第一章储能电池产业属性及应用技术
一、储能产业意义
    储能产业的发展与新能源以及智能电网的应用密切相关。首先，储能电池是新能源产业发展的关键环节，也是调控电能质量、优化能源效率的重要手段，在新能源并网应用以及电网本身的发电、输电、配电和用电等环节具有举足轻重的作用。国际能源署预测，可再生能源所占比重将从当前的13 %增加至2035 年时的18 %，风电和太阳能等新能源的并网应用和分布式电网应用将会给储能电池提供广阔的市场空间。其次，储能尤其是化学电池在家庭储能、通讯基站、数据中心应急电源等领域的作用也日渐凸显，己经形成较大的产业规模，在欧洲、美国和日本应用规模急剧提升。
    目前电能储存的形式可以分成三类：物理储能（如抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等）、化学储能（如铅酸电池、锂电池、钠硫电池、液流电池、镍镉电池等）和其他储能方式（如电磁储能、相变储能等等）。

二、储能电池定义与分类

    储能电池是以化学电池作为能量储存手段的总称。这里的储能主要是指大型储能，包括大型UPS储能、大型基站储能、家庭建筑储能、新能源储能等领域。

1、铅酸电池

    铅酸电池是最常规、最古老的电池，铅酸电池早在一百多年已经发明出来，目前也是使最多的电池，包括在电场以及电网，作为电场启动的时候辅助电源、电网刀闸开合动作电源以及电网小型的UPS等。铅酸蓄电池的主要特点是采用稀硫酸做电解液，使用二氧化铅和绒状铅分别作为电池的正极和负极。铅酸电池技术成熟，成本也是所有化学储能里边最低的，储能容量也可以通过电源放大以后，通过串并联方式能够做到兆瓦级的应用。主要的问题寿命比较短，特别是输出输放的时候寿命短，常规的铝酸电池大概也就是几百次寿命。

    铅酸蓄电池的动力应用市场需求很大，储能也是铅酸蓄电池行业发展的一个重要方向。比如现在有的企业建设的可移动式储能站，主要用光伏发电，以铅酸和锂电池储能。这是一种技术组合的尝试：一方面可吸收太阳能，另—方面也可实现峰谷调节，削峰填谷，由此构成智能电网的一部分。建成后，电站可供一座大楼的用电。

  2、锂离子电池

    锂离子电池的阴极材料为锂金属氧化物，具有高效率、高能量密度的特点，并具有放电电压稳定、工作温度范围宽、自放电率低、储存寿命长、无记忆效应及无公害等优点。但目前锂离子电池在大尺寸制造方面尚存在一定问题，对特殊封装要求高，价格成本高。世界上运行最大的锂离子储能系统是美国A123公司投资建设的，装机容量为2兆瓦。

锂离子电池的缺点跟铅酸电池类似，就是电池统—性的问题，电池单体在生产过程当中、以及应用受温度等影响综合的因素，很难做到所有电池统—性，在一个电池组里边，虽然一个单体电池寿命相当长，一万次到几万次，但是电池组合封装以后一个电池组里边有两三片、一两片不行的话，就会造成整个电池组的寿命急剧的下降，电池组寿命可能是单体电池寿命几十分之一。按照应用的范围，可将锂电池分为小型锂电、动力电池、储能电池。小型锂电池主要用于笔记本电脑、手机和数码（摄）相机等数码产品；动力电池主要用于电动汽车、自行车和电动工具；储能电池可用于电网调峰和储能电站。锂离子电池的工艺量级从千瓦到兆瓦，把若干个、多少个电池单体装在类似配电柜里，通过串并联的关系提高功率、容量，单体是千瓦级，通过组合可以做到兆瓦、甚至十兆瓦、二十兆瓦的量级，国外也有大规模两万千瓦锂离子电池应用的例子。

  3、钠硫电池

    钠硫电池是由美国福特(Ford)公司于1967年首先发明公布的，是以钠和硫分别用作阳极和阴极，Beta-氧化铝陶瓷起隔膜和电解质的双重作用。钠硫电池在300度的高温环境下工作，其正极活性物质是液态硫(S)，负极活性物质是液态金属钠(Na)，中间是多孔性陶瓷隔板。钠硫电池的主要特点是能量密度大(是铅蓄电池的3倍)、充电效率高（可达到80%)、循环寿命比铅蓄电池长等。然而钠硫电池在工作中由于需要保持高温，故有一定安全隐患。东京电力公司在钠硫电池系统开发方面处于国际领先地位，2004年在Hitachi自动化系统工厂安装了当时世界上最大的钠硫电池系统，容量是9.6MW/57.6MWh。钠硫电池在国外已是发展相对成熟的储能电池。其寿命可以达到使用10～15年。钠硫电池所用材料便宜，并且没有毒性，具有广阔的发展前景，至今有150多座功率大于500kW的钠硫电池储能站在全球运行。

4、液流电池

    液流电池或称氧化还原液流蓄电系统，与通常蓄电池的活性物质被包容在固态阳极或阴极之内不同，液流电池的活性物质以液态形式存在，既是电极活性材料又是电解质溶液。液流电池的活性物质可溶解分装在两大储存槽中，溶液流经液流电池，在离子交换隔膜两侧的电极上分别发生还原反应与氧化反应。此化学反应为可逆的，一次可达到多次充放电的能力。此系统的储能容量由储存槽中的电解液容积决定，而输出功率取决于电池的反应面积。由于两者可以独立设计，因此系统设计的灵活性大而且受场地的限制小。液流蓄电系统的功率取决于电池的面积和堆的节数，储能容量则取决于储液罐的容积，两者可单独设计。因而，设计的灵活性大，易于模块组合，受设置场地限制小，蓄电规模易于调节。液流电池的结构类似于燃料电池，可分为三个层次：单体(CeID、电堆(Stack)和系统(System)。功率与储能容量可单独设计，适用于大容量蓄电。液流电池已有全钒、钒溴、多硫化钠／溴等多个体系，液流电池电化学极化小，其中全钒液流电池具有能量效率高、蓄电容量大、能够100%深度放电、可实现快速充放电，且寿命长等优点。全钒液流电池已经实现商业化运怍，能够有效平滑风能发电功率。在日本运营的容量为4兆瓦的全钒液流电池为当地32兆瓦的风电场提供储能。

  5、镍氢电池

    镍氢电池是有氢离子和金属镍合成，电量储备比镍镉电池多30%，比镍镉电池更轻，使用寿命也更长，并且对环境无污染。镍氢电池的缺点是价格比镍镉电池要贵好多，性能比锂电池要差。

  镍氢电池正极活性材料为氢氧化镍，负极材料金属氢化物又称储氢合金，它能够可逆的吸收、储存和释放氢气。储氢合金是影响电池充放电性能和电池容量的关键材料，也是主要技术瓶颈。泡沫镍和镀镍钢带是镍氢电池主要的电极基体材料，隔膜目前多采用尼龙纤维、聚丙烯纤维和维纶纤维，电解液一般采用KOH水溶液。

三、储能电池应用技术现状
1 、铅酸电池：技术最为成熟的高性价比储能电池
( 1 ）产品技术相对成熟，因性价比较高而广泛应用于诸多领域
    铅酸蓄电池自1859 年由普兰特（Plante）发明以来，至今已有150年的历史，技术十分成熟，是世界上使用最广泛的化学电源。铅酸蓄电池根据是否需要加水维护，分为开口式铅酸蓄电池和阀控式铅酸蓄电池。阀控式铅酸蓄电池内部为贫电解液设计，根据固定硫酸电解液的方式不同又可分为AGM和GEL电池两种。铅酸蓄电池的正极材料主要采用二氧化铅，负极材料为铅，以稀硫酸作为电解液。通常一个铅酸蓄电池由6个2V的单格共同串联而成，再由电池串联成不同电压的电池组用于不同的领域。

铅酸蓄电池上游原材料为铅，经过生产和销售环节，到达汽车、通讯、电力等多个行业，废旧电池通过回收行业进行铅回收和再利用，整个铅酸电池的产业链已经非常完善。

铅酸蓄电池由于使用范围广、安全稳定和优良的性价比，被广泛应用于交通运输、通讯、电力、铁路、矿山、港口、国防、计算机、科研等国民经济的重要领域。从应用领域来看，主要可分为：汽车起动电池（包括汽车、摩托车、拖拉机、船舶、内燃机等点火、起动、照明用）、动力电池（包括电动助力车、电动叉车、电动道路车等动力用）和后备与储能（固定）电池三大类别。其中汽车启动电池仍为其主要应用市场，全球各类乘用车、商用车和机车启动电池（包括—级和二级市场）市场规模合计占58%的份额，但是增长已经趋缓。电动自行车则为增速最快的市场，目前，国内约90%的电动自行车使用铅酸蓄电池。

不同应用领域的铅酸蓄电池，在性能要求、材料配方、生产工艺和营销渠道上都有很大的差别。从性能要求来看，储能电池对均一性控制指标要求最高，电动车相对次之，汽车启动电池主要为单一12V电池，均—性要求较低；从生产工艺来看，汽车启动电池领域可以采用较为先进的连铸连轧生产线进行板栅生产，但是动力电池和通讯电池的特殊性要求导致采用连铸连轧工艺生产较为困难，生产效率相对较低；从渠道来看，汽车启动和电动自行车电池都分为一级和二级市场，对专业的营销渠道有着严格的要求，其他领域的企业如果想要切入新市场，需要大规模的营销渠道投入。

(2)全球市场规模基数大但增长率低，美日企业占据行业龙头地位

从全球范围来看，2010年铅酸蓄电池市场规模为362亿美元，同比增长8.6%；预计至2015年，全球铅酸蓄电池整体市场规模仍将保持2%-5%的年增长率。相对于镍氢电池和锂离子电池的市场规模，铅酸蓄电池仍为全球占有率最高的储电装置产品。

从生产企业来看，美国企业占据了大部分市场。其中以江森自控为市场占有率最高的厂商，超过四分之一，其似确如Exide Technologies、GS YUASA、Enersys.  East Penn等市场占有率均未超l0%。除GS YUASA之外，前五大厂商均为美系集团背景，其他小规模厂商市场份额之和为48%，呈现出市场成熟而多样化的特点。

2、锂离子电池：未来最具发展前景的储能电池

锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。其主要构成为电池盖、正极、负极、隔膜、有机电解液、电池壳等，充放电过程是通过锂离子在电池正负极中的脱出和嵌入实现的。

由于锂离子电池能量密度高，循环寿命长，并且无记忆效应，广泛的应用于数码产品、电动工具、电动自行车、新能源汽车和储能等，被公认为最具潜力的新型电池。

竞争格局呈现出中日韩三国鼎立局面，日韩依技术优势占据产业主导地位，目前，中国、日本及韩国生产的锂离子电池占全球产量的90%以上，其中日本仍是全球重要的锂离子电池生产基地。随着中国和韩国在锂电池产业的不断崛起，其产量成长迅速且所占比重不断提高。按销售额计，日本产品所占比重由2006年的57.0%逐步下降到2010年的43.0%，2011年，由于收到大地震的影响，其锂离子电池在全球的市场份额继续下降，约为38.0%左右。而韩国则成为全球锂离子电池生产大国，其市场份额增长到42.0%。

    从厂商竞争格局来看，日本的三洋电机、索尼、松下，韩国的三星和LG，中国的比亚迪、比克电池、深圳邦觊等公司处于行业前列。

    就汽车动力锂离子电池而言，全球主要生产企业有二十多家，而日本、韩国和美国则走在全球前列。目前主要有美国的A123（已破产保护）、江森自控；中国的比亚迪、力神、中信国安、万向、中航锂电等，韩国的LG化学，日本的东芝、日立制作所、日本电气(NEC)、GS Yuasa、丰田汽车和松下电器产业的合并公司Panasonic EV Energy等十来家相关企业。

3、液流电池：新能源发电领域可望产业化应用的储能电池

(1)液流电池技术路线众多，全钒液流电池技术相对成熟

  液流电池是通过可溶电对在惰性电极上发生电化学反应而完成储电放电的一类电池。液流电池存在很多的细分类型和具体的体系，目前全球真正研究较为深入的液流电池体系只有四种，包括全钒液流电池、锌溴液流电池、铁铬液流电池和多硫化钠/溴液流电池，并都有商业化示范运行的经验。

  钒电池全称为全钒氧化还原液流电池(VRB)，是一种基于金属钒元素的氧化还原电池储能系统。钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。这个可逆的反应过程使钒电池顺利完成充电、放电和再充电。