电化学储能原理及应用 | 储能人必看

电化学储能原理及应用 | 储能人必看

电化学储能是一种通过电化学反应将电能转换为化学能进行存储，并在需要时再将化学能转换回电能的技术。它利用电池或类似化学设备的充放电过程，实现能量的存储和释放。储能，顾名思义就是存储能量，是指通过一种介质或者设备，把一种能量形式存储起来，并基于未来应用需要，以特定能量形式释放出来的循环过程。

电化学储能通常也被称为电化学电池，能够将电能转化为化学能存储起来，在需要时再利用化学反应将化学能转化为电能释放出来，它可实现从化学能到电能的可逆、重复转换。对于电化学储能系统而言，充电时，负极得到电子，发生还原反应；正极则失去电子，发生氧化反应，放电过程相反。

用于电化学储能的是可以重复使用的二次电池，在电力系统中常被比喻为 “超级大电池”。就像我们常用的充电宝一样，“超级大电池” 在外部电能富余的时候充电，把电储存起来；在需要用电的时候，“超级大电池” 再把电放出来。电池又分为一次电池和二次电池。一次电池就是我们日常生活中的干电池，它只能将化学能转变成电能，放电后不能再充电使其复原，不可重复使用。二次电池又称为充电电池或者蓄电池，可以实现化学能和电能之间的频繁转化，可以重复使用。

目前大规模储能用的电池主要有锂离子电池、钠硫电池、液流电池、铅酸电池等。其中，在电动汽车需求的拉动下，锂离子电池技术进步最快，性价比也接近可推广应用的阶段。锂离子电池在现有化学储能装机中占比达到了 90%。目前主流锂离子电池可分为磷酸铁锂电池、三元锂电池两大类型。不同于新能源车对能量密度（即续航）的追求，储能更关注循环寿命（充放电次数）、安全性、成本性这些特性，磷酸铁锂电池是目前电化学储能的发展趋势。

锂离子电池的 “超级大电池” 一般采用预制仓方式，一个电站由若干电池预制仓组成。一个电池预制仓采用标准集装箱进行安装，其中包含若干电池簇。若干个单体电池采用串并联的方式组织一个电池模组，多个电池模组组成一个电池簇。所以一个 “超级大电池” 是由若干个单体电池组成的储能系统。

随着能源转型升级和 “双碳” 目标推进，新能源电源装机规模不断增加，其不稳定的特性使得对储能的需求也越来越大。储能已经成为新型电力系统中越来越不可或缺的调节资源，应用前景广阔。

电化学储能的原理

电化学储能的基本原理涉及电化学反应和物理过程两个方面。

1. 电化学反应

在充电过程中，外部电源向电化学储能器件提供电能，使得正极发生氧化反应，负极发生还原反应，电子从负极流向正极，电解质中的离子也相应地进行迁移，从而在正负极之间形成电势差。以锂离子电池为例，充电时，正极（通常含有含锂的化合物）释放锂离子，同时释放电子，锂离子通过电解质向负极（通常含有碳素材料）移动，电子通过外部电路到达负极，与锂离子重新结合形成锂化合物。在放电过程中，正负极之间的电势差使得电子从负极流向正极，电解质中的离子也相应地进行迁移，从而释放出电能。锂离子从负极脱出，经过电解质回到正极，同时释放出电能。这种电化学反应是可逆的，因此电化学储能器件可以反复充放电使用。电化学反应的类型多样，常见的有锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池等。

2. 物理过程

除了电化学反应外，电化学储能还涉及一些物理过程。在充放电过程中，电极材料的晶体结构会发生变化，导致材料的体积发生变化，这种体积变化可能会对电极材料的稳定性和寿命产生影响。例如，锂离子电池在充放电过程中，电极材料的晶体结构变化可能影响其稳定性。此外，电解质中的离子迁移也会受到温度、浓度等因素的影响，从而影响电化学储能器件的性能。离子迁移会受到多种因素影响，包括绝缘体本身的种类、构成、添加物、纤维性能、树脂性能等。从基板的构成因素来看，分为树脂方面、纤维方面和加工条件方面。从线路板表面的诱因来看，除基板因素外，还有基板上所安装的元件和金属构件在电镀孔隙中留下的未能洗净的电解质、焊料、胶类、易发生电解的物质、灰尘等离子污染、结露等。线路和结构的设计也与是否发生离子迁移故障有关连，线路间距和线路间所存在的直流电场与发生离子迁移有直接的关系。同时，离子迁移也会受到温度、浓度等因素的影响，潮湿和高温是引发离子迁移故障的重要诱因。这些因素对 PCB 绝缘寿命的影响可用特定关系式表达，虽然这种评价方法只能间接反映离子迁移的影响，但用绝缘电阻的变化来评价离子迁移的影响仍然是简便实用的方法。

电化学储能技术主要包括哪些

1. 锂离子电池

锂离子电池是目前最成熟的电化学储能技术之一，以高能量密度、长循环寿命和较好的充放电效率广泛应用于便携式电子设备和新能源汽车中。在储能场景中，锂离子电池占据化学储能规模的 75%。相比其他电池，锂离子电池能量密度高、循环寿命较长、自放电率低、能量转化率高、可进行快速充放电。同时，随着成本持续下降、商业化应用日益成熟，锂离子电池技术优势愈发明显，逐渐成为储能新增装机的主流。

2. 铅酸电池

铅酸电池成本较低、技术成熟，能量密度相对较低，但因其价格优势和大容量应用的可行性，常用于不间断电源和一些大规模储能项目中。铅酸电池技术经过长时间的发展和应用，已经非常成熟和稳定。价格低廉使得储能系统的整体成本也相对较低，且具有较高的可靠性和稳定性，能够在较宽的温度范围内正常工作，并且具有较长的使用寿命。然而，铅酸电池储能系统也存在能量密度低、充放电效率低、可能对环境造成污染等缺点。

3. 液流电池

液流电池通过液态电解质的化学反应来存储能量，具有可扩展性高、循环寿命长、充放电深度独立等优点，适用于大规模储能系统。液流电池的活性物质是流动的电解质溶液，正负极两侧各有一个电解液储罐，通过循环泵输送至电池内部进行反应。全钒液流电池作为液流电池家族的代表之一，具有设计灵活、充放电应答速度快、电解质溶液可循环使用和再生利用、安全环保等特点。

4. 钠硫电池

钠硫电池具有较高的能量密度和效率，但运行温度较高，维护成本较高，主要应用于电网储能。钠硫电池由正极、负极、电解质、隔膜和外壳组成，负极活性物质为熔融金属钠，正极活性物质为液态硫和多硫化钠熔盐。其工作温度通常在 300 至 350 摄氏度之间，具有高能量密度、可大电流高功率放电、充放电效率高等优点，但也存在技术成熟度不足、安全性有待提高等风险。

5. 超级电容器

超级电容器能够存储比普通电容器更多的能量，同时具有更长的放电时间，适合用于短时间高功率输出的场合。超级电容器功率密度高、充电时间短，但能量密度低，续航里程太短，不能作为电动汽车主流电源。

6. 全固态电池

全固态电池使用固态电解质代替液态电解质，具有更高的安全性和可能的更高能量密度，目前仍处于研发阶段。全固态电池有望解决液态电解质带来的安全隐患问题，同时提高电池的能量密度，为电化学储能技术的发展带来新的突破。

电化学储能的作用

调峰填谷

电化学储能系统可以根据电网负荷的峰谷变化，灵活地储存和释放电能。在电网负荷低谷时，储能系统能够将多余的电能储存起来，避免电能的浪费。例如，在夜间用电低谷期，发电厂仍在持续发电，此时电化学储能系统可以将多余的电能储存起来。而在电网负荷高峰时，如白天的用电高峰期，储能系统可以释放电能，缓解电网的供电压力。这样一来，不仅可以提高电网的稳定性和可靠性，还能有效利用能源，降低能源浪费。

提高可再生能源消纳能力

可再生能源发电具有间歇性和波动性，这给电网的稳定运行带来了挑战。然而，电化学储能系统可以平滑可再生能源的输出功率，提高可再生能源的消纳能力。以风力发电为例，风的强度和方向是不稳定的，导致风力发电的输出功率也不稳定。而电化学储能系统可以在风力强时储存多余的电能，在风力弱时释放电能，从而使风力发电的输出功率更加稳定，提高其在电网中的消纳能力。同时，这也促进了可再生能源的广泛应用，为实现可持续发展提供了有力支持。

提供应急电源

在电网发生故障或自然灾害等紧急情况下，电化学储能系统可以作为应急电源，为关键设备提供电力保障。例如，在地震、洪水等自然灾害发生时，电网可能会遭到破坏，导致大面积停电。此时，电化学储能系统可以迅速启动，为医院、通信基站、应急指挥中心等关键设备提供电力，确保电力系统的安全可靠运行，保障人民生命财产安全和社会稳定。

参与电力市场交易

电化学储能系统可以作为电力市场的参与者，通过买卖电能实现盈利。在电力市场中，电价会随着供需关系的变化而波动。电化学储能系统可以在电价低时储存电能，在电价高时释放电能，从而获得差价收益。同时，储能系统还可以为电网提供调频、调压等辅助服务，提高电网的运行效率和稳定性。例如，当电网频率发生波动时，储能系统可以快速响应，通过释放或储存电能来调整电网频率，使其保持在稳定范围内。这不仅为储能系统带来了经济收益，也提高了电网的整体性能。

电化学储能的应用场景

1. 发电侧储能

在发电侧，电化学储能主要功能包括平抑出力、调频 / 调压、削峰填谷。其中削峰填谷是其最核心的功能，即在新能源发力高峰时消纳弃风、弃光；在新能源发力不足时放电，来平滑发电输出，提高新能源发电利用率。例如，当风力发电在强风时期产生大量电能时，若电网无法完全消纳，储能系统可将多余的电能储存起来；而在风力较弱时，再将储存的电能释放，确保电力输出的稳定性。通过这种方式，不仅能有效减少新能源发电的浪费，还能提高整个电力系统对新能源的接纳能力。

2. 电网侧储能

电网侧储能功能以电力辅助服务为主，主要包括调峰、调频、无功调节、电力系统备用和黑启动。其中调峰、调频是主要的辅助手段。在电负荷较低的 “谷段”，储能系统从电网充电；在电负荷较高的 “峰段”，储能系统向电网放电，以此来平滑电力需求分布。当用电负荷变化引起电网频率改变时，电网内各运行机组的调节系统将根据各自的静态特性改变机组的功率，或通过增减某些机组的负荷，以恢复电网的频率，从而适应外界负荷变化的需要。例如，在某个区域用电高峰突然来临，电网频率下降，此时储能系统可以迅速释放电能，增加电网的有功功率，使频率恢复正常。

3. 用户侧储能

用户侧储能主要功能有 “削峰填谷”、新能源消纳和容量管理。对于一般工商业用户而言，通常利用储能在电价便宜的时候充电，在电价贵的时候放电，来达到降低度电成本的效果。例如，在一些实行峰谷电价的地区，企业可以在夜间低谷电价时段为储能系统充电，白天高峰电价时段使用储存的电能，从而降低用电成本。对于 5G 基站、数据中心等这类用户而言，储能更多的是充当备用电源的角色。这些场所一旦停电，将会带来巨大损失，储能系统能够在电网故障或紧急情况下迅速启动，为关键设备提供电力保障，确保业务的正常运行。