水炮泥
“洁能+储能+智能”是能源互联⽹的发展⽅向，未来清洁能源和智慧能源的发展离不开储能的环节。2017年是中国储能元年，《关于促进储能技术与产业发展指导意见》的出台，标志着储能春天的来临。尽管初春的⽓候乍暖还寒，但储能产业已经开始萌芽、开花。储能项⽬尤其是储能电池项⽬，在发电侧、电⽹侧、⽤户侧、微电⽹、通信储能、应急电源等领域，⽬前正如⾬后春笋般地快速涌现，储能的春天已经到来。
储能技术包括物理储能(抽⽔蓄能、压缩空⽓储能、飞轮储能、海⽔储能、超导储能)、化学储能(储氢、储碳)、电化学储能(电池储能、超级电容储能)和储热蓄冷等四⼤类型。在各类储能技术中，电池储能是发展最快、最受关注的储能技术⽅向。截⾄2017年底，全球电池储能项⽬总计投运1210.3 MW，累计规模⾸次步⼊GW时代。
⼀、储能电池应⽤场景
(1)可再⽣能源并⽹
可再⽣能源发电的间隙性和易变性，以及渗透率的不断提⾼，对现有电⽹系统的正常运⾏和调度提出了严峻的挑战。近年来，为了尽可能利⽤更多的可再⽣能源和提⾼电⽹运⾏的可靠性和效率，各种储能技
术研究及⼯程⽰范项⽬得以快速发展。⼤容量电池储能技术应⽤于风电、光伏发电，能够平滑功率输出波动，降低其对电⼒系统的冲击，提⾼电站的跟踪计划出⼒的能⼒，为可再⽣能源电站的建设和运⾏提供备⽤能源。
(2)电⽹辅助服务
电⽹辅助服务分为容量型和功率型服务，容量型服务如电⽹调峰、加载跟随和⿊启动等，储能规模需达到⼀定体量，⼀般1~500 MW之间，放电时间⼤于1⼩时；功率型服务如调频辅助和电压⽀持，需要电池在短时间内(分钟级别)有较⼤的功率或电压输出。储能电池技术在提⾼电⽹调频能⼒⽅⾯，可以减⼩因频繁切换⽽造成传统调频电源的损耗；在提升电⽹调峰能⼒⽅⾯，根据电源和负荷的变化情况，储能系统可以及时可靠地响应调度指令，并根据指令改变其出⼒⽔平。
(3)电⽹输配
储能电池系统可以改善配电质量和可靠性。当配⽹出现故障时，可以作为备⽤电源持续为⽤户供电；在改善电能质量⽅⾯，作为系统可控电源对配电⽹的电能质量进⾏治理，消除电压暂降、谐波等问题，同时降低主⼲⽹络扩容投⼊，节约扩容资⾦。
(4)分布式及微⽹
薄膜线路
微电⽹系统要求配备储能装置，并要求储能装置能够做到以下⼏点：1)在离⽹且分布式电源⽆法供电的情况下提供短时不间断供电;2)能够满⾜微⽹调峰需求;3)能够改善微⽹电能质量;4)能够完成微⽹系统⿊启动;5)平衡间歇性、波动性电源的输出，对电负荷和热负荷进⾏有效控制。储能电池系统具有动态吸收能量并适时释放的特点，作为微电⽹必要的能量缓冲环节，它可以改善电能质量、稳定组⽹运⾏、优化系统配置、保证微电⽹安全稳定运⾏。
(5)⽤户侧
⽤户侧储能主要包括⼯商业削峰填⾕及需求侧响应。电池结合电⼒电⼦技术能够为⽤户提供可靠的电源，改善电能质量；并利⽤峰⾕电价的差价，为⽤户节省开⽀。
(6)电动汽车VEG模式的供能系统
新能源汽车产业的发展必须与储能产业协同发展。为了满⾜未来电动汽车安全快充的需求，有必要建⽴类似加油站的分布式能量站，能量站安装有低成本、长寿命的兆⽡级储能电池，可从电⽹充电储存电量后，给电动汽车快速充电；同时，能量站还能够与电⽹互动，⽤于电⼒调峰或调频。
⼆、储能电池的类型
储能应⽤场景的复杂性决定了储能电池技术的多元化发展⽅向。针对特定场景选择合适的储能电池技
术进⾏应⽤将是未
储能应⽤场景的复杂性决定了储能电池技术的多元化发展⽅向。针对特定场景选择合适的储能电池技术进⾏应⽤将是未来很长时间内储能市场的主旋律，未来新型储能电池技术的研发⽅向也应遵循这⼀规律，针对特定场景放⼤其优点以获得未来商业化应⽤的可能。智能控制模块
表征储能电池的性能有许多特征参数，其中最为重要的是电池的功率特性和容量特性。因此，可以根据不同储能应⽤场景对于电池功率容量⽐值(W：Wh，简称C)的不同要求，⼤致将储能电池分为三种类型：容量型(≤0.5C)、能量型(≈1C)和功率型(≥2C)。⽐值越⼤，代表电池的功率密度越⾼，但容量密度会低⼀些，单位容量的价格会更⾼些。
信息配线箱例如，电⼒调峰、离⽹型光伏储能或⽤户侧的峰⾕价差储能，⼀般需要储能电池连续充电或连续放电两个⼩时以上，因此适合容量型电池的应⽤；对于电⼒调频或平滑可再⽣能源波动的储能场景，则需要储能电池在秒级⾄分钟级的时间段快速充放电，所以⽐较适合功率型电池的应⽤;⽽在⼀些同时需要承担调频和调峰的应⽤场景，能量型电池会更适合些，当然，这种场景下也可以将功率型与容量型电池配合⼀起使⽤。
在⽬前各类储能电池中，液流电池和锂浆料电池属于典型的容量型电池，锂离⼦电池中的钛酸锂电池则是⼀类典型的功率型电池，这是由上述电池的本质属性决定的，难以改变。其它种类的电池，可以
通过更改电池材料和⼯艺，进⾏某种程度的属性调整，以适应不同的储能应⽤场景。
三、储能电池的技术内涵
未来针对电⼒调峰储能的⼤容量电池和电⼒调频储能的⼤功率电池还有待技术的创新突破。储能电池技术内容主要包括六个⽅⾯：材料技术、结构技术、制造技术、应⽤技术、修复技术和回收技术。
(1)材料技术
电池核⼼材料包括正极材料、负极材料和电解质材料，附属材料还包括隔膜、集流体和电池壳体材料等。在过去的三⼗年⾥，锂离⼦电池材料的研发主要集中在提升材料的能量密度、循环寿命和安全性能，开发低成本的材料制备技术；液流电池材料的研发主要集中在电解液和隔膜材料的改性。2006年铅酸电池领域开始了负极铅膏中碳材料添加剂的选择与改性，以发展储能⽤长寿命铅炭电池。
纵观储能电池技术的研究历史，虽然材料的进步能够带来电池性能的显著改善，但能够有实际效果的材料创新进程其实⾮常缓慢。尤其是实验室论⽂报道的材料性能，并不等同于实际电池的性能，两者之间往往有相当的差距。因此电池材料虽然很关键，但并不是电池技术研究的全部。⽬前储能领域技术⼯程类项⽬的⽴项过于看重了实验室的材料论⽂研究⼯作，忽视了与实际应⽤场景的对接，造成了科研⼯作与产业发展需求之间较⼤的脱节，应予以⾜够重视。
(2)结构技术
并⾮所有的电池都可以称为储能电池，系统功率在1KW量级以上的，可以称为储能电池；系统功率≥1MW，⽤于储能电站的电池称为电⼒储能电池。
储能电池结构技术包括电池单体内部结构技术和外部系统结构技术。与⼩型的消费类电⼦产品⽤电池不同，储能电池的结构更为复杂，具有系统串并联的要求和⼤功率⼤容量的特点。
现有储能和动⼒锂电池是由⼿机电池等微⼩型锂离⼦电池发展⽽来的，⽆论是圆柱型还是⽅型电池，从内部结构来看，所有类型的锂电池内部采⽤的都是粘接的薄膜电极结构，这给储能⽤锂电池性能⼀致性的设计带来了根本性的结构难题。另外，当电池报废回收时，只能把粘接电极全部粉碎，内部破碎的铝箔、铜箔材料以及Co、Li元素等需要重新⽤冶⾦⽅式回收，导致回收成本⾼，并存在酸碱废液污染处理的风险。因此，储能⽤锂电池的结构设计有必要借鉴融合铅酸电池、液流电池等⼤型电池的结构思路，由容易出问题的“娇⼩富贵”转变为安全可靠的“傻⼤笨粗”，从⽽适合⼤电流⼤功率的储能应⽤场景。
未来⼤型储能电池的研发还需要考虑电池内部结构与外部结构的融合设计。对于电⼒储能⽽⾔，应⽤端客户关⼼的是系统成本、系统效率、系统寿命和系统安全性，⽽不关⼼单体电池的能量密度或单体电池的循环寿命。因此，作为电池技术研发端，应主动考虑单体内部与系统外部结构的创新融合，通电视升降机
过内部结构的颠覆设计，减轻外部系统⾯临的成本和安全性压⼒。这将是未来储能电池结构技术研究的⼀个重要⽅向。
(3)制造技术
储能电池制造技术与电池结构设计密切相关。储能电池系统的串并联特性要求电池必须具备较好的⼀致性，因此⽣产⼯艺的智能管控尤为重要。如何⽤低成本的装备和⼯艺制造⾼性能的储能电池?这是⼀个⽭盾问题，也是⽬前储能电池制造技术开发的关键问题。
造技术开发的关键问题。
现有的锂离⼦电池⽣产⼯艺是从过去磁带制造⼯艺过渡⽽来的，以适应电池薄膜涂覆极⽚的精度要求，加之电池产品型号五花⼋门，缺乏规范，导致了电池⽣产过程的材料利⽤率低、产品合格率低、设备运转率低、制造成本⾼。因此，未来需要结合电池结构的颠覆设计，从根本上降低储能电池⽣产⼯艺的复杂度和⽣产设备的参数要求，同时推进⼤数据、物联⽹技术与储能电池⽣产设备和制造⼯艺的融合发展，通过智能制造升级，规范制造⼯艺标准，严格控制产品质量，提⾼产品终检效率，降低储能电池的制造成本。
(4)应⽤技术
储能电池应⽤技术主要指BMS、PCS和EMS。BMS(电池管理系统)是电池本体与应⽤端之间的纽带，主要对象是⼆次电池，⽬的是提⾼电池的利⽤率，防⽌电池出现过度充电和过度放电。PCS(电池储能系统能量控制装置)是与储能电池组配套，连接于电池组与电⽹之间，把电⽹电能存⼊电池组或将电池组能量回馈到电⽹的系统。EMS(能量管理系统)是现代电⽹调度⾃动化系统总称，包括：计算机、操作系统和EMS⽀撑系统、数据采集与监视、⾃动发电控制与计划、⽹络应⽤分析。
⽬前很多储能⽰范项⽬的落地是由电池⽣产供应商与电⽹公司直接对接，并且缺乏责任认定标准和应⽤技术标准，这给后期的系统运维和可能的事故认定带来难题。未来应该会出现以应⽤技术开发为核⼼的独⽴的储能电池系统应⽤服务商，负责储能系统的设计规划、租赁运维和报废回收，并与保险公司合作，承诺负责系统的使⽤寿命和运⾏安全。
(5)修复技术
储能电池的修复技术包括电池系统的电⽓维修技术和在线再⽣技术。前者包括环境腐蚀修护、电⽓绝缘⽼化检测、电连接检测、温度压⼒传感维护和电池巡检技术等，后者是针对新型储能锂电池提出的新的技术⽅向。因为理论上讲，除了电池活性颗粒内部晶格紊乱问题以及集流体的腐蚀脱落问题，储能锂电池的其它界⾯问题都有可能通过在线再⽣的⽅式进⾏维护延寿。当电池使⽤⼀段时间后，可以通过正负极材料表⾯SEI膜原位修复、电解液的补充和更换等⽅式对电池性能进⾏再“激活”，延长储能
锂电池的实际⽇历使⽤寿命。例如，锂浆料电池的浆料厚电极形态赋予了其在使⽤期进⾏在线再⽣的可能性。
(6)回收技术
任何电池都有使⽤寿命的期限。消费类⼩型电池⽬前国内的使⽤总量有⼏亿只，且⼤多数体积较⼩，废电池利⽤价值较低，加上使⽤分散，绝⼤部分被当作⽣活垃圾处理，存在污染隐患。报废后的储能电池不可能像消费类⼩型电池⼀样丢弃于环境中，必须做回收再⽣处理。
储能电池的回收技术包括废旧电池的更换处理技术、安全运输技术、回收处理技术和资源再利⽤技术。⽬前，铅酸电池的回收再⽣技术⽐较成熟，但存在不规范回收环节的污染风险。锂电池的回收流程和技术还不成熟，需要与材料技术和结构技术相结合，发展⽅便回收再⽣的新型储能电池技术，在产品设计⽅⾯加以创新改进，从⽣产端提前考虑电池回收处理的环节，以实现储能锂电池产业的资源可持续发展，这⼀点具有重要的战略意义。冷却塔平衡管
四、储能电池技术发展⽬标
储能的春天已经来临，但产业蓬勃发展的夏季还远未到来，各类储能技术已经开展商业或⽰范应⽤，在应⽤中展现了储能的优势，也逐渐暴露了⼀些问题，尤其是电池储能技术，距离“低成本、长寿命、⾼安全、易回收”的发展⽬标还有很长的路要⾛，有待创新与突破。
(1)低成本
狭义的储能电池成本仅包括⼀次(采购)成本，⼴义的储能电池成本还包括⼆次(使⽤)成本和三次(回收)成本。
其中，⼀次成本包括电池的材料成本和⽣产制造成本。在材料成本下降空间有限的情况下，通过电池结构技术的颠覆设计，简化电池⽣产⼯艺，降低制造成本和⼈⼒成本，将会是新型储能电池重要的降成本⽅向。
⼆次成本与电池使⽤寿命息息相关。需要结合材料技术和结构技术，发展新型修复再⽣技术，提升电池使⽤寿命，降低容量型电池的度电成本和功率型电池的频次成本。
三次成本主要指电池的回收成本。⽬前储能电池的回收再⽣环节若要做到完全符合环保标准的要求，成本还是⾮常⾼的，需要有创新的回收再⽣思路，降低电池的三次成本。
的，需要有创新的回收再⽣思路，降低电池的三次成本。
储能电池技术成本降低可以分为以下四个⽬标阶段。当前⽬标：开发⾮调峰功能的储能电池技术和市场，例如调频储能电池和移动储能电池；短期(5-10年)⽬标：低于峰⾕电价差的度电成本；中期(10-20年)⽬标：低于⽕电调峰和调度的成本；长期(20-30年)⽬标：低于同时期风光发电的度电成本。
电池储能辅助AGC调频会先于调峰储能发展起来。未来只有当储能电池应⽤成本低于⽕电调峰成本后，储能电池系统才可能作为重要补充得以规模发展，并纳⼊到电⽹的调峰调度系统。
(2)长寿命
⼀般来说，对于消费类⼩型电池(如⼿机电池)，3⾄5年的使⽤寿命⾜以满⾜电⼦产品的寿命要求，但⽬前还是希望电池单次充电后的待机时间能够更长⼀些，因此对于电池的能量密度有着更⾼的直接的需求。然⽽对于电⼒储能电池，基本上都要求⼗年乃⾄⼆⼗年以上的⽇历使⽤寿命。因此，提升储能电池的⽇历使⽤寿命尤其重要。
电池循环次数寿命是⽇历使⽤寿命的基础，但并不等同于电池的实际⽇历使⽤寿命。因为从热⼒学⾓度来说，电池系统是⼀个⾼度⾮平衡的化学体系，在漫长的循环使⽤岁⽉中，还存在不可逆的体相和界⾯的化学变化，导致电池内阻的增加和容量的衰减。⽬前，还缺乏合适的加速⽼化实验标准能够对应电池实际的⽇历衰减变化。未来除了需要建⽴相关测试标准以外，还需要开发创新的在线修复再⽣技术，提升储能电池的⽇历使⽤寿命，满⾜实际储能的⼯况要求。
(3)⾼安全
储能电池的安全性⾮常重要。相对⽽⾔，⽔系电池如液流电池、铅酸电池等安全性较好，能够满⾜储
能电站的安全性要求，但也需要严格控制电池的充电截⽌电压，以防⽌⽔溶液过压电解后的析氢爆炸；有机系锂离⼦电池的安全性问题较为突出，⽬前总体⽽⾔处于安全及格线上下的⽔平，有待技术突破；固态电池不含易燃的电解液，因此具有最⾼的安全性，在未来实现量产后有可能会⾸先应⽤到⾼安全要求的某些特殊场景。当然，固态电池要规模应⽤于电⼒储能，在降本增寿⽅⾯还有相当的困难需要克服。另外，固态电池的回收处理也是⼀⼤难题。
避免电池(内部或外部)短路的安全预防技术以及在电池短路发⽣后的应急维护技术是储能电池安全技术发展的重要⽅向。仅仅通过外部灭⽕装置进⾏储能锂电池的安全保护，是远远不够的，未来必须开发颠覆性的电池结构技术和安全维护技术，从电池内部彻底解决电池的安全问题，确保储能电池的安全运输和储能电站的安全运⾏。
(4)易回收
资源的循环再⽣利⽤将是储能电池未来规模应⽤⾯临的最⼤挑战。储能电池要达到易回收的⽬标有三点基本要求：1、电池回收过程符合安全和环保标准;2、稀有贵⾦属元素做到接近100%的再⽣利⽤;3、电池有⼀定回收残值。
现在⽰范应⽤的储能锂电池系统基本上没有考虑到未来电池报废后的回收处理环节。更为严重的是，⽬前电池界⼴泛存在⼀种错误的观念，认为报废锂电池富含各类有价值的贵⾦属，因此根本不⽤担⼼
回收处理的问题。
本⽂作者了解到的实际情况是，报废电池的“价值”与“环保”之间存在较为严重的冲突和⽭盾，现有储能锂电池的材料体系选择和电池结构设计，使得完全符合环保要求的有价值的回收处理⼯作⾮常困难。因此，有必要开展细致的储能电池全产业链污染分析和环保评估，引导储能电池技术创新的环保发展⽅向，以促进产业的健康可持续发展。
五、结语
“可再⽣能源+储能”是新能源发展的必然选择，⽽储能应⽤场景的复杂性决定了储能电池技术的多元化发展⽅向。未来针对电⼒调峰储能的⼤容量电池和电⼒调频储能的⼤功率电池还有待技术的创新突破。储能电池包括六⼤技术内涵：材料技术、结构技术、制造技术、应⽤技术、修复技术和回收技术。其中，电池材料是基础，但不是储能电池技术研究的全部。建议以后基础探索类项⽬可以偏重于新材料的研究，⽽技术⼯程类项⽬则应注重其它⾮材料技术⽅⾯的⽴项突破，在已有商业及⽰范储能电站的经验基础上，围绕“低成本、长寿命、⾼安全、易回收”的总体⽬标，发展各类容量型峰⾕储能电池、功率型调频储能电池和能量型复合储能电池，与其它类型储能技术配合，⽀撑储能产业的快速发展。
⽂章摘⾃：《中华新能源》2018年第24期，作者：陈永翀研究员，中国科学院电⼯研究所储能技术研
究组组长。
