先進電化學儲能電池簡要分析

動力電池的發展也許不會像現在想得那麼一帆風順，於是人們也在思考別的替代方案，如其他化學電池，燃料電池等等，今天我們就來梳理一下先進電化學儲能電池，本文不會涉及什麼技術原理，如正極，負極，電解液，隔膜以及各種金屬新增材料，工作原理等，主要還是關注其發展現狀和技術特點，著重於應用前景。

一、先進電化學儲能電池簡要分析

1、鋰離子電池

鋰電池的研究開始於20世紀50年代，在70年代實現了軍用與民用。鋰金屬二次電池研究於80年代推出市場，1991年索尼公司推出了第一塊商業化的鋰離子電池。在眾多電化學儲能技術路線中，鋰離子電池已經建立了較為健全的產業鏈。

大家比較熟悉的鋰電池名字主要是磷酸鐵鋰和三元鋰，它們都是正極材料的名字，而且在效能、迴圈次數、安全性等方面綜合優勢相對於鈷酸鋰、錳酸鋰較大，因此應用範圍也更廣。在動力電池中，三元電池由於較高的能量密度受到青睞，但成本高。

迴圈壽命短，低安全性使得大家也在考慮磷酸鐵鋰電池替代，比如比亞迪的刀片電池就是磷酸鐵鋰電池產品。同時，由於在儲能領域中，更注重成本、安全性、使用壽命等因素，因此磷酸鐵鋰在儲能的應用更廣泛。

三元鋰電池和磷酸鐵鋰電池的對比

2、半固態/固態電池

不論是磷酸鐵鋰和三元鋰電池，都是有安全風險的，只是大小不同。同時，人們對於電池能量密度的追求是無止境的，那在安全和能量密度方面有沒有更好的替代品呢，讓我們來看看傳說中的固態電池吧。

固態電池研發已經經歷了40年的歷史，可以分為三類——液體電解質質量百分比<10%的半固態（Half solid）、液體電解質質量百分比<5%的準固態/類固態（Nearly solid）、以及不含有任何液體電解質的全固態（All Solid）。

現在通常我們所謂的（全）固態電池，是相對於現在的液態電解質鋰電池而言的，使用固態正負極材料和固態電解質的電池。工作原理上，固態鋰電池和傳統的鋰電池並無區別。

相較於鋰離子電池，固態電池的優點有以下三個方面：

（1）能量密度高：與傳統液態鋰電池相比，得益於更高的電化學視窗，可以匹配高能正極材料和金屬鋰負極，固態電池的理論能量密度更高。

（2）安全效能高：液態電池的安全隱患主要歸因於液態電解質，固態電池以固態電解質替換，熱穩定性更強，大大降低了自燃、爆炸的風險。

（3）電池重量低：固態電池不需要電解液和隔膜，可簡化封裝、冷卻系統等，整體電池包的重量和體積得以縮減，提升續航能力。

但目前來看，固態電池發展並不順利，預計到2030年才有可能量產，技術不確定性較大，這就給折中產品半固態電池帶來了發展契機。

半固態電池：

液態電解液被看作電池起火自燃的罪魁禍首，而半固態電池中的液態物質大幅減少，當電池發生損壞、被穿刺時，或在一定程度上減輕自燃或者產生爆炸等情況，提升安全性。

半固態電池相對於全固態電池，雖然是個過渡狀態的產品，對於安全性的提升也是很大的，且綜合考慮時間和成本，優勢也是明顯的。

從製造層面來說，以衛藍新能源的半固態電池為例，其製造工藝流程和裝備與目前鋰電池的90％以上通用。當然，關鍵的工藝環節，比如混料、注液和原位固態化等環節，操作方式和現在的鋰電池不一樣，成本會增加很多。但是，這個成本是遠遠低於全固態電池的。

從下圖中的固態電池發展路線可以看出，目前半固態電池還處於大規模生產的前期，雖然是過渡產品，但綜合來說也是目前最好的解決方案了。

德勤：《中國鋰電行業發展德勤觀察2。0“電池風雲”》P21

未來固態電池的技術發展和應用趨勢將會是一個“梯次滲透”的過程。固態電池技術和核心在於電解質的革新，最終目標是實現電解質的全固態化；但隨著電池能量密度需求的不斷上升，技術難題也不斷增大，而混合固液電池則可以作為全固態電池重要的過渡技術，在技術革新的過程中逐步減少對液態電解質的應用，從液態逐步實現到半固態、準固態，最終實現全固態的目標。

3、鈉離子電池

鈉離子電池也是電化學電池的一種，與鋰離子電池原理相同。鈉離子電池最早由ARMAND團隊於20世紀80年代提出，在90年代經過產業化推廣得到技術應用。

鈉離子電池產業鏈結構與鋰電類似，但產業佈局還處於初級階段，專案處於示範應用階段。與鋰離子電池相比，鈉離子電池原材料豐富，且成本降低約20%，但電池能量密度較低，產業鏈配套尚不完善，因此發展趨勢主要集中在能量密度提升以及透過產業鏈建設降低成本兩個方面。

鈉離子電池工作原理

下圖可以看到鈉離子與鋰離子電池的對比，需要補充的一點是鋰離子電池可正常工作的溫度區間為0~40℃，鈉離子電池為-40℃到80℃，耐熱耐冷效能好於鋰離子電池。

鈉離子與鋰離子電池的對比

鈉離子電池在資源豐富度和成本上具備顯著優勢，但因其化學體系在能量密度上的侷限，在乘用車動力電池領域目前難以撼動鋰電池的地位，可在低能量密度要求或中低端場景替代鋰電池，預計未來率先在儲能、低速車等場景實現規模化商業應用。

4、鈉硫電池

鈉硫電池由美國福特公司在1966年首先發明，初衷是用於電動汽車。但在20世紀70年代末，由於鈉硫電池需要的執行溫度較高，在當時難以解決安全性和可靠性問題；而且鎳氫電池、鎳鎘電池、鋰離子電池等常溫電池相繼發明，取代了鈉硫電池成為主流技術，使得其時作為車用電池定位的鈉硫電池在大部分國家的研發出現停滯。

鈉硫電池中超過總質量99%的電池材料可以回收再利用，鈉硫電池採用全密封結構，電池工作和待機過程中零排放，對環境友好，只有金屬鈉需要作為有害物質處理。鈉硫電池透過保溫箱高溫執行，具有很強的環境適應性，適應的環境溫度範圍通常為-40～60 ℃。下圖為鈉硫電池的結構和工作原理。

鈉硫電池的結構和工作原理示意圖

鈉硫電池的工作溫度控制在300～350 ℃，此時鈉與硫均呈液態，電池具有快速的充放電反應動力學。鈉硫電池擁有的脈衝功率可達連續工作的六倍（脈衝時間可達30秒），這種特性使鈉硫電池可同時用於提高電力質量和調峰，具有很好的經濟性。

由於工作溫度很高，鈉硫電池主要缺點是需要熱源，使用電池自身儲存的熱量來維持系統溫度，從而降低了電池的部分效能，溫度過高也是大家擔心其安全性的主要原因之一。

5、全釩液流電池

液流電池是一種活性物質存在於液態電解質中的電池技術，電解液在電堆外部，在迴圈泵的推動下流經電堆，實現化學能與電能的轉換。其工作原理如下圖所示。

全釩液流電池工作原理

與鋰電在儲能應用中的邏輯不同，液流電池主要是由於其可擴充套件性，可突破鋰離子電池在電力系統中在儲能時長方面的限制，用於長時儲能，因此在電力系統中具有一定的發展空間。

技術性能方面，全釩液流電池的優勢表現為迴圈壽命極長和容量規模易調節。安全性方面，全釩液流電池安全性高較高，電池在室溫狀態下即可工作（5℃-40℃），無爆炸、火災隱患。此外，電池所有部件基本上都浸泡在溶液當中，散熱得到了溶液的支援，不存在類似鋰電池失控等問題。

環境方面，全釩電池生命週期的環境負荷低，原料易回收。釩資源儲量豐富，已經探明的、目前適合開採的資源儲量為1300萬噸，95%分佈在中國、俄羅斯和南非，中國發展全釩液流電池產業的資源優勢凸顯。

6、鋅溴液流電池

相較於全釩液流電池，能量密度更高，電解液體積更小，電極和隔膜材料均為塑膠，溴化鋅電解液價格低廉易得，電極各材料均可回收利用，對環境友好。但鋅溴液流電池在國內起步較晚，目前產業化處於初期階段。

鋅溴液流電池原理示意圖

上圖所示為鋅溴液流電池工作原理示意圖，由於鋅溴電池中所使用的電極及隔膜材料主要成分均為塑膠，不含重金屬，價格低廉，可回收利用且對環境友好。

安全性方面，液體電池中電解液的流動有利於電池系統的熱管理，可有效避免過熱超溫問題，不會發生起火爆炸。技術性能方面，鋅溴液流電池具有較高的能量密度。鋅溴液流電池的理論能量密度可達435Wh/kg，目前電池的能量密度現已達到150Wh/kg。因此佔地面積比全釩液流電池小，可以用於使用者側。此外，鋅溴電池理論迴圈次數可達6000次以上。

7、鉛酸電池