2023（秋季）亚洲储能的精彩演讲，中南大学唐有根教授：新型储能技术的发展与应用
前言
2023（秋季）亚洲充电展于在8月23-25日在深圳福田会展中心3号馆举办，汇聚数百家知名企业参展。此次展会以推动充电行业交流与发展，打造一个关于技术交流的平台为目的，通过对行业的发展趋势的交流和相互间的技术交流，寻找产业升级新机遇，研判未来趋势，商讨行业观点并深化合作，结合国内外经济发展情况，推动构建产业间的相互合作。
2023年08月25日，由充电头网发起的2023（秋季）亚洲储能大会在深圳福田会展中心举行，大会秉承“十四五”规划以来的碳达峰、碳中和等新型环保理念，会议期向打造粤澳港的新世界能源之都，在高速发展的前提背景下探讨未来发展先路，向众多与会者展示优秀先例，为目前的国内外清洁能源、环保能源的践行做出良好示范。其中中南大学唐有根教授受邀出席，带来了《新型储能技术的发展与应用》为主题的精彩演讲，分享近年来飞速发展的新型储能技术，该行业是少有的高速成长的产业，充满了商机和发展机遇。
担任本次演讲的嘉宾是中南大学教授、博士生导师 唐有根教授。
唐有根，中南大学教授、博士生导师，化学电源与材料研究所所长，化学电源湖南省重点实验室主任，湖南省电池行业协会会长，湖南省电池材料与电池产业技术创新战略联盟理事长，中国储能与动力电池及其材料专业委员会常务副主任兼秘书长，中国化学会电化学委员会委员，中国可再生能源学会氢能专业委员会委员，中国电池工业协会理事，新能源汽车国家大数据联盟理事，《电池》、《功能材料》和《储能科学与技术》编委。
本次演讲由发展背景、电化学储能技术、化学燃料储能技术、新型储能技术的应用及总结共5个部分组成。
能源危机、环境污染与双碳目标。能源危机和环境污染是21世纪世界面临的最重大问题。二氧化碳排放导致的雾霾、温室效应而引发的全球气候变化和环境污染，已成为影响人类生存与发展的全球性挑战。2020年9月，习主席在联合国大会说: 中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。“碳达峰”和“碳中和”目标已写入国家十四五规划和2035年远景目标纲要。“碳中和”战略将撬动中国百万亿级的市场，既是重大挑战也是巨大机遇。
二氧化碳排放带来的环境问题，双碳目标推动能源结构转型与调整。减少化石能源（石油、煤炭等）的使用，走绿色低碳的可再生能源发展道路，现已成为世界各国的共识。可再生能源（太阳能、风能、潮汐能等）存在的问题，例如光伏发电受天气与季节影响很大，发电过程不连续不可控，需要大规模储能系统。
储能技术可以应用在电传输过程中的每个领域，例如新能源的发电储能、调峰储能、输配电网、用户分配等领域中实时功率平衡的作用，有效提高系统容量系数，增加能量吞吐和转移。
储能技术的主要类型分为物理储能、电化学储能、化学储能、储热储能。目前抽水蓄能规模最大，电化学储能发展最迅速。
小时级以内的是短时储能，小时级以上的是长时储能，不同时间尺度对应的储能技术，其中分钟至小时级、小时级以上的时间尺度，可适用电池储能的储能类型。可用于平滑可再生能源发电、跟踪计划、出力、二次调频、提高输配电设施利用率的应用场景中。运行特点是充放电转换频繁S级响应速度，诞生可观的能量。高安全性、一定的规模(1MW/10MWh以上)、高循环寿命 (万次以上)，便于集成的设备形态。在小时级以上也适用电池储能的储能类型，在削峰填谷、负荷调节中进行大规模能量存储，拥有高安全性、成本低、资源和环境友好等优点，支持大规模(100MW/1000MWhL1 -)、深充深放(循环寿命5000次以上)。
以上是不同类型短时储能对比，分别是超级电容储能、飞轮储能、电化学储能。图表呈现出以上3种短时储能的技术成本、场景应用方面的优势。超级电容是功率型储能器件，更适用于扰动事件出力和短时间快速出力。其在短时大功率、多次循环放电场景下更具经济性，但无法满足电网侧小时或天时间的能源储备，相比之下锂离子电池储能更适合小时级别(一般不超过6h)电网调频调峰。
不同类型长时储能对比，分别是抽水蓄能、压缩空气储能、液流电池储能、氢储能、熔盐储热共5种类型的长时储能。图表呈现出以上5种长时储能的技术成本的技术、成本、场景应用方面的优势。长时储能作为容量性储能方式，在整体电力系统的发输配用环节拥有广泛的应用空间。发电侧可以实现大规模削峰填谷及调节负荷以及大规模容量储存。电网侧可赋能调峰电源，缓解高峰负荷需求，减少网络扩容投入。对于用户侧则可以实现降低峰值用电成本，峰值套利。
第二部分是电化学储能技术。
电化学储能技术是一种高速成长的储能技术。上图是主要电化学储能技术关键参数对比。目前，成熟度较高的锂离子电池、全钒液流电池和铅炭电池等电化学储能技术都基本实现市场运营；钠离子电池、锌基液流电池、固态电池等新兴电化学储能技术也如雨后新笋般涌现，并以越来越快的速度实现从基础研究到工程应用的跨越。
锂离子电池发展至今30余年，给生活、生产甚至社会发展带来了翻天覆地的变化。常用的锂离子电池分为纽扣电池、圆柱电池、方形电池和软包锂离子电池。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。
锂离子电池因正极材料的不同，能量密度和属性也会有所不同。锂离子电池的种类有钴酸理、锰酸锂、磷酸铁锂、镍钴锰三元材料、镍钴铝三元材料为正极的商品化电池体系。其中，钴酸锂电池成本高、能量密度高，主要应用领域为消费类电子产品；锰酸锂电池成本低、循环稳定性差，可用于低速电动汽车、小型储能以及电动工具等方面；磷酸铁锂电池、三元锂电池适用于电动工具、电动汽车及大规模储能领域。
不同正极材料锂离子电池的性能指标，分别是钴酸锂、锰酸锂、镍钴锰酸锂、磷酸铁锂测试的电池性能指标，不同正极材料会导致产品的能量密度、使用寿命、成本、安全性等有所差异。锰酸锂和磷酸铁锂比功率和安全性能好；镍钴锰酸锂有最高的比能量。
磷酸铁锂电池 (LFP)是以磷酸铁锂 (LiFePo)作为正极材料，石墨作为负极材料的离子电池，单体额定电压为3.2V。拥有循环寿命长、安全性能好、自放电率小、无记忆效应的优点，缺点是导电性差、克容量低、压实密度低。磷酸铁锂刀片电池受到汽车市场的广泛关注，已应用于BYD汉、唐等系列新能源汽车上。同时锂离子电池储能电站基本上都是使用磷酸铁锂电池。
以化学物质的价态变化进行能量的储存。液流电池是一种新型的大规模高效电化学储能 (电) 技术，通过反应活性物质的价态变化实现电能与化学能相互转换与能量存储。在液流电池中，活性物质储存于电解液中，具有流动性，可以实现电化学反应场所 (电极)与储能活性物质在空间上的分离，电池功率与容量设计相对独立，适合大规模蓄电储能需求。液流电池的核心组成部分是电解液中储能活性物质发生氧化还原反应的场所 (电极)。根据液流电池中固相电极的种类不同，可将液流电池分为铬铁液流电池、全钒液流电池以及金属/空气液流电池等。
铬铁液流电池正极活性物质为Fe2+/Fe3+，负极溶液为Cr2+/Cr3+。拥有循环寿命长，最低可达到10000次；无爆炸可能，安全性高；电解质溶液毒性和腐蚀性低，稳定性好；环境适应性强，运行温度范围广；储罐设计，无自放电； 易于扩容，模块化设计，电解液可循环，成本低廉的好处。缺点是工作电压低，电堆比功率低。
全钒液流电池利用钒离子价态变化，实现电能存储，技术成熟、寿命长、效率高、安全可靠。输出功率和储能容量可调，能满足大规模蓄电储能的需求。但V5+的溶解度较低，极大地限制了电池的能量密度；随着温度的升高会有V2O5沉淀析出，使得钒电池的工作温度局限在10~40°C内。
钠离子电池的工作原理与锂离子电池相似，备受广泛关注，一是钠离子电池资源丰富，价格低廉，二是循环寿命长。
钠离子电池的优势是钠盐原材料储量丰富，价格低廉，成本低，负极可采用铝箔作为集流体，可降低成本和重量；由于钠离子电池耐过放电特性，允许钠离子电池充分放电。缺点是产业化配套不完善，现阶段制备成本高，价格优势不明显。钠离子电池应用于大规模储能拥有非常大的发展前景和重要的战略意义。
铅碳电池是一种电容型铅酸电池，是从传统的铅酸电池演进出来的技术，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。
第三部分是化学燃料储能技术。
氢能源为主的气体燃料储能技术，气体燃料储能是以电能生产气体燃料进行储能的技术，也称电转气技术。电转气系统利用电能电解水产氢；氢气直接利用，或间接转化为合成气、甲烷、液化石油气等；这些气体可直接燃烧产热、或经发电机、或燃气轮机再转化回电力。
甲醇能源和氨能源为主的液体燃料储能技术，利用电解制造的氢气来合成液体燃料储存能量，如甲醇和氨。液态燃料比气态燃料容易存放和运输，且安全性相对较高。可用于交通燃料、工业使用、发电、家用等领域中。
金属能源的固体燃料储能技术，金属(如锂、锌、铝等) 作为固体储能燃料，可通过电化学反应转化为电能，反应产物通过电解/沉积过程储备能量重新得到相应的金属，实现电能的储存。有锌锰电池、锌离子电池、锌空气电池、锌镍电池为主的锌金属应用体系。以铝金属作为固体储能燃料的应用体系有铝空气电池、铝离子电池两种。除此以外还有镁电池、铁电池等。
铝空气燃料电池是一种金属能源的固体燃料储能技术，以铝为负极，空气中的氧为正极，氢氧化钠或氢氧化钾水溶液为电解质。铝空气燃料电池的优势是能量转换比高、无污染、不燃爆、低碳；原材料充足并可循环利用，运行成本低，制做和使用无污染，绿色环保；能量密度高，比能量超过500Wh/kg，是现有实用电池体系中最高的；在安全性、性价比、技术应用与操作以及维护等性能上远远优于同类产品。
第四部分是新型储能技术的应用。
新型储能技术在我国储能领域获得了广泛的应用。截至2022年底，全球已投运电力储能装机规模23720万千瓦。其中抽水蓄能装机约18800万干瓦；新型储能装机规模约4920万干瓦。
截至2022年底，我国已运行储能项目装机规模5370万干瓦，其中抽水蓄能4500万干瓦；新型储能装机规模870万干瓦。
到2025年，新型储能由商业化初期步入规模化发展阶段，装机规模达 3000 万千瓦以上，具备大规模商业化应用条件。到2030年，新型储能全面市场化发展，抽水蓄能装机规模达1.2亿干瓦左右。
新型储能技术的发展和技术进步。新型储能进入规模化发展新阶段，截止2022年，新增投运新型储能项目规模约7GW，累计装机规模约13.1GW/27.1GWh。 锂离子电池主导地位进一步提升，新增投运项目中，锂离子电池储能占比达97%。累计装机占比达到94%，较2021年提升3.1个百分点。
新型储能产业规模不断壮大，全国锂离子电池行业总产值突破1.2万亿元，锂离子电池产量达750GWh，同比增长超过130%，其中储能型锂电池产量突破100GWh。不同技术路线产业链成熟程度不一，锂离子电池储能已形成较为完备的产业链，压缩空气储能、液流电池储能通过试点示范项目逐步实现规模化应用，产业链快速发展，其他新型储能技术产业链体系尚待成形。
锂离子电池储能技术的应用，2016年7月，比亚迪率先建成了我国第一座MW级磷酸铁钾电池储能电站，用于平抑峰值负荷以及光伏电站的稳定输出。基于磷酸铁锂电池在成本和稳定性方面的综合优势，以磷酸铁理为正极材料的锂离子电池在储能领域的使用较广泛。2022年底全国累计投运锂离子电池储能项目12.54GWh，占比89.21%，其中磷酸铁锂电池占比88.72%; 2022年新增投运锂离子电池储能项目6.80GWh，占比86.51%。
液流电池储能技术的应用，2020年12月24日，国家电投集团公司的250千瓦/1.5兆瓦时铁铬液流电池光储示范项目投产运行。沽源战石沟光伏电站将通过与铁-铬液流电池储能发电运行相结合的方式，有效降低光伏电站场用电量、提高光伏电站稳定性，实现光储系统的长期稳定运行。
全钒液流电池的应用，由博融控股集团与中科院大连化学物理研究所于2008年共同组建的，主营全钒液流电池业务，在国内外已实施累计超250MW项目。2019年1月交付了湖北枣阳10MW光储用项目一期3MW光伏+3MW/12MWh全钒液流电池储能系统。2021年3月初，襄阳市全钒液流储能产业签约仪式于湖北省襄阳市举行。
以上是截止2022年中国全钒液流电池部分投运项目，其中2022年，大连融科的大连液流电池储能调峰电站国家示范项目(一期)100MW/400MWH。
钠离子电池储能技术的应用，在小储和家储拥有很好的发展前景。中科院物理研究所、中科海钠于2019年制备了30kW/100kWh 钠离子电池储能系统。2021年6月28日，由华阳新材料科技集团有限公司 (下称“华阳集团”)与北京中科海纳科技有限责任公司共同打造的全球首套1MWh钠离子电池储能系统，在山西综改示范区投运。该系统结合市电、光伏和充电设施形成微网系统，可根据需求与公共电网智能互动。
金属燃料储能技术，拥有非常大的市场前景，国内外均有不同开发方案。中南大学与云南美的客车制造有限公司合作研发电动车用铝燃料动力电池已进行12M电动大客车试运行，电池堆总功率50KW，电池能量1200KWh。
物理储能技术中的抽水蓄能，拥有非常广的应用。抽水储能必须配备上、下游两个水库(上、下池)，低谷时抽水储能，将下游水库的水抽到上游水库储存:高峰时利用储存在上游水库中的水发电。截至2020年年底，我国抽水蓄能发电装机容量3149万千瓦，抽水蓄能发电量为335亿千瓦时。我国抽水蓄能电站投产和在建容量均居世界第一。
物理储能技术中的飞轮蓄能，在谷值负荷时，由电网提供电能带动飞轮高速旋转，以动能的形式储存能量，电能转换为机械能;出现峰值负荷时，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电，机械能转换为电能。飞轮储能在浙江省配电网中首次示范应用是在2021年11月25日，坎德拉 (深圳)新能源科技有限公司飞轮储能系统浙江湖州滨湖光储充电站示范工程交付使用。
物理储能技术中的压缩空气蓄能，在全世界均有应用和发展。压缩空气储能电站是一种调峰用燃气轮机发电厂，利用电网负荷低谷时的电力压缩空气，并将其储藏在压力7.5MPa的高压密封设施内，在用电高峰释放出来驱动燃气轮机发电。以上是我国张家口百兆瓦压缩空气储能国家示范项目，是国际上规模最大、效率最高的先进压缩空气储能示范系统，可配合风电、光伏、区域电网等联合运行。
盐穴压缩空气蓄能是利用盐穴资源，主要是盐化工和井盐企业在进行应用。在电网负荷低谷时将空气压缩并通入盐六腔体储存，电网负荷高峰时将高压空气释放发电。该技术具有规模大、成本低、寿命长、环境友好等优点，是最具发展潜力的大规模储能技术之一。
第五部分是总结。
储能技术作为能源革命的关键支撑技术已经在众多领域示范和商业化应用，储能技术未来发展的前景极其广阔。多种新型储能技术均已进入产业化阶段，很多新的储能技术迭代发展。新型储能技术可实现大规模电力储能，新型储能技术的发展对于我国未来能源战略发展具有重大意义。
以上是中南大学唐有根教授《新型储能技术的发展与应用》的精彩演讲，感谢观看。
充电头网总结
由中南大学唐有根教授分享的新型储能技术，是应对能源危机、环境污染的重要方法之一，可再生能源发电过程不连续不可控，需要大规模储能系统来减少能源浪费和二氧化碳的排放。新型储能技术的应用，可以使电网的功率更加平衡，有效提高系统容量系数，增加能量吞吐和转移。目前，抽水蓄能规模最大，电化学储能技术发展最快。
在电化学储能技术方面，钠离子电池、锌基液流电池、固态电池等新兴电化学储能技术以越来越快的速度实现从基础研究到工程应用的跨越。化学燃料储能技术主要有气体燃料储能技术、液体燃料储能技术、固体燃料储能技术，其固体燃料储能技术中的铝空气燃料电池，在安全性、性价比、技术应用与操作以及维护等性能上远远优于同类产品。储能技术作为能源革命的关键支撑技术，在不断更新迭代，已经实现在不同领域的应用，发展前景非常广阔，能够撬动中国百万亿级的市场，既是重大挑战也是巨大机遇，同时也中国实现"双碳"目标的重要一环。
相关阅读：
1、麦米电气从整机系统角度思考逆变器的研发，推出2200W双向逆变器
2、2023亚洲储能大会上的精彩演讲，氮化镓：从助力户外电源到助力家储和微型逆变器
「历年拆解」
2023、2022年、2021年、2020年、2019年、2018年、2017年、2016年、2015年
「电源芯片」
南芯、英集芯、智融、茂睿芯、必易微、美芯晟、杰华特、华源、硅动力、富满云矽、芯海、天德钰、贝兰德、力生美、创芯微、稳先微、宝砾微、东科、易冲、拓尔微、恒成微、沁恒、钰泰、诚芯微
「被动器件」
「氮化镓」
「快充工厂」
商务合作联系：info@chongdiantou.com