在強大的社會發(fā)展需求和巨大的潛在市場推動下，基于新概念、新材料和新技術(shù)的儲能新體系不斷涌現(xiàn)。儲能技術(shù)正向大規(guī)模、高效率、長壽命、低成本、無污染的方向發(fā)展。

一、儲能技術(shù)的分類及發(fā)展趨勢

到目前為止，針對不同的范疇、不同的需求，人們已提出和開發(fā)了多種儲能技術(shù)來滿足使用。全球儲能技術(shù)緊要有物理儲能、化學(xué)儲能(如鈉硫電池、全釩液流電池、鉛酸蓄電池、鋰離子電池、超級電容器等)、電磁儲能和相變儲能等幾類。

1.物理儲能

物理儲能技術(shù)緊要有抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能等。相比化學(xué)儲能來說，物理儲能更加環(huán)保、綠色，利用天然的資源來實現(xiàn)。抽水蓄能電站(PSH,PumpedStorageHydroelectricity)是通過配備上、下游兩個水庫，負(fù)荷低谷時設(shè)備工作在電動機狀態(tài)，將下游水庫的水抽到上游水庫保存，而負(fù)荷高峰時設(shè)備工作于發(fā)電機的狀態(tài)，利用儲存在上游水庫中的水發(fā)電。由于技術(shù)成熟，抽水儲能電站已成為電力系統(tǒng)中使用最為廣泛的儲能技術(shù)，目前我國在建的抽水蓄能電站裝機約11400MW，預(yù)計至2010年底抽水蓄能電站的總裝機可到17500MW左右。

壓縮空氣蓄能電站(CAES,CompressedAirEnergyStorage)是一種調(diào)峰用燃?xì)廨啓C發(fā)電廠，緊要利用電網(wǎng)負(fù)荷低谷時的剩余電力壓縮空氣，并將其儲藏在典型儲氣壓力為7.5MPa的高壓密封設(shè)施內(nèi)，在用電高峰釋放出來驅(qū)動燃?xì)廨啓C發(fā)電。世界上第一個商業(yè)化CAES電站是1978年在德國建造的Huntdorf電站，裝機容量為290MW，換能效率77%，運行至今，累計啟動超過7000次，緊要用于熱備用和平滑負(fù)荷。和抽水蓄能電站相比，CAES電站選址靈活，它不需建造地面水庫，地形條件容易滿足，目前壓縮空氣蓄能電站已經(jīng)在一些發(fā)達(dá)國家得到廣泛使用。

飛輪儲能(FW,FlyWheels)，是通過機械能和電能的相互轉(zhuǎn)化來實現(xiàn)充放電。它是以高速旋轉(zhuǎn)的飛輪鐵芯作為機械能量儲存的介質(zhì)，利用電動/發(fā)電機和能量轉(zhuǎn)換控制系統(tǒng)來控制能量的輸入和輸出。飛輪儲能對制作飛輪的原材料和技術(shù)要求很高，直到20世紀(jì)90年代才得以飛速發(fā)展，用于不間斷電源(UPS)/應(yīng)急電源(EPS)、電網(wǎng)調(diào)峰和頻率控制等范疇。我國在這方面的研究才剛剛起步。

物理儲能如抽水蓄能、壓縮空氣儲能具有規(guī)模大、循環(huán)壽命長和運行費用低等優(yōu)勢，但是要特殊的地理條件和場地，建設(shè)的局限性較大，且一次性投資費用較高，不適合較小功率的離網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。從發(fā)展水平及實用角度來看，化學(xué)儲能比物理儲能具有更廣闊的使用前景。

2.化學(xué)儲能鋰離子電池儲能是目前最可行的技術(shù)路線

鉛酸蓄電池是最老的也是最成熟的化學(xué)儲能辦法，已有100多年的歷史，廣泛用于汽車啟動電源、電動自行車或摩托車動力電源、備用電源和照明電源等。鉛酸蓄電池電極緊要由鉛及其氧化物制成，電解液是硫酸溶液。充電時，正極緊要成分為二氧化鉛，負(fù)極緊要成分為鉛;放電時，正負(fù)極的緊要成分均為硫酸鉛。鉛酸蓄電池可靠性好、原材料易得、價格便宜，但是其最佳充電電流為0.1C左右，充電電流不能大于0.3C，放電電流一般要求在0.05～3C之間，很難滿足功率和容量同時兼顧的大規(guī)模蓄電要求。同時，鉛酸蓄電池不可深度充放電，100%放電條件下對電池的壽命影響非常大(滿充放電條件下電池的循環(huán)壽命不足300次)，并且充電末期水會分析為氫氣、氧氣體析出，需常常加酸、加水，維護工作繁重，因此不適合在智能電網(wǎng)范疇使用。

目前可以使用于智能電網(wǎng)范疇的化學(xué)電源緊要有鈉硫電池、液流電池和鋰離子電池。

鈉硫電池(NaS)是美國福特(Ford)公司于1967年首先發(fā)明公布的，它以金屬鈉為負(fù)極，硫為正極，陶瓷管為電解質(zhì)隔膜。在一定的工作溫度下，鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生可逆反應(yīng)，形成能量的釋放和儲存。鈉硫電池比能量高(理論比能量高達(dá)760Wh/kg)、可大電流充放電、使用壽命長(10～15年)，是目前較經(jīng)濟實用的儲能辦法之一，緊要使用目標(biāo)是電站負(fù)荷調(diào)平、UPS應(yīng)急電源及瞬間補償電源等范疇。目前鈉硫電池技術(shù)領(lǐng)先的國家是日本，截至2007，日本年產(chǎn)鈉硫電池已超過100MW。2008年，日本二又風(fēng)力發(fā)電站導(dǎo)入了NGK公司的17臺鈉硫電池系統(tǒng)，蓄電能力34MW，成功地抑制了最大功率為51MW的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備的功率變動，實現(xiàn)了計劃性地進行功率輸出，為實現(xiàn)風(fēng)電的并網(wǎng)發(fā)電供應(yīng)了基礎(chǔ)。2009年，我國上海硅酸鹽研究所成功研制了100kW級關(guān)鍵技術(shù)，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，所開發(fā)的鈉硫電池如圖3所示。但是鈉硫電池要高溫350℃熔解硫和鈉，要附加供熱設(shè)備來維持溫度，同時過度充電時很危險，因此在安全性和免維護性方面存在不足。

全釩液流電池的研究始于1984年澳大利亞新南威爾士大學(xué)的Skyllas-kazacos研究小組，它是一種基于金屬釩元素的氧化還原可再生燃料動力鋰電池儲能系統(tǒng)，其工作原理示意圖見圖4。液流電池采用質(zhì)子交換膜作為電池包的隔膜，電解質(zhì)溶液平行流過電極表面并發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，通過雙電極板收集和傳導(dǎo)電流使儲存在溶液中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能。液流儲能電池系統(tǒng)的額定功率和額定容量相互獨立，功率大小取決于電池堆，容量大小取決于電解液，可以通過新增電解液的量或提高電解質(zhì)的濃度來實現(xiàn)新增電池容量，通過更換電解液實現(xiàn)瞬間再充電。液流電池的理論保存期無限，儲存壽命長，無自放電，能100%深度放電而不會損壞電池。這些特點使得液流電池成為儲能技術(shù)的首選技術(shù)之一。目前液流儲能技術(shù)已在美國、德國、日本和英國等發(fā)達(dá)國家示范性使用，我國目前尚處于研究開發(fā)階段。全釩液流電池的難點在于通常使用的總釩離子濃度低于2mol/L，導(dǎo)致比能量惟有25～35Wh/kg，電解液儲槽大、較難管理，而且正極液中的五價釩在靜置或溫度高于45℃的情況下易析出五氧化二釩沉淀，影響電池的使用壽命。

相比較而言，鋰離子電池儲能則是目前儲能產(chǎn)品開發(fā)中最可行的技術(shù)路線。鋰離子電池具有能量密度大、自放電小、沒有記憶效應(yīng)、工作溫度范圍寬、可快速充放電、使用壽命長、沒有環(huán)境污染等優(yōu)勢，被稱為綠色電池。表1是鉛酸蓄電池、鈉硫電池、液流電池和以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池的比較，可以看出，鉛酸蓄電池的使用壽命較短，鈉硫電池的不足在于工作溫度較高，液流電池的能量密度較低，而以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池則顯示出綜合的性能優(yōu)點。圖5是以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子電池工作原理示意圖。

由于鈦酸鋰為零應(yīng)變材料，可以戒備由于電極材料的來回伸縮而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞，從而大幅度提高了鋰離子動力鋰離子電池的使用壽命;并且由于鈦酸鋰具有較高的工作電位，即使過充電也很難在負(fù)極上形成鋰枝晶，從而大大提高了鋰離子動力鋰離子電池的安全性。這些改進使得鋰離子動力鋰離子電池在儲能范疇的使用成為可能，目前以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子動力鋰離子電池儲能技術(shù)正成為國內(nèi)外競相開發(fā)的熱點。2008年，美國Altairnano公司開發(fā)出1MW鈦酸鋰儲能電池系統(tǒng)，經(jīng)試運行聲明可以輸出250kWh的能量，能量轉(zhuǎn)換效率大于90%。2010年，日本東芝(Toshiba)在年度經(jīng)營方針會上宣布將采用鈦酸鋰負(fù)極材料開發(fā)儲能用超級鋰離子電池(SCib)，憑借高功率SCib鈦酸鋰離子電池的成功商業(yè)化，預(yù)計東芝的SCib儲能電池將會很快面向市場。國內(nèi)中信國安盟固利動力科技有限公司經(jīng)過5年的技術(shù)開發(fā)，于2010年開發(fā)出了儲能范疇使用的35Ah電池。

該電池循環(huán)壽命已接近8000次，可以5C倍率充放電，安全性能優(yōu)異，目前該公司正在與合作單位共同開發(fā)兆瓦級儲能系統(tǒng)，預(yù)計該產(chǎn)品2011年可以面向市場銷售。

除了以鈦酸鋰為負(fù)極的鋰離子動力鋰離子電池可以使用在儲能范疇外，隨著磷酸鐵鋰正極材料的使用，傳統(tǒng)的碳負(fù)極鋰離子動力鋰離子電池的壽命和安全性也得到較大提高，也可使用于儲能范疇。2010年索尼推出了1.2kWh磷酸鐵鋰儲能電池模塊，具有最大2.5kW的輸出功率。但是目前磷酸鐵鋰離子電池還存在較嚴(yán)重的一致性問題，即使單體電池壽命可以達(dá)到2000次以上，電池成組后的壽命會大打折扣，并且磷酸鐵鋰材料的核心專利掌握在一些國際大公司手中，磷酸鐵鋰離子電池的加工將面對專利糾紛問題。因此，目前鋰離子儲能電池產(chǎn)品中采用鈦酸鋰鋰離子電池進行儲能應(yīng)當(dāng)是最可行的技術(shù)路線。

3.其它儲能技術(shù)

超導(dǎo)電磁儲能是把電能轉(zhuǎn)化為磁能儲存在超導(dǎo)線圈的磁場中，通過電磁相互轉(zhuǎn)換實現(xiàn)儲能裝置的充電和放電。由于超導(dǎo)狀態(tài)下線圈沒有電阻，因此超導(dǎo)儲能的能量損耗非常小。但由于超導(dǎo)狀態(tài)要求線圈處于極低溫度下才能實現(xiàn)，而低溫需耗費大量能源，且不易小型化，所以該項技術(shù)正處于研究開發(fā)階段。

相變儲能是利用某些物質(zhì)在特定溫度下，通過相變來吸收或釋放能量，如冰蓄冷、水蓄熱儲能，可以使用于中央空調(diào)等范疇，是一種新興的儲能技術(shù)。

二、儲能技術(shù)的將來方向鋰離子電池將成理想選擇

據(jù)我國可再生能源學(xué)會風(fēng)能專業(yè)委員會數(shù)據(jù)，2009年我國(不含省)累計風(fēng)電裝機容量25805.3MW。那么，按國電的研究計算，我國儲能行業(yè)就蘊藏著約5161～7742MW的市場。到2020年，我國風(fēng)電和太陽能裝機容量都將達(dá)到千萬千瓦級別，儲能電池的市場將達(dá)到700億元人民幣，儲能產(chǎn)品將成為將來最值得投資與資金最富集的市場范疇。

鋰離子電池是近10年高技術(shù)研究的最緊要成果之一，代表著化學(xué)電源發(fā)展的最先進水平。由于這一新體系兼具高比能量、長循環(huán)壽命以及環(huán)境友好等顯著優(yōu)點，現(xiàn)已成為各類先進便攜式電子產(chǎn)品的緊要配套電源，在移動場合具有絕對的優(yōu)點，目前鋰離子電池的全球年需求量已達(dá)13億只，擁有每年270億美元的銷售額，毫無疑問是充電電池市場的主導(dǎo)者之一。隨著鋰離子電池新材料的研發(fā)、電池制作技術(shù)的創(chuàng)新以及眾多科研機構(gòu)和公司的參與，鋰離子電池的性能正日益提高，電池成本日益降低，電池的安全性能也得到極大提高，鋰離子電池在電動汽車范疇正逐步顯示出使用優(yōu)點。日本富士經(jīng)濟認(rèn)為，鋰離子電池將在2011年開始逐步取代鎳氫電池，鋰離子電池作為將來的主流技術(shù)路線不容置疑。隨著納米鈦酸鋰、納米磷酸鐵鋰等新材料的開發(fā)與使用，鋰離子電池將成為清潔交通、光伏儲能等一系列重大高技術(shù)使用的理想選擇，目前我國國家電網(wǎng)公司正在積極開展10MW級鋰離子電池儲能系統(tǒng)的實驗項目，這將引發(fā)相關(guān)制造設(shè)備和廠房的新一輪投資，同時，眾多新進入鋰離子動力鋰離子電池及材料的廠商將使相關(guān)范疇的技術(shù)競爭更趨猛烈，大容量鋰離子電池儲能電站將此基礎(chǔ)上逐漸興起。