锂电池是最好的储能电池吗锂电池会着火，SO，到底那种储能技术更安全？|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

锂电池会着火，SO，到底那种储能技术更安全？

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文丨北极星储能网

1月12日在《韩国储能项目又双叒叕起火了！！如何破解储能安全问题？》的文章下，面对储能项目着火了，到底那一项储能技术更安全？大家的评论各式各样，抽水蓄能、钒液流电池、钠离子电池、三元电池、格力钛、所以，到底那种技术更安全？

抽水蓄能

抽水储能是物理储能的一种，是在电力负荷低谷期将水从下池水库抽到上池水库时将电能转化成重力势能储存起来，在负荷高峰时利用反向水流发电的形式，综合效率在70%到85%之间。相较于其它电化储能技术更加安全，但是对于地理环境有很高要求。

截至2021年10月，全国已投产和在建的抽水蓄能中，电网企业占据主导地位，但在储备项目方面，发电集团和地方能源企业获取的站点资源规模有赶超之势。

全国抽水蓄能已经投产3354万千瓦，其中国家电网和南方电网在运装机3066万千瓦，占比达到91.4%。全国在建抽水蓄能装机为5288万千瓦，其中国家电网和南方电网在建装机4488万千瓦，占比84.9%。

2021年9月，国家能源局发布《抽水蓄能中长期发展规划（2021-2035年）》（以下简称“规划”）。根据规划，本次中长期规划提出抽水蓄能储备项目247个，总装机规模约3.05亿千瓦。在发展目标方面，规划提出到2025年，抽水蓄能投产总规模6200万千瓦以上；到2030年，投产总规模1.2亿千瓦左右。

2021年12月30日，国网新源河北丰宁抽水蓄能电站投产发电大会召开。据了解该项目位于河北省承德市丰宁县，规划安装12台单机容量30万千瓦机组，总装机360万千瓦，总投资192亿元。电站创造了四项世界第一，即：装机容量世界第一，储能能力世界第一，地下厂房规模世界第一，地下洞室群规模世界第一。

2021年12月30日，三峡集团所属三峡建工浙江长龙山抽水蓄能电站3号机组顺利完成15天考核试运行，正式投产发电。

全钒液流电池

全钒液流电池在安全性、循环寿命和系统残值（资源循环利用）等方面具有突出优势，尤其适合应用在固定式大容量储能领域。全钒液流电池利用不同价态钒离子之间的相互转化，通过储存、释放化学能从而实现充放电。与锂电池不同的是，由于全钒液流电池电解质离子存在于水溶液中，发生热失控、过热、爆炸的可能性大大降低。

但是全钒液流电池最大的劣势是能量密度低于锂电池；且初次投资比锂电池高。储能系统成本的核心参数是：一次性投资成本和全寿命周期度电成本，在具有特定收益模式的应用场景下，一次性投资成本越低，投资回报期越短，全寿命周期度电成本越低，利润空间越大。

2021年8月29日，国家电投湖北绿动中钒新能源有限公司基地项目100MW/500MWh全钒液流电池储能项目开工。该项目总投资93.2亿元。其中，投资43.2亿元建设100MW全钒液流电池储能电站及500MW分布式屋顶光伏装机项目，投资50亿元建设1GW风电光伏发电项目。投资19亿元的100MW全钒液流电池储能电站项目，建设用地面积约120亩，预计五年内全部达产后，共实现产值20.95亿元，税收5200万元。

2021年6月24日，山西国润储能全钒液流电池项目已落地试投产。

钠离子电池

钠离子电池使用的材料是钠盐，性状稳定，因此安全性较高。此外，钠资源更加丰富，除了氯化钠以外，钠盐有碳酸钠、硝酸钠、硫酸钠、硫代硫酸钠等化合物，因此钠离子电池的原材料不会像锂电池一样有储量不足的担忧。

2021年8月25日，工信部在回复全国政协委员《关于在我国大力发展钠离子电池的提案》时表示：高性价比的钠离子电池有望成为锂离子电池的重要补充，尤其是在固定式储能领域将具有良好发展前景。

2021年11月12日，全球首台100kWh钠离子电池数字储能系统样机顺利通电，该样机也是乌兰察布“源网荷储”技术研发试验基地新型储能验证平台首个完成通电测试的试制储能集装箱。

2021年6月27日，全球首套1兆瓦钠离子储能系统，在山西太原正式投运。

三元电池

三元电池的优点是能量密度高、低温性能好、循环寿命长，但其高温的稳定性较差所以经常被人诟病不安全。而且因为钴资源密集分布在海外，并且储量相对于锂资源和镍资源来说，钴可开采的储量是最少的。行业内渐渐的有人认为应该用磷酸铁锂路线取代原本三元电池的使用。

2021年12月，我国动力电池产量共计31.6GWh，同比增长109.0%，环比增长12.0%。其中三元电池产量累计93.9GWh，占总产量42.7%，同比累计增长93.6%。

钛酸锂电池

钛酸锂电池是一种以钛酸锂为负极的可与锰酸锂、三元材料或磷酸铁锂等正极材料组成，钛酸锂电池具有体积小、重量轻、能量密度高、密封性能好、循环寿命超长、适用于低温、安全性好。国内厂家较少，目前厂家主要是格力钛。

中国工程院院士陈清泉曾公开表示：“我认为储能产业健康发展始终要把电池的安全性放在第一位，经过多年的实践证明，格力钛电池是目前锂电池领域安全性能最好的电池之一。”

格力钛储能系统早已应用于我国最大的风光储输示范工程——张北风光储输示范工程、中科院大同分所智慧储能系统平台、粤港澳大湾区城市群核心珠海横琴新区热电厂等项目。

格力钛储能系统落地四川凉山州、甘孜州、阿坝州等地，凭借其安全可靠、超耐低温、超长寿命的特性，格力钛储能系统作为备用电源可应对高海拔、超低温地区基站供电不足、意外断电等情况，保障通信基站安全工作和通讯畅通。

熔盐储能

熔盐储能是高安全、大容量、低成本、高可靠、长寿命、易回收的新型储能技术形式，且熔盐要比导热油便宜。熔盐可作为农业肥料且可大量获取。此外，它更加环保，无毒，不可燃。研究人员指出，熔盐储能技术存储能量的时间长于锂离子电池，成本甚至与目前最廉价的大规模储能方式抽水蓄能电站相当，且安全环保。

2021年11月9日，浙江省发改委发布《关于浙江省加快新型储能示范应用的实施意见》。文件提出鼓励探索开展储氢、熔盐储能及其他创新储能技术的研究和示范应用。

2021年11月19日，浙江首个“光伏+熔盐储热+液流储电”项目在杭州市钱塘区西子航空园区投运。

飞轮储能

飞轮储能利用电动机带动飞轮高速旋转，将能量存储于高速旋转的飞轮转子中，需要时飞轮带动发电机进行发电，是一种物理储能方式。飞轮储能具有高功率密度、充放电次数无限制、环境适应性强、无污染、工作效率高、使用寿命长、维护费用低等优点，且相较于其它电化储能技术更加安全。

2021年12月16日，国电投坎德拉（北京）新能源科技有限公司MW级飞轮储能系统成功交付内蒙古霍林河“源-网-荷-储-用”项目。

2021年11月10日，国家能源集团宁夏电力灵武公司光火储耦合22兆瓦/4.5兆瓦时飞轮储能工程开工，该项目是国内第一个全容量飞轮储能-火电联合调频工程。

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锂离子电池仍是动力、消费、储能电池的首选

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巨匠扛鼎，后继不竭

肯定，2019年锂离子电池斩获诺贝尔奖

锂电池是继LED后又一个对人类文明作出突出贡献并使其研究开拓者获得诺贝尔奖的工业产品，是截至目前移动供电的最佳物质载体，催生/优化了新能源汽车、笔记本电脑、功能/智能手机、电动工具、电化学储能、无人机等多个行业，是一系列里程碑式应用创新的底层支持者。

跨越，锂电具备综合优势

自上世纪下半叶以来，锂离子电池的主要组成部分正极、负极、电解液、隔膜持续取得技术进展。在多指标评价体系中，锂离子电池的表现大幅优于其他二次电池。质量/体积能量/功率密度、日历/循环寿命、充放效率等参数在众多储能技术中拔得头筹；规模、自放率、寿命等技术指标也居于前列。可以认为，锂离子电池是储能技术，尤其是电池储能技术跨越式发展的里程碑。

前进，技术工程层面优化中

我们认为，动力电池的技术发展方向在经历为时总计约5年的“能量密度为王”时代之后，已开始逐步转向“N专多能”的均衡实用时代；消费电池的单体带电量、倍率性能等还将有所提升；储能电池对成本、寿命的要求仍将持续。

从电池单体能量密度计算式E=U/[1/Qc+1/Qa+minact]出发，综合考虑成组效率，我们估计，现有体系下的动力电池包质量能量密度约200Wh/kg或稍多，体积能量密度约300Wh/L或稍多，深充深放倍率3C基本就是极限。

总而言之，技术-工程层面的优化难以使得电池及新能源汽车再一次经历“脱胎换骨”级别的改变，相当于此前锂离子电池战胜铅酸、镍镉、镍氢电池级别的改变。只有科学层面的创新才可能让电池及新能源汽车的常规使用性能走向下一次跨越。

远瞻，不确定之下科学征程

“下一代电池”概念宽泛且概念间有交叉，但回归本质，多立足某一种载流子，对相应的正负极、电解质等进行革新。我们估计，最适合作为动力电池载流子的元素大概率仍然是锂；“下一代电池”将主要面向动力电池的质量/体积能量密度提升，正极仍然是电池性能的主要瓶颈，负极、电解质的作用也相当关键。固态电池、锂硫电池等等均有相当价值。“科学创新性”和“工程应用性”将同时贯穿“下一代电池”研究工作始终。

三星长寿命高能量密度固态电池

三星长寿命高能量密度固态电池取得研究进展

三星的多名学者在顶级期刊Nature Energy上发表论文，制备了以高镍三元材料为正极，硫系材料为固体电解质，以银-碳复合薄层作为负极（及过渡层）的，无过量锂添加的长寿命固态电池：0.6Ah软包电池具备超过900Wh/L的体积能量密度，和超过1000次的循环寿命。研究者希望通过此研究希望解决的问题是：通过引入银-碳复合薄层作为负极（及过渡层），彻底改造固体电解质-金属锂之间的界面，使得全电池既享受锂负极的优势，又规避其弱点。

电池材料体系构建：银-碳复合负极薄层是关键亮点

研究工作使用的正极材料为锆酸锂包覆的高镍三元NCM材料，负极及过渡层材料为粒径约60nm的银纳米颗粒、粒径约35nm的炭黑和其他助剂，该材料中银的质量分数约为25%，体积分数约为8%。使用的电解质为硫系固体电解质。

电池循环机理：负极（及过渡层）砥柱中流

电池循环前，负极（及过渡层）形貌规整，元素分布均匀；首次充电后，致密的锂层在过渡层后形成，少量锂和银结合为银锂合金，并分布于过渡层及锂层内；放电后，锂层完全消失，而金属锂回归正极。多次循环后，银在复合负极中的位置向负极集流体富集，而这种富集会进一步有利于电池（充电时形成、放电时消失的锂金属负极微观结构和循环性能的保持）。各种体材料及界面得到深度优化。

电池循环性能：容量较高，寿命可用

电池的能量密度测算为900Wh/L以上，高于松下为特斯拉提供的21700圆柱电池单体（~700Wh/L）。固定60oC、4.25V充电截止电压和0.1C充电倍率，电池的放电容量在200mAh以上；固定0.5C充放倍率、2.5-4.25V充放深度、60oC循环温度的条件下，电池稳定循环约1000次，库仑效率超过99.8%，容量保持率超过80%。电池对温度敏感，固定0.1C的较低充放倍率，电池在45oC保持了较高的放电容量，但25oC时容量衰减就比较严重。随着温度的进一步降低，电池容量也继续降低。室温及以下的温度不利于性能释放。

总结与评论：科学创新性强，工程应用性还需进一步的工作

银-碳负极（过渡层）基本解决了负极和固体电解质界面的问题，以及负极本身的问题。碳材料用于稳定负极-固体电解质界面，银用于稳定过渡层-锂“周期性负极”界面并且改善锂“周期性负极”的体材料性能。精巧的材料体系和结构设计为电池的有效循环提供了保障。

当然，硫系固体电解质和正极的相容性也为电池能量密度的发挥带来了积极作用。研究工作电池的体积能量密度更高，安全性更高，倍率虽有一定劣势但并非不可为消费者接受，循环寿命也可满足基本需求。但是，室温性能、倍率性能和较高成本（估计纳米银颗粒成本0.24元/Wh以上）影响了规模化应用前景，后续仍需要大量工作。

我们认为，固态电池最终将成为锂离子电池家族中的关键组成部分之一。其和液态锂离子电池有望优势互补，分别应用于符合对应需求痛点的场合：

固态电池的高安全性、相对高能量密度有望工业化、商业化实现；而液态锂离子电池的高倍率性能、高循环寿命、低成本优势有望保持。

高容量/活性物质载量硫系正极

高容量/活性物质载量硫系正极取得研究进展

澳大利亚莫纳什大学、比利时列日大学等高校及研究机构的多名学者在顶级期刊Science Advances上发表论文，制备了对体积膨胀具有高容忍度、循环寿命相对很高的硫系正极材料。该正极材料具有超过1200mAh/g的容量，在较低倍率下可循环超过200次。由于硫正极、硅负极等高容量、高地壳丰度的材料除电化学原理之外还存在循环过程中体积变化明显、结构破坏严重等问题，研究者构建了以胶状硫、碳材料和羧甲基纤维素组成的复合正极材料体系。

电池材料体系构建：刚柔并济的硫系正极

研究工作使用的正极材料为70%胶状硫、20%碳材料和10%羧甲基纤维素，不同样品的制备方式不同。研究者认为，只有干法混合、后续润湿，才可以获得高黏度、有电化学活性的正极。

电池循环性能与机理：活性物质-导电剂-粘结剂各居其位

对于干法混合-去离子水润湿的样品，其0.1C倍率下的放电容量高达1400mAh/g；即使加大活性物质载量40%，仍有超过1200mAh/g的放电容量；而对比样品容量出现明显退降，同等条件下放电容量在约800mAh/g以内。更高倍率、更长循环的测试结果表明，样品在0.2C倍率循环条件下库仑效率仍高于99%，200次循环后的容量剩余约为900mAh/g。

研究者认为，胶态硫对于研究工作的重要性很高。使用微米级晶态硫则材料的微观均匀性因循环过程中晶粒的不断粗化而遭到破坏。另外，纤维素粘结剂对研究工作的重要性也很高。相比于传统PVDF（聚偏氟乙烯）粘结剂，通过干法混合的纤维素即使后续被润湿部分溶解，仍可以较好地保持其粘结性能。

总结与评论：200次循环的高载量硫系正极，优秀的起点

研究者通过干法混合的方式制得了活性材料-导电剂-结构框架材料各得其所的硫系正极，很大程度上兼顾了高容量正极的力学性能和电化学性能。但是距离动力电池应用仍有倍率性能、循环寿命方面差距；而且体积能量密度、自放电性能尚不清楚。另外从全电池的角度看，过量锂负极的使用可能也有潜在的不利影响。锂硫电池的实用化尤其是动力电池化仍需要大量工作。

君臣佐使，NCMANCMA四元正极持续取得研究进展

韩国汉阳大学的Un-Hyuck Kim、Chong S. Yoon和Yang-Kook Sun是NCMA四元正极材料的研究先驱。自2016年以来，其NCMA四元正极材料不断取得研究进展，关键的镍含量从60%（2016年）逐步提升至76%（2017年）和89%（2019年）。研究者归纳，镍钴锰铝酸锂-NCMA正极材料有可能体现出更优越的性能：同等镍含量下的容量类似，但是其长时间循环的容量保持率、热稳定性、高温循环的容量保持率、电荷转移阻抗、微裂纹抵抗能力等性能表现均更好。

电池材料体系构建：前驱体镍钴锰，煅烧引入锂铝

研究工作使用的正极材料通过前驱体引入镍、钴（和锰），并通过添加氢氧化物煅烧引入锂（和铝）。获得的正极均为形貌均匀、粒径约5微米或稍多的团聚态颗粒。

电池循环机理与性能：“保持”的力量

在电池循环过程中，NCM、NCA、NCMA的若干区别导致了最终的性能差异。循环过程中，NCMA正极的晶格变形更小，断裂强度更高，有害的岩盐相形成更少，阻抗增加更少。最终，在不同充放深度、充放倍率、充放温度和循环次数条件下，高镍NCMA正极材料的容量保持率显著高于参比NCM和NCA（该NCA铝含量较低或为一处瑕疵），普遍达约85%或更高。另外NCMA的热稳定性也更高。

总结与评论：距离实用化或为期不远，尚需和现有体系巅峰对决

我们认为，研究者的工作或证明，NCMA材料距离实用化已相当接近。材料体系方面，前驱体-正极工艺相对成熟，并未选用昂贵的基材或昂贵的制备方法。性能比较方面，较贴近实用化的测试数据也有较详尽披露。如研究者的工作被进一步证实，亦即少量铝掺杂会对高镍动力电池正极产生较明显的积极作用，则产业界对高镍NCMA的热情可能超预期；如NCMA四元正极材料对现有体系的优化程度有限但成本可比甚至更低，则也有可能成为得到较广泛应用的正极材料技术路线之一。同时，不同材料体系组成、结构形貌方面的进一步工作也有待开展。

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