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万亿储能市场爆发在即,哪些电池有机会?

专栏:行业资讯发布时间:2022-06-08作者:

今年3月21日,国家发改委和能源局正式印发《“十四五”新型储能发展实施方案》(简称《实施方案》)?!妒凳┓桨浮访魅饭娑?,“到2025年,新型储能由商业化初期步入规?;⒄菇锥?、具备大规模商业化应用条件。其中,电化学储能技术性能进一步提升,系统成本降低30%以上。到2030年,新型储能全面市场化发展。新型储能核心技术装备自主可控,技术创新和产业水平稳居全球前列,市场机制、商业模式、标准体系成熟健全,与电力系统各环节深度融合发展,基本满足构建新型电力系统需求,全面支撑能源领域碳达峰目标如期实现?!本荽?,普遍认为,储能市场是下一个即将爆发的万亿市场,有着极大的发展潜力。

根据国家能源局的定义,储能是指通过介质或设备将能量存储起来,在需要时再释放的过程。根据能源存储形式的不同,储能又可以分为热储能、电储能以及氢储能,目前主要为电储能。而电储能又可以分为电化学储能和机械储能,其中电化学储能主要为我们熟悉的电池储能,包括锂电池、铅蓄电池、钠硫电池等。而机械能储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等。
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电化学储能广泛应用于发电侧、电网侧、用户侧,无疑是当下最景气的赛道之一。特斯拉创始人马斯克曾表示:储能电池可以发展到与汽车动力电池差不多的规模,甚至超越汽车业务。CNESA数据显示,2021年国内装机量同比增长67.7%,预计2022-2026年年复合增长率为53.3%。

那么,什么样的电学化储能系统才能满足大规模储能需求呢?《实施方案》要求“开展钠离子电池、新型锂离子电池、铅炭电池、液流电池、压缩空气、氢(氨)储能、热(冷)储能等关键核心技术、装备和集成优化设计研究,集中攻关超导、超级电容等储能技术,研发储备液态金属电池、固态锂离子电池、金属空气电池等新一代高能量密度储能技术?!贝印妒凳┓桨浮繁硎龇治?,钠离子电池、新型锂离子电池、铅炭电池、液流电池是我们的近期选择,液态金属电池、固态锂离子电池、金属空气电池等是我们的远期目标。
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新型锂离子电池:目前,全球电化学储能电站中锂离子电池约占90%,拥有绝对优势。这些锂离子电池主要包括三元(能量密度约250Wh/Kg)、磷酸铁锂(能量密度约180Wh/Kg)、钛酸锂(能量密度约110Wh/Kg)等锂离子电池,三元和磷酸铁锂电池优点是能量密度较高,但存在燃烧爆炸危险、高/低温性能差、价格高等缺点;钛酸锂电池优点是安全性高、循环寿命长,但能量密度较低、价格更高。在锂资源价格飞涨、我国锂资源匮乏(70%以上锂资源依赖进口)情况下,要想把锂离子电池应用于大规模储能系统似乎不太现实。有人提出动力锂离子电池的梯级利用,看起来挺美,但考虑到不同厂家锂离子电池差异、同一厂家不同批次电池差异,能源管理十分困难,容易导致安全隐患。

钠离子电池:钠离子电池主要包括钠硫电池、钠盐电池、钠空气电池、有机系钠离子电池、水系钠离子电池等。钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐,钠盐资源丰富,价格更低,能量密度(100-160Wh/Kg)略低于磷酸铁锂电池,但高于钛酸锂电池,具有良好的高/低温性能和良好的循环性能,安全性高,环境友好,整体成本比磷酸铁锂电池低30-40%,有望在储能市场获得大规模应用。但钠离子电池目前还不具备批量生产条件。

2019年,世界首座100KWh钠离子电池储能电站在中科院物理所长三角研究中心投入运营;2021年,全球首套1MWh钠离子电池光储充智能微网系统在山西太原综改区成功投入运营。
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铅炭电池:铅炭电池是一种电容型铅酸电池,是将铅酸电池和超级电容器合二为一,既发挥了超级电容瞬间大容量充电的优点,也发挥了铅酸电池的比能量优势,且拥有非常好的充放电性能--90分钟就可充满电(但大电流充放电大大缩短电池寿命)。铅炭电池由于安全性高、成本低、低温性能好、电池寿命比单纯的铅酸蓄电池长,且国内生产铅炭电池的厂家比较多,是规模储能的优选技术,必将在储能领域占据越来越大的市场份额。

目前,国家电网雉城(金陵变)12MW/24MWh铅炭储能项目、大连化物所星海二站园区100kWh铅炭电池储能系项目、浙江舟山东福山岛风光伏储能电站、新疆吐鲁番新能源城市微电网示范工程、南方电网光储一体化柴储能电站、无锡新加坡工业园智能配网储能电站、浙江鹿西岛4MWh储能项目等项目采用铅炭电池技术。

液流电池:液流电池是一种大规模效率高的电化学储能技术,根据电极活性物质的不同,可以分为全钒液流电池、锂离子液流电池、铅液流电池、锌溴液流电池、锌铈液流电池、锌镍液流电池、铁铬液流电池、多硫化钠/溴液流电池等。目前,除了全钒液流电池技术发展比较成熟外,其它液流电池技术还需进一步探索完善。总体来讲,液流电池具有长寿命、100%放电深度、安全性高等优点,但能量密度低、成本较高,如果成本得到进一步控制,液流电池比较适合大规模蓄电储能。

目前, 湖北枣阳平凡瑞丰光储用一体化项目、大连液流电池储能调峰电站国家示范项目、大唐国际瓦房店风电场、普兰店乐甲网源友好型风场示范项目、国家电投湖北全钒液流电池储能项目、大唐中宁共享储能项目等均采用液流电池技术。
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液态金属电池:液态金属电池是一种在常温常压下呈液态、可流动且具有高导电、高导热特性的新兴电池。液态金属电池的开发是解决电网规模储电问题的一种创新方法。液态金属电池分为镁锑电池、铅锑电池、钠硫电池,是一种低成本、无二氧化碳产生的储能形式,目前国内尚无应用案例报道。

固态锂离子电池:固态锂离子电池与液态锂离子电池工作原理相似,只是用锂、钠制成的玻璃化合物取代了电解液,从而大提升能量密度和安全性能,并且在批量生产后能有效降低生产成本。目前,固态电池还存在离子导电率低导致不能快充、固体电解质界面接触性差导致电池内阻大、产业链不健全导致生产成本居高不下等关键问题有待业界解决。

金属空气电池:金属空气电池是一种特殊的燃料电池,被称为是“面向21世纪的绿色能源”。按负极使用的金属来分,常见且实用的金属空气电池包括:锌空气电池、铝空气电池、铁空气电池、镁空气电池、锂空气电池。

锌空气电池具有容量大、比能量高、成本低、放电性能稳定等优点,但放电电流密度偏低,且使用贵金属作为催化剂,一定程度上阻碍了锌空气电池的市场化。

铝空气电池是一种很有应用前途的电池,它具有比能量高、比功率中等、无毒害气体产生、原材料丰富等优点,但铝氧化膜破坏易导致产生大量氢气,且铝电极需要不断更换,这些问题限制了铝空气电池的发展。

铁空气电池具有价格低、污染少、原材料资源丰富等优点,但电极易形成钝化膜导致寿命缩短、充电效率低等缺点。

镁空气电池具有比能量高、使用安全方便、原材料资源丰富、成本低、适用温度范围宽、污染少等优点,但镁溶解速度太快产生大量氢气,导致镁的自腐蚀速度加大。

锂空气电池比锂离子电池具有更高的能量密度,成本低约40%,3V标准电压平台。实际应用中也存在一些问题,如锂性质活泼,易发生腐蚀和自放电现象,影响电池寿命;需要有效的电极催化剂;锂价格高,一定程度限制了发展。

总之,储能市场需要的是高效率、高安全、低成本、适配度高的电池产品,目前暂时没有一款能够完全适配规模储能需求的电池产品,即使是目前市场占有率超过90%的锂离子电池,依然存在成本高、安全隐患、锂资源有限等问题,储电成本高导致很难建立起合理的赢利模式;液态金属电池、固态锂离子电池、金属空气电池尚需关键技术突破,短期内还不具备市场化条件;钠离子电池、铅炭电池、液流电池是比较理想的备选对象,目前也都有示范项目在运行中,如能进一步针对大规模储能需求解决关键技术问题及降低储电成本,有望在万亿储能市场抢占一席之地。

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