陳 宇 劉明秋

1.國(guó)家電力投資集團(tuán)有限公司，遼寧沈陽(yáng)110000；2.遼寧能源股份有限公司，遼寧沈陽(yáng)110000

1 液態(tài)金屬電池的必要性及市場(chǎng)前景

近幾年，以風(fēng)能和太陽(yáng)能為代表的新能源的開(kāi)發(fā)利用發(fā)展迅速。風(fēng)能等取之不盡，用之不竭，且在生產(chǎn)使用過(guò)程無(wú)污染，它的價(jià)值已經(jīng)被充分認(rèn)識(shí)。然而，在新能源開(kāi)發(fā)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)：季節(jié)性變化、晝夜變化等使發(fā)電量波動(dòng)大，對(duì)電網(wǎng)造成沖擊，致使棄風(fēng)率較大，嚴(yán)重制約新能源行業(yè)的發(fā)展。風(fēng)電棄風(fēng)率達(dá)到20%左右，有些風(fēng)場(chǎng)棄風(fēng)率甚至達(dá)到40%，每年造成極大的直接經(jīng)濟(jì)損失。

進(jìn)入“十三五”以來(lái)，我國(guó)正創(chuàng)建能源發(fā)展的新格局。電力是我國(guó)能源戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型的重點(diǎn)，新一輪電力體制改革的主要工作集中在推動(dòng)大規(guī)?？稍偕茉聪{和配售電改革等方面。國(guó)家政策著重強(qiáng)調(diào)新能源調(diào)峰能力，調(diào)度運(yùn)行和調(diào)峰成本補(bǔ)償機(jī)制。儲(chǔ)能技術(shù)做為重要的調(diào)峰調(diào)頻手段，市場(chǎng)前景廣闊。 在新的電力市場(chǎng)發(fā)展環(huán)境下，作為重要的調(diào)峰調(diào)頻資源，儲(chǔ)能技術(shù)將在加強(qiáng)電力調(diào)節(jié)能力、增強(qiáng)電網(wǎng)的靈活性以及促進(jìn)集中式和分布式可再生能源并網(wǎng)消納等發(fā)面發(fā)揮重要作用。2017年3月，能源局發(fā)布的 《關(guān)于出金儲(chǔ)能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)（征求意見(jiàn)稿） 》明確了我國(guó)儲(chǔ)能發(fā)展的規(guī)劃和路徑、未來(lái)儲(chǔ)能發(fā)展的幾大應(yīng)用場(chǎng)景、儲(chǔ)能補(bǔ)貼政策實(shí)施路徑。削峰填谷和可再生能源消納是最大的儲(chǔ)能市場(chǎng)，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)3000億元。液態(tài)金屬電池作為重要的儲(chǔ)能手段將會(huì)創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

2 液態(tài)金屬電池優(yōu)勢(shì)

電力儲(chǔ)能主要有抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能及電池儲(chǔ)能。目前世界占比最高的是抽水蓄能，其次是壓縮空氣儲(chǔ)能，但受環(huán)境和容量制約，抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能難以進(jìn)一步突破。而制約電池儲(chǔ)能應(yīng)用的主要因素有充放電次數(shù)低、能量效率低和制造成本高等。隨著技術(shù)和材料的進(jìn)步，液態(tài)金屬電池解決了傳統(tǒng)電池儲(chǔ)能的弊端。液態(tài)金屬電池主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

①高電流密度。充放電電流密度高達(dá)1000mA/cm2。

②高循環(huán)壽命。電池進(jìn)行正常充放電，10000次后電池仍能保持初始容量的98%。

③高能量效率。在工作溫度為450℃下，電池以電流密度275mA/cm2進(jìn)行充放電，仍能保持98%的庫(kù)倫效率和73%的能量轉(zhuǎn)換效率。

④工藝簡(jiǎn)單、成本低。相對(duì)傳統(tǒng)電池，液態(tài)金屬電池不需要特殊的隔膜，使電池體系易放大和生產(chǎn)不受關(guān)鍵技術(shù)限制，儲(chǔ)能成本降低。

⑤安全可靠。穩(wěn)健的設(shè)計(jì)是安全的可靠保證。液流電池不會(huì)引發(fā)火災(zāi)等事故。液態(tài)金屬電池與其它電池儲(chǔ)能技術(shù)參數(shù)對(duì)比表如表1所示。

表1 液態(tài)金屬電池與其它電池儲(chǔ)能技術(shù)參數(shù)對(duì)比表

液態(tài)金屬電池儲(chǔ)能將成為我國(guó)電力行業(yè)實(shí)現(xiàn)削峰填谷和可再生能源消納最主要手段之一。液態(tài)金屬電池商業(yè)化成功后，系統(tǒng)度電成本將下降30%以上，具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。

3 液態(tài)金屬電池技術(shù)可行性

3.1 液態(tài)金屬電池工作原理

液態(tài)金屬電池成本低廉、使用壽命長(zhǎng)，適合新能源大規(guī)模并網(wǎng)存儲(chǔ)的需求，該項(xiàng)潛能，使其在短時(shí)間內(nèi)得到儲(chǔ)能技術(shù)研究及能源投資領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。其工作原理如圖1所示。

圖1 液態(tài)金屬電池的工作原理圖

液態(tài)金屬電池的組成部分，包含兩個(gè)液態(tài)金屬電極以及分隔它們的熔融鹽電解質(zhì)。其中，負(fù)極使用堿金屬或堿土金屬的合金。正極使用是銻、鉛、錫、鉍等過(guò)渡金屬及其合金。

電解質(zhì)使用的鹵鹽混合物與負(fù)極金屬對(duì)應(yīng)。在電池正常使用時(shí)，電極及電解質(zhì)受熱熔融且互不相溶，溶液受自身密度影響自動(dòng)分為三層。放電時(shí)，負(fù)極金屬α發(fā)生氧化反應(yīng)失去電子，電子外電路對(duì)外放電做功，陽(yáng)離子通過(guò)溶液遷移至正極，發(fā)生還原反應(yīng)。充電時(shí)，上述過(guò)程逆向進(jìn)行。

3.2 大容量液態(tài)金屬電池實(shí)現(xiàn)方法

大容量液態(tài)金屬電池是通過(guò)一個(gè)個(gè)單體電池的集成實(shí)現(xiàn)的，使生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本大大降低。首先將單體電池集成到一個(gè)電池托盤(pán)中，然后將電池托盤(pán)集成到電池塔，最后將電池塔集成到集裝箱中，形成大容量液態(tài)金屬電池組。液態(tài)金屬電池單體單元結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、空間少、形狀規(guī)則、易于生產(chǎn)制造，構(gòu)造如圖2所示。集成過(guò)程簡(jiǎn)單、容量可調(diào)、形狀可變，適應(yīng)不同的應(yīng)用和場(chǎng)合，如圖3所示。

圖2 液態(tài)金屬電池單體單元

圖3 液態(tài)金屬電池集成

4 液態(tài)金屬電池經(jīng)濟(jì)性分析

液態(tài)金屬電池集成組可以依托遠(yuǎn)大風(fēng)電公司風(fēng)力與發(fā)電機(jī)組結(jié)合，實(shí)現(xiàn)風(fēng)機(jī)組適當(dāng)“瘦身”，也可以直接銷(xiāo)售給其它電力公司，實(shí)現(xiàn)銷(xiāo)售盈利。同時(shí)，可以享受政府收益性補(bǔ)貼或者稅收補(bǔ)貼政策。一般情況下，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)電場(chǎng)只需配置總?cè)萘?0%的儲(chǔ)能電池就可以完成對(duì)于整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)的能量?jī)?chǔ)備支持，液態(tài)金屬電池儲(chǔ)能可靠，智能化運(yùn)行控制，操作便捷，易于維護(hù)，對(duì)于優(yōu)化風(fēng)場(chǎng)電量輸出、減少風(fēng)機(jī)和風(fēng)場(chǎng)設(shè)備配置具有積極的作用，同時(shí)又能實(shí)現(xiàn)削峰填谷和電能消納。

增加儲(chǔ)能后，風(fēng)機(jī)設(shè)備的硬件配置會(huì)減少，從而降低機(jī)組成本。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 單臺(tái)風(fēng)機(jī)設(shè)備節(jié)省成本一覽表

由上表可見(jiàn)，單臺(tái)風(fēng)機(jī)大約節(jié)省成本約3.3萬(wàn)元。以1.5MW風(fēng)機(jī)為例，對(duì)于4.95萬(wàn)kW單體風(fēng)場(chǎng)，通過(guò)“瘦身”可節(jié)省投資100萬(wàn)元。

假設(shè)4.95萬(wàn)kW單體風(fēng)場(chǎng)年有效小時(shí)數(shù)為2500h，每年減少6%的棄風(fēng)率，就能直接增加經(jīng)濟(jì)收益4000多萬(wàn)元。

實(shí)現(xiàn)削峰填谷和電能消納得到的巨大經(jīng)濟(jì)收益決定了液態(tài)金屬電池儲(chǔ)能的市場(chǎng)前景的廣闊。

5 結(jié)語(yǔ)

液態(tài)金屬電池作為新型的儲(chǔ)能手段，技術(shù)先進(jìn)，市場(chǎng)前景廣闊，經(jīng)濟(jì)收益空間大。

[1] 楊彥濤.鋰-空氣電池電解質(zhì)體系研究進(jìn)展[J].船電技術(shù), 2016（12）.

[2] 謝召軍, 張欣, 周震.金屬二氧化碳電池[J].電源技術(shù), 2017（5）.

[3] 中國(guó)環(huán)境報(bào).我國(guó)首個(gè)鈉鹽電池合作項(xiàng)目啟動(dòng)[J].儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù),2017, 6（2）：315.

[4] 張立玉, 路昭, 韋立川, 等.鋰電池性能與溫度相關(guān)性的基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2018（5）.

[5] 詹澍.未來(lái)的電池之星——鋰-空氣電池[J].化工設(shè)計(jì)通訊, 2017（5）.

[6] 周青青,韓雨,沈韋良,等.新型鋰空氣電池模具設(shè)計(jì)[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇, 2017（10）.

[7] 王祝堂.日本研發(fā)能量密度為鋰電池10倍的鎂空氣電池[J].輕金屬,2017（7）.