锂电池技术在储能领域的应用与发展趋势研究

李海杰

（河南省法恩莱特新能源科技有限公司，河南 焦作 454150）

锂电池是我国重要的储能设备，被广泛应用于各个领域中，该电池由于应用技术成熟，具有较大的发展空间。为了实现绿色生产，合理回收绿色电能，提高储电设备使用效率，储能设备公司要加强储能设备的研究，实现设备升级。相关企业要加强对相关技术的研究，同时规范原有使用技术，进而提升锂电池使用效率，推动储能技术的进步。

1 储能行业最新政策

储能是一种新型的电力系统，以新能源为主，它是保证国家能源安全的重要技术与设备的重要支撑。为实现碳达峰、碳中和、占领国际战略新高地，提供了有力的支持。现已成为我国国民经济和社会发展的战略性、基础性和先导性的工业。《“十四五”新型储能发展实施方案》（以下简称《方案》，标志着一个新的行业正在蓬勃发展。

《方案》着重论述了“十四五”期间发展新型储能的指导方针和基本原则，确定了发展的主要目标和工作重点。这是“十四五”期间促进新型储能产业高品质发展的指导意见，同时，也为新型储能产业的创新示范、完善产业结构提供了有力的参考，为产业创新和可持续发展提供了指导。

《方案》对我国储能行业“技术水平和装机规模稳定提高、应用领域和业务方式逐步扩大、制度和市场机制逐步健全”的情况进行了归纳。并认为“十四五”是我国新型储能产业规模化发展的重要阶段，迫切需要尽快构建符合我国国情的市场化、可持续发展的新型储能产业体系。比如，把新型储能与电力系统、新能源等的发展要求相结合，制定长期稳定的激励措施，拓宽新型储能业务模式，推动市场的发展；强化对储能项目的技术指导，强化新型储能的安全管理，改善储能的品质控制等薄弱环节，并在今后五年里弥补不足，努力取得新的突破。

“十三五”期间，我国的新型储能产业正处于从研究和试验到商业化的初级阶段，在技术设备的研究与开发、示范项目的建设、商业模式的探索以及政策体系的建立等方面已有重大的进步，市场应用的范围稳定增长，为能源结构转变提供了有力的支持。2020年年末，我国新型储能共装机约330万千瓦，居全球首位。

从整体上讲，我国储能行业的发展状况已经趋于完善，但是，在商业化运行方面还存在诸多问题，电化学储能的安全性、商业模式尚处在摸索与试验的过程中。因此，《方案》建议到2025年，全国新型储能总装机量将超过3000万千瓦；电化学储能技术的性能得到了极大地提高，同时，也使整个体系的运行费用下降了30%;基于传统电源的新型储能技术，如梯级电站储能、火电和核电抽汽储能等，已在工程上得到了广泛的应用；百兆瓦压缩空气储能、兆瓦级的飞轮储能等技术逐渐趋于完善；在长时间尺度储能技术方面，如氢储能、热（冷）储能等获取突破。

2 电力系统与储能设备

今后的电力系统必须具有供需的灵活性，能够适应大规模的可再生能源接入，能够解决能源生产、储存、输送和消耗过程中的智能化控制。在发、输、配、用四个方面，储能电源发挥着关键的作用。因此，必须持续推动储能技术与市场的多元化发展，提高能源品质，确保供求均衡，减少能源消耗，让消费者真正体会到其经济、安全的价值。

2.1 发电侧的储能系统需求

当电网断电后，火电机组不能正常运行，储能系统可以起到辅助供电的作用。通常只需要1～10MW，就可以连续供电2～3h。可再生能源如风光发电，由于其时断时续、不稳定等特点，极易对电力系统产生影响，无法充分地适应电力系统的调度需要，因此，电力系统中出现了大量的弃用。采用这种储能系统，可以使电力系统在发电侧和电网得到充分的平衡，提高了风、光等可再生能源的利用率。也可以在可再生能源电站中提供后备电力。

2.2 输电侧的储能系统需求

由于电力系统的动态变化以及负荷周期的变化，使得储能系统必须对电网的频率、电压、频率保持稳定作出反应。调频储能系统通常具有1MW或更大的装机容量，充、放时间为1～15min，周期为20～40次/天，响应时间为1min以内。而调峰一般具有10MW或更大的装机容量，充、放时间为2～4h，每天1次，响应时间为1h以内。

2.3 配电侧的储能系统需求

在配电网络中，当配电网络出现问题时，其储能系统将继续提供给客户，此外，采用可调节负荷和控制供电方式实现配电网络的供电质量，解决了电压波动、谐波等问题。为了改善配电网络的可靠度，采用10MW或更多的能量存储方式，充放电的持续时间为0.5～2h，响应时间为10min以内，提高电力质量的储能系统具有很大的装机容量，视实际需要而定，一般在1～40MW以内，充放电时间为1～60s，周期为10～100次/天，响应时间在毫秒级。

2.4 用电侧的储能系统需求

在需求侧管理的持续改进下，储能系统不仅可以减少小用户的负荷峰谷差，而且还可以极大地解决目前电网容量不足的问题。在用户端方面，存在着多种不同的应用领域，比如，削峰填谷、高峰电力的补充，以及紧急情况下的紧急电力供应。该储能系统可以按使用者的用电量和负荷特性来设计，其容量可以在连续高峰时供电2h，在低谷时段为8～10h，充放电周期为1次/天。

3 锂电池技术应用现状

当前，国内研究锂电池主要从三个技术方面开展，即钛酸型锂电池、三元体型锂电池和磷酸铁型锂体系三个研究路线。在储能研究方面主要考虑电池的投资回报，而当前阶段市场中还有很大一部分铅蓄电池。据中关村CNESA统计，截至2016年，我国化学储能设备总计243MW，其中大部分电池以铅和锂离子技术为主，锂电池装机比例为6成。

比能量参数方面，磷酸铁型锂电池可以达到140瓦时每千克以上，常温充放电条件下使用寿命达到3000次以上，自放电相对较小，无记忆效应，可支持快速充电和放电，以调节波峰波谷运行模式为主，使用时间可达到10～15年，该电池的使用特点能够应对大部分使用需求。2017年第二季度我国增加电化学设备21.1MW，锂电池所占比例已经达到88%，说明该电池在市场已经被大多数使用者认可。

三元体型锂电池比能量较其他锂电池高，但是，非常受循环技术和安全技术的限制。该类电池如果受到较大力的冲击，集中在一点的冲击以及过充或者短路问题时，其内部温度能够快速达到200～300℃，极易导致正极部分内部反应引起电池整体膨胀甚至爆炸。一旦发生问题，电池很难保持可控状态。储能技术和新能源车的不同在于系统所占空间较大，对质量比的敏感程度低，相对来说，储能设备能量较大，在使用中要时刻关注其安全性，如果出现起火、爆炸等情况，可能会危害周边人员生命健康以及各类财产安全，所以使用该锂电池的企业多数停留在理论阶段或在理想环境中使用，并要对电池状态进行实时监控。

钛酸型锂电池的比能量数值没有其他两种类型的锂电池高，但是，该电池在低温环境中性能十分优异，大倍率条件下充放次数可达到上万次。许多企业将该技术作为主要研究路线，该电池在国内东北地区公共交通车辆中广泛应用。在储能应用时，该电池电压平台为1.5V，要达到与PCS直流段相匹配，需要增加电池串联数量，由于电池一致性效果较差，致使管理系统相对较大，需要做好控制策略。此外，还要在保证使用寿命的前提下，通过压低高倍率性能达到控制成本的目的，发挥电池低温高效使用的特点，这方面的发展目前在储能技术中占据不可替代的地位。储蓄电池经过多年的发展与进步，技术成熟性不断提升，在电池种类不断增加的前提下，相关技术水准也在不断提升。传统铅炭电池在不断发展中，循环能力已经得到了极大地提升，但是，成果多为试验条件下得出的，实际应用较少。同时，为了创造绿色发展道路，国内铅及相关产品的产量也在不断下降。同时，随着锂电池技术和生产能力的发展，价格优势逐渐凸显，尤其是磷酸铁型锂电池，具有较大的价格优势，在不断发展后，可能会取代传统铅电池在市场中的地位。

4 工业储能电源系统集成技术发展趋势

工业储能形式的电源存储产品大多是通过集装箱装载的，在使用过程中，需要结合实际使用需求，选择合理的电池组以及能量管理系统。其关键技术的发展趋势如下。

（1）从模块形式的电池向包式方向转变，进而提升单独电池箱在体积不变的情况下的能量存储量。固定式存储方式通常使用功能模块形式的设计，单个电池箱能量存储可达1MW。上海某电源技术公司通过研究和创新，设计出了高密度集成技术，能够承载1MW时的储电系统，利用引入包层级，在一定程度上减少了绝缘、地址防护、系统稳定性、高压直流电使用安全等各类问题，有效降低了线束外场工作产生的风险，降低了工作量。同时，利用插拔设计，完美避免了电池安装中工艺方面的问题，使之便于维护。

（2）从固定式朝着移动式方向发展。随着技术的成熟，储能设备的使用变得越来越广，已经不限于电力服务工作和调整用电波峰、波谷等固定使用场景，逐渐被应用于民用防灾工作，石油开采工作，机场应用等方面。随着移动式储电设备的发展，将会应用到更多应用场景中，能够代替多数柴油发电应用状况，发展绿色海港、绿色机场等目标。

（3）市场对热插拔，浮充供电以及较大电流平稳技术的需求日益凸显。近年来，储能设备相关领域发展良好的情况下，可以看出其发展势头良好，使用该技术，能够确保在工作中用长期稳定地运行系统，获得持续性收益。热插拔技术是在系统正常运行的情况下，对模组或是连接器进行插拔操作。

浮充供电是通过特殊的电池化学设计，促进其在特别的电压力下开展充电工作，继而实现自动且均衡的保护效果，能够在多数情况下避免电池出现自放电、充电深度增加的情况，是保证电池长期稳定使用的有效方法，能够提升电池的使用周期。通常情况下，动力电池中均衡电流是运行单位为毫安陪，系统需要10A甚至更强的电流加快实现均衡速度。

5 储能电源系统产业发展要素

5.1 安全性

电网工作开展中应用的储能设备在理论上较电动汽车的储能设备更加安全，但仍要使用成本极高的配套设备使其处于安全的使用环境中。此外，电池电源属于直流形式，对安全性的要求较高。

5.2 经济性

电池使用时间在一定程度上与成本成正比例关系，当前，电池能量转化能力和管理技术已经相对成熟，在成本压缩方面具有较大的发展空间，如果能够提高系统集成性，能够获得较多的利润。

5.3 便捷性

能量储存在使用中最好做到即插即用，要将发展重点放在分布式系统建设方向，以方便使用人员将其融合进市场中使用的电力系统，同时，还要兼顾用户的满意程度。

6 结语

电力企业在开展储能设备应用中，要充分发挥设备作用，结合锂电池应用现状以及工业储能电源系统集成技术发展趋势，加强对相关技术的研究，结合发展要素，提高储能电源的安全性、经济性和便捷性。