內(nèi)只有上海硅酸鹽所具有鈉硫電池工程化研究能力。”溫兆銀表示，目前我國也開始產(chǎn)業(yè)化運(yùn)作，前景較為明朗。
2007年，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所通過與上海市電力公司合作，成功研制出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的容量為650Ah的鈉硫儲能單體電池，使我國成為繼日本之后世界上第二個掌握大容量鈉硫單體電池核心技術(shù)的國家。據(jù)悉，現(xiàn)已建成2兆瓦大容量鈉硫單體電池中試生產(chǎn)示范線和800千瓦時鈉硫儲能示范電站的成功運(yùn)行，標(biāo)志著鈉硫儲能電池已基本具備產(chǎn)業(yè)化條件。
不過，溫兆銀坦言，鈉硫電池制造成本還需降低，安全性方面也需提高。
液流電池：大規(guī)模高效儲能首選技術(shù)之一
20世紀(jì)80年代，我國開始進(jìn)行液流儲能電池的基礎(chǔ)研究工作。從2000年開始，以中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所為代表的研究單位大舉進(jìn)入液流電池研究領(lǐng)域，使得中國液流儲能電池技術(shù)進(jìn)入了發(fā)展的“快車道”。
國際上液流電池代表品種主要有3種，即鋅溴電池、多硫化鈉/溴電池及全釩電池（VRB）。
據(jù)中國科學(xué)院大連化學(xué)物理所研究員、大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司副總經(jīng)理兼總工程師張華民介紹，鋅/溴液流電池具有較高的能量密度（可以達(dá)到70 Wh/kg），且材料成本較低，但目前循環(huán)壽命較短，且溴具有毒性和腐蝕性，不適合大規(guī)模儲能使用。多硫化鈉/溴電池也具有材料成本低的優(yōu)點(diǎn)，但由于正負(fù)極電解液互串引起的容量和性能衰減以及溴的毒性和腐蝕性等問題難以解決，目前國內(nèi)外多硫化鈉/溴體系液流儲能電池的規(guī)模放大工作處于停滯狀態(tài)。
在張華民看來，全釩液流儲能電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、循環(huán)壽命長、蓄電容量大、選址自由、可深度放電、系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活、安全環(huán)保、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，特別是充放電循環(huán)壽命長是其他任何電池?zé)o法比擬的。“在風(fēng)能發(fā)電并網(wǎng)等規(guī)模儲能場合具有明顯的優(yōu)勢，是大規(guī)模高效儲能技術(shù)的首選技術(shù)之一。”張華民強(qiáng)調(diào)。
釩電池中電能以化學(xué)能的方式存儲在不同價態(tài)釩離子的硫酸電解液中。釩電池通過更換電池模塊，電解液和儲能罐可以反復(fù)使用，預(yù)計(jì)壽命可以達(dá)到15年以上。同時，釩電池的充放電效率約為75%。“電池的輸出響應(yīng)很快，可以在幾個毫秒內(nèi)完成從零功率到滿功率輸出。”張華民指出。
2008年，大連化物所與大連博融產(chǎn)業(yè)投資有限公司合作成立大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司，專門從事液流儲能電池工程化和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)。目前在全釩液流儲能電池關(guān)鍵材料、系統(tǒng)集成、測試方法及應(yīng)用示范等方面取得一系列進(jìn)展。
首先，融科儲能公司已掌握了百千瓦級自主知識產(chǎn)權(quán)的全釩液流儲能電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成技術(shù)。建成年產(chǎn)能300MWh的全釩液流儲能電池電解液生產(chǎn)線和產(chǎn)能100MW的雙極板生產(chǎn)線，開發(fā)出輸出功率為22kW的電池單模塊，集成出輸出功率為260kW、儲能容量為1MW的電池系統(tǒng)。
其次，在決定電池性能和成本的核心組件離子交換膜材料方面，融科儲能公司在國際上率先開發(fā)出高離子選擇性、低成本的離子交換膜。“解決了全釩液流儲能電池產(chǎn)業(yè)化的瓶頸，率先實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵材料和核心部件的全國產(chǎn)化。”張華民說。
另外，通過壽命加速試驗(yàn)對自主研發(fā)的2kW全釩液流儲能電池耐久性進(jìn)行考察。自2007年7月6日開始運(yùn)行以來，已無故障、連續(xù)運(yùn)行1100多天，累計(jì)運(yùn)行時間近2.8萬小時，實(shí)現(xiàn)充/放電循環(huán)8100多次，目前仍在繼續(xù)運(yùn)行。
與此同時，2009年7月張華民團(tuán)隊(duì)還在西藏自治區(qū)成功安裝一套“太陽能光伏系統(tǒng)與5kW/50kWh液流儲能電池聯(lián)合供電系統(tǒng)”，進(jìn)行示范應(yīng)用。該系統(tǒng)已無人值守,平穩(wěn)運(yùn)行1年多，穩(wěn)定性得到充分驗(yàn)證。
“全釩液流儲能電池優(yōu)異的可靠性與穩(wěn)定性為其工程化和產(chǎn)業(yè)化開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。”張華民說。
鋰離子電池：新能源車首選電池
1991年前后，中國開始涉足鋰電行業(yè)。而此時的日本是研究鋰電池最耀眼的國家。上世紀(jì)90年代末期，由于鋰電行業(yè)100%的利潤誘惑，大量公司通過技術(shù)仿造開始了鋰電生意。隨著中國手機(jī)產(chǎn)業(yè)的興起，鋰電行業(yè)迎來春天。
“從鋰電池的研發(fā)來看，我國起步并不晚，最早在材料領(lǐng)域就有一個儲能材料專項(xiàng)，當(dāng)時鋰二次電池就已經(jīng)納入國家‘863’計(jì)劃。”中國工程院院士、中國科學(xué)院物理所研究員陳立泉曾在接受《科學(xué)時報》采訪時說，我國鋰離子電池研究的起步和國外差不多。
所謂鋰離子電池，是指由電池的正極提供鋰源，電池中沒有金屬鋰，完全是鋰離子狀態(tài)。它跟鋰電池最大的區(qū)別是，鋰電池的鋰源是金屬鋰，由電池的負(fù)極提供鋰源。 由于技術(shù)與成本等問題，鋰離子電池一直停留在小型電池的使用領(lǐng)域中，隨著鋰離子電池的關(guān)鍵材料技術(shù)以及電池技術(shù)迅速進(jìn)展，用于交通工具、電工工具、照明用電池、電動船領(lǐng)域的大型電池和電池組開始走進(jìn)老百姓生活。
目前，可以用作電動車電池領(lǐng)域的大型電池主要有閥控鉛酸電池、鎳氫電池、鎳鎘電池和鋰離子二次電池，鉛酸電池和鎳氫電池應(yīng)用尤為廣泛。但從電化學(xué)性能來看，鋰離子二次電池具有獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢，二次電池質(zhì)量比能量達(dá)到120Wh/kg以上，循環(huán)壽命在1000次以上，能量密度是鉛酸和鎳氫電池的2～3倍。鋰離子電池不含有毒重金屬元素，且回收簡單。
不過，鋰離子動力電池成組應(yīng)用技術(shù)，已成為制約其推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。與此同時，安全性、高溫循環(huán)性、使用壽命、制造成本等也都是制約鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的因素。
雖然我國已是僅次于日本的鋰離子電池生產(chǎn)大國，但并不是強(qiáng)國，在全球的鋰離子電池產(chǎn)業(yè)鏈中仍處于中低端。
目前，國內(nèi)鋰離子電池行業(yè)的生產(chǎn)企業(yè)規(guī)模小、技術(shù)含量低、產(chǎn)品相對單一，能夠提供生產(chǎn)鋰離子電池系列產(chǎn)品的綜合性企業(yè)較少。同時，國內(nèi)企業(yè)蜂擁而至，企圖在該領(lǐng)域分得一杯羹，也導(dǎo)致整個行業(yè)的健康發(fā)展受到挑戰(zhàn)。
專家認(rèn)為，當(dāng)前我國鋰離子電池技術(shù)跟國外先進(jìn)技術(shù)的差距主要在于原材料的質(zhì)量、設(shè)備，以及技術(shù)工人的素質(zhì)。同時，核心材料如隔膜以及電池的性能方面也存在著差距。那些沒有大量資金投資購買設(shè)備和優(yōu)質(zhì)原材料的企業(yè)，往往無法生產(chǎn)出質(zhì)量可靠的動力鋰離子電池。
