储能：定义、技术路线、技术指标与电化学储能详解

流程工业 2024-01-17

储能是指通过介质或设备把能量存储起来，在需要时再释放的过程。其通过灵活的充放电控制，实现产能和用能在时间和空间的匹配，是灵活性的依仗。

一、储能定义

储能是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备。能够为电网运行提供调峰、调频、备用、黑启动、需求响应支撑等多种服务，是提升传统电力系统灵活性、经济性和安全性的重要手段；储能能够显著提高风、光等可再生能源的消纳水平，支撑分布式电力及微网，是推动主体能源由化石能源向可再生能源更替的关键技术；储能能够促进能源生产消费开放共享和灵活交易、实现多能协同，是构建能源互联网，推动电力体制改革和促进能源新业态发展的核心基础。

（二）储能的技术路线

按照能量的储存方式，储能可分为机械储能、电磁储能、电化学储能、热储能、氢储能五类，其中机械储能主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能等；电磁储能主要包括超级电容器、超导磁储能；电化学储能主要包括锂离子电池、铅酸电池、液流电池、钠硫电池等。

按应用场景功能需求分为四大类：容量型储能技术、能量型储能技术、功率型储能技术以及备用型储能技术。一般容量型（≥4h）、能量型（约1～2h）、功率型（≤30min）和备用型（≥15min）四类。

储能技术类型丰富，适合场景各有侧重，以下为各种储能的技术参数：

表1 储能技术特点及适用场景

表2 2022年中国储能行业不同环节代表性企业

（三）储能的技术指标

储能技术指标主要包括能量密度、功率密度、充放电倍率、储能效率、循环寿命、响应时间等。

能量密度（Wh/kg)：指的是的单位重量的电池所储存的能量，1Wh等于3600焦耳（J)的能量。能量密度是由电池的材料特性决定的，比如普通铅酸电池的能量密度约为40Wh/kg。

功率密度（W/kg)：指的是单位重量的电池在放电时可以以何种速率进行能量输出。功率密度也是由材料的特性决定的，并且功率密度和能量密度没有直接关系，并不是说能量密度越高功率密度就越高，功率密度其实描述的是电池的倍率性能，即电池可以以多大的电流放电，功率密度对于电池开发以及电动车开发而言非常重要，如果功率密度高，则电动车在加速的时候就会非常快，普通的铅酸电池的功率密度一般只有几十～数百瓦特/千克，表明铅酸电池的高倍率放电性能较差，而锂离子电池目前的功率密度可以达到数千瓦特/千克。

充放电倍率：充放电倍率=充放电电流/额定容量，用“C”来表示电池充放电能力倍率，1C表示电池1h完全放电时电流强度。

储能效率：是指储能元件储存起来的电量与输入能量的比。

（四）电化学储能

1、定义及特点

电化学储能是一种通过锂离子电池、液流电池等方式将电能储存起来的一种新型储能方式，主要应用于分钟至小时级的作业场景。

在诸多储能技术中，电化学储能相对于其他储能形式在规模和场地上拥有较好的灵活性和适应性，同时在调度响应速度、控制精度、电力系统调频以及建设周期多方面具有比较的优势，有着不可替代的重要作用，具有更广阔的应用前景，在近两年全球储能市场发展势头强劲。

相比于机械储能、电磁储能、储氢、储热等其他储能技术，电化学储能技术的优势非常明显，其部署灵活，又被称为“平地上的抽水蓄能站”。

表3 电化学储能与其他储能形式对比

2、系统组成

电化学储能系统主要由电池模组，储能变流器（PCS），以及电池管理系统（BMS）和能量管理系统（EMS）组成。其中，电池模组负责储电；PCS是连接于电池系统与电网（或负荷）之间的实现电能双向转换的变流器；而BMS和EMS是储能系统的管理和控制中枢，BMS主要负责监测电池数据，保护电池安全；EMS主要通过数据采集、网络监控和能量调度来实现储能系统内部微电网的能量控制，保证微电网和整套系统正常运行。

在整套系统中，电池模组和PCS成本占比较高，BMS和EMS虽然硬件成本比重不高，可作为整套系统的管理和控制中枢，其性能和功能会直接影响整套系统的运行效率和稳定性，且具有一定的开发难度，所以仍旧是业内关注的重点。随着电化学储能系统装机量的不断提升，因项目不同、电池容量不同、冷却方式不同等差异导致BMS和EMS的需求变化将会越来越多，为此降低其开发难度变得非常关键。

投资分析1

在储能赛道的布局上可遵循从价值量环节出发，寻找最为受益的环节：电池组在储能系统中成本占比最高，也是价值量最高的环节，变流器成本占比第二。从成本占比结构来看，电池组成本占比约60-70%；变流器成本占比10-20%，其他成本约占20-30%。除此以外，在高压场景下，对于熔断器、继电器等零部件需求同样提升。从技术壁垒角度看，电池组和变流器也是相对较高的环节。另外，近年来储能电站着火事件频发，因此储能热管理同样受到市场密切关注，属于产业链延伸业务。

3、锂离子电池

锂离子电池是电化学储能电池的一种，也是二次电池（充电电池），它主要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时， Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。

3.1 锂离子电池组成

锂离子电池主要由正负极、隔膜、电解液、外壳组成。

正负极：锂离子电池正极活性物质一般为磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂，镍钴锰酸锂材料，导电极流体使用厚度10--20微米的电解铝箔。负极活性物质为石墨，或近似石墨结构的碳（目前也有一些非碳基材料，比如碳硅等硅基材料），导电集流体使用厚度7-15微米的电解铜箔。正负极电位决定正极集流体用铝箔，负极集流体用铜箔，铜箔和铝箔具有良好的导电性、易形成氧化保护膜、质地较软有利于粘结、制造技术较成熟、价格相对低廉等优点，因此被选择作为锂离子电池集流体的紧要材料。磷酸铁锂离子电池的正极电位高，铝箔的氧化层比较致密，可戒备集流体氧化，而铜在高电位下会发生嵌锂反应，不宜做正极集流体，正极集流体一般采用铝箔；而负极的电位低，铝箔在低电位下易形成铝锂合金，负极集流体一般采用铜箔，铜箔和铝箔之间不具备互替性。

隔膜：经特殊成型的高分子薄膜，薄膜有微孔结构，可以让锂离子自由通过，而电子不能通过。锂离子电池隔膜主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止两极接触而短路。对于锂电池系列，由于电解液为有机溶剂体系，因而需要有耐有机溶剂的隔膜材料，一般采用高强度薄膜化的聚烯烃多孔膜。

电解液：溶解有六氟磷酸锂的碳酸酯类溶剂。

3.2 磷酸铁锂与三元锂

磷酸铁锂电池是一种使用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，碳作为负极材料的锂离子电池，单体额定电压为3.2V，充电截止电压为3.6V-3.65V。三元锂电池是指正极材料使用镍钴锰酸锂（Li(NiCoMn)O2）或者镍钴铝酸锂的三元正极材料的锂电池，三元复合正极材料是以镍盐、钴盐、锰盐为原料，里面镍钴锰的比例可以根据实际需要调整。

目前新能源汽车电池主要有两种技术路线，即磷酸铁锂电池和三元锂电池。磷酸铁锂电池相较于三元锂电池，能量密度低，低温性能差，但经过改良后，目前已突破传统磷酸铁锂电池的能量密度限制，达到了三元材料水平。三元锂电池的能量密度高，低温性能好，但其造价高，安全性存在一定问题。

2022年1-12月，我国动力电池累计产量545.9GWh，累计同比增长148.5%。其中三元电池累计产量212.5GWh，占总产量38.9%，累计同比增长126.4%；磷酸铁锂电池累计产量332.4GWh，占总产量60.9%，累计同比增长165.1%。未来新能源汽车市场预期将更加细分，在短程低速或中短程电动车市场中，磷酸铁锂电池很可能维持主流地位，但对长程或其他用途车辆而言，三元锂电池也有望维持一定优势。（数据来源：中国汽车动力电池产业创新联盟、中商产业研究院整理）

磷酸铁锂与三元锂的对比：

（1）材料不同：之所以称为“三元锂”“磷酸铁锂”主要指的是动力电池的“正极材料”的化学元素不同。三元锂正极材料使用镍钴锰酸锂(Li(NiCoMn)O2)三元正极材料，这种材料综合了钴酸锂、镍酸锂和锰酸锂三种材料的优点，形成了三种材料三相的共熔体系，由于三元协同效应，其综合性能优于任一单组合化合物。磷酸铁锂是指用磷酸铁锂作为正极材料，其特色是不含钴等贵重金属元素，原料价格低且磷、铁存在于地球的资源含量丰富。三元锂材料因为稀缺，且随着电动车快速发展而水涨船高，价格高，受上游原材料制约性强；磷酸铁锂因为使用的稀有/贵金属比例较低，所以价格比三元锂电便宜，受上游原材料影响较小。

（2）能量密度不同：三元锂由于采用了更活泼的金属元素，主流的三元锂电池能量密度普遍在140Wh/kg～160 Wh/kg，低于高镍配比的三元电池（160 Wh/kg～180 Wh/kg），部分重量能量密度能够达到180Wh-240Wh/kg（宁德时代宣称：麒麟电池的三元电池系统能量密度达到255 wh/kg）。磷酸铁锂能量密度为一般为90-110 Wh/kg，部分创新的磷酸铁锂电池，例如刀片电池，能量密度可达120W/kg-140W/kg。三元锂较磷酸铁锂最大的优势就是能量密度高，充电速度快。

（3）温度适应性不同：三元锂电池的低温性能优异，在-20℃条件下可保持正常电池容量的约70%-80%，其续航能力更优异。磷酸铁锂不耐低温，气温低于-10℃，电池衰减得非常快，磷酸铁锂电池在-20℃条件下只能保持正常电池容量的约50%-60%。

3.3 储能对于锂离子电池的要求

锂离子电池是电化学储能技术发展的最具潜力技术之一，如何开发有区别于动力电池技术路线的储能专用锂离子电池成为行业发展需求的关键。储能专用电池的特点要求具备高安全、大容量、长寿命、低成本、高能效。

从安全性、循环寿命等指标来说，固态锂离子电池将成为未来规模应用的最有潜力的技术。锂离子电池成本随着锂产业链规模不断成熟扩大，成本具有大幅下降空间；储能装备的预装化、标准化、模块化等应用将进入成熟阶段。

表4 典型锂离子电池参数对比

高温条件下，三元锂电池的三元材料会在200℃时发生分解，产生剧烈的化学反应，释放出氧原子，并在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象。

2022年6月29日，国家能源局发布了关于征求《防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）》意见的函，其中在防止电化学储能电站火灾事故的要求中提到：中大型电化学储能电站不得选用三元锂电池、钠硫电池，不宜选用梯次利用动力电池。

表5 储能成组方案对比

3.4 锂离子电池产业链

锂离子电池产业链如下图所示：

3.5 锂离子电池储能产业链

锂离子电池储能产业链如下图所示。此外，电池管理BMS、能量管理EMS、储能系统安装领域的头部企业如下：

电池管理BMS:科工电子、高特电子、高泰昊能、力高新能源、协能科技、宁德时代、派能科技

能量管理EMS:派能科技、国电南瑞、中天科技、许继电气、平高电气、阳光电源

储能系统安装:永福股份、特变电工、正泰电器、中国电建、中国能建

4、铅酸电池与铅炭电池

4.1 铅酸电池与铅炭电池对比

铅酸电池是一种电极主要由铅及其氧化物制成，电解液是硫酸溶液的蓄电池。铅酸电池放电状态下，正极主要成分为二氧化铅，负极主要成分为铅；充电状态下，正负极的主要成分均为硫酸铅。

铅炭电池是一种电容型铅酸电池，它是在铅酸电池的负极中加入了活性碳，能够显著提高铅酸电池的寿命。铅碳电池是一种新型的超级电池，是将铅酸电池和超级电容器两者合一。

铅炭电池是铅酸电池的创新技术，相比铅酸电池有着诸多优势。铅炭电池有以下优势：一是充电快，提高8倍充电速度；二是放电功率提高了3倍；三是循环寿命提高到6倍，循环充电次数达2000次；四是性价比高，比铅酸电池的售价有所提高，但循环使用的寿命大大提高了；五是使用安全稳定，可广泛地应用在各种新能源及节能领域。此外，铅炭电池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（铅酸电池若这样充、放，寿命只有不到30次）。而且由于加了碳（石墨烯），阻止了负极硫酸盐化现象，改善了电池失效的一个因素。

4.2 特点及适用场景

铅炭电池无易燃物（电池的电解液是水基体系，热失控和燃烧爆炸的概率很小），其相比锂电池更加安全，而且铅炭电池和铅酸电池一样，基本可实现100%回收。自2021年8月份以来，伴随着新能源市场崛起，碳酸锂市场价格开始呈现飞跃式上涨，锂电池的造价成本也相应的水涨创高。而铅炭电池原材料的价格相对稳定，造价成本更低，经济效益也就更高。据测算，目前铅炭电池储能的建设成本0.95元/Wh。综合比较，铅炭电池无论是安全性、经济性，稳定性、以及可复制性，都具有非常大的比较优势，未来会被更多的储能电站采用，包括5G基站及IDC、发电侧、电网侧，以及用电侧。

4.3 铅炭电池项目

2022年12月1日，吉电股份在浙江省湖州市长兴县小浦园区超威郎山工厂园区内，首个铅碳类“百兆瓦时”用户侧储能项目（10MW/97.312MWh）一期工程一次并网成功。

5、液流电池

液流电池是由Thaller于1974年提出的一种电化学储能技术，是一种新的蓄电池。液流电池由电堆单元、电解液、电解液存储供给单元以及管理控制单元等部分构成，是利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池，具有容量高、使用领域（环境）广、循环使用寿命长的特点，是一种新能源产品。

5.1 特点及适用场景

液流电池中全钒液流电池技术成熟度最高。优势主要体现在以下方面：一是具有高安全性。全钒液流电池本征（在目前的电化学储能方面安全性最高）及钒矿产资源都十分安全（中国钒储量、产量都是世界第一）。二是具有长寿命性。全钒液流电池不同于一般的电化学储能方式，其电池循环次数可达15000-20000次，使用年限可达15-20年，非常适合4-12小时的长时储能应用场景。三是具有环保性。全钒液流电池储能系统所使用的电解液在结束寿命周期后，可以完全被回收，电池端的制造材料也属于零污染材料。四是易扩容。液流电池的储能活性物质与电极完全分开，功率和容量设计互相独立，便于模块组合设计和电池结构放置，以及容量便于扩展。液流电池的短板主要是效率和成本，目前的示范系统能效也就是75%左右。

基于全钒液流电池的优势和特点，其在2小时以上长时需求的风光资源配储及需要长时储能来进行电力储备的工业园区等场景具有广泛应用。（大工业用户以后或许可以使用）

5.2 钒液流电池产业链

钒液流电池产业链如下图所示：

5.3 钒液流电池项目

2022年10月30日，由中国科学院大连化学物理研究所储能技术研究部研究员李先锋团队提供技术支撑的迄今全球功率最大、容量最大的百兆瓦级液流电池储能调峰电站正式并网发电。该项目是国家能源局批准建设的首个国家级大型化学储能示范项目，总建设规模为200兆瓦（MW）/800兆瓦时（MWh）。本次并网的是该电站的一期工程，规模为100兆瓦（MW）/400兆瓦时（MWh）。

投资分析2

全钒液流电池储能技术在大规模长时储能领域颇具应用前景，因其具备安全性高、易扩容、输出功率和容量大、循环寿命长、性价比高、电解液可循环利用、钒资源自主可控、对环境友好等突出优势，特别是百兆瓦级液流电池技术被纳入“十四五”新型储能核心技术装备攻关重点方向。
《防止电力生产事故的二十五项重点要求（2022年版）（征求意见稿）》更是把储能的关注点吸引到“超‘钒’脱俗”的全钒液流电池储能上。在产业链不断拓展的推动下，全钒液流电池产业正由导入期向成长期过渡，处于大规模产业化的前夕，一旦占比成本高的钒电解液规模化生产、全产业链协作，并从技术上实现全钒液流电池能量密度的突破，具有本征安全性的液流电池将在中大型电化学储能中真正发挥其优势。11月中核汇能公布的首次GWh液流电池储能系统集采中标结果显示，投标最低价已至2.2元/Wh。国内液流电池储能项目正在各地紧罗密布地开展，液流储能电池产线规模化建设提速。目前液流电池在新型储能中的渗透率不到1%，一旦产业链成熟，未来有望实现跨越式增长。
注：五氧化二钒和隔膜占据了原料成本的 60-80%。且随着储能时长增长，五氧化二钒成本所占比例逐渐增加。五氧化二钒市场目前是典型的现货市场，短期钒价波动会直接影响全
钒液流电池造价，因此，相对稳定的钒价有利于液流电池行业的成本控制。

6、钠离子电池

钠离子电池是一种二次电池（充电电池），主要依靠钠离子在正极和负极之间移动来工作，与锂离子电池工作原理相似。2022年度化学领域十大新兴技术之一。钠离子电池使用的电极材料主要是钠盐，相较于锂盐而言储量更丰富，价格更低廉。由于钠离子比锂离子更大，所以当对重量和能量密度要求不高时，钠离子电池是一种划算的替代品。

与锂离子电池相比，钠离子电池具有的优势有：（1）钠盐原材料储量丰富，价格低廉，采用铁锰镍基正极材料相比较锂离子电池三元正极材料，原料成本降低一半；（2）由于钠盐特性，允许使用低浓度电解液（同样浓度电解液，钠盐电导率高于锂电解液20%左右）降低成本；（3）钠离子不与铝形成合金，负极可采用铝箔作为集流体，可以进一步降低成本8%左右，降低重量10%左右；（4）由于钠离子电池无过放电特性，允许钠离子电池放电到零伏。钠离子电池能量密度已大于140Wh/kg，可与磷酸铁锂电池相媲美，但是其成本优势明显，有望在大规模储能中取代传统铅酸电池。（5）耐低温，钠离子电池在-20℃的低温环境中可以实现90%以上的放电保持率，-40℃低温下可放出70%以上的容量，高温80℃还能循环充放使用，项目落地与场景应用更具有灵活性。

6.1 钠离子电池产业链

钠离子电池产业链如下图所示：

6.2 钠离子电池发展情况

钠离子电池理论上循环寿命也是可以接近锂离子电池；钠离子电池有钠资源优势、成本优势、性价比高。碳酸锂接近60万元每吨，而碳酸钠1吨只需要2000元-3000元，这是天然的成本优势，因为资源丰富，所以原料价格低。2015年之后，世界各国都开始了对钠离子电子的产业化研究，到今天全球大概有几十家钠离子电池公司，我国也是其中布局较早的，目前我国在钠离子电池领域处于世界领先地位，中科海钠、宁德时代、立方新能源等企业均已实现钠离子电池的初步量产，并推出了成熟的产品线。

表6 钠离子电池与其他储能方式对比

7、电化学储能度电成本

储能度电成本（LCOS）为国际通用的成本评价指标。基于储能全生命周期建模的储能平准化成本LCOS（Levelized Cost of Storage）是目前国际上通用的储能成本评价指标，其算法是对项目生命周期内的成本和放电量进行平准化后计算得到的储能成本。

和目前几种典型电化学储能技术的度电成本仍远高于抽水蓄能的度电成本；目前磷酸铁锂电池和铅炭电池的度电成本较低。