隨著全球可再生能源的普及應用、電動汽車產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展以及智能電網(wǎng)的建設，儲能技術(shù)成為制約抑或促進能源發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。儲能的本質(zhì)是實現(xiàn)對電能的儲存，在需要的時候釋放出來。目前可再生能源技術(shù)主要有風能、太陽能、水力發(fā)電。它們都存在較大的不可預測和多變特性，對電網(wǎng)的可靠性造成很大沖擊，而儲能技術(shù)的發(fā)展可有效地解決此問題，使得可再生能源技術(shù)能以一種穩(wěn)定的形式儲存并應用。另外，作為未來電網(wǎng)的發(fā)展方向，智能電網(wǎng)通過儲能裝置進行電網(wǎng)調(diào)峰，以增加輸配電系統(tǒng)的容量及優(yōu)化效率。在整個電力行業(yè)的發(fā)電、輸送、配電以及使用等各個環(huán)節(jié)，儲能技術(shù)都能夠得到廣泛的應用。

　　目前的儲能技術(shù)主要包括機械儲能、化學儲能、電磁儲能和相變儲能。機械儲能主要分為抽水儲能、壓縮空氣儲能和飛輪儲能，存在的問題是對場地和設備有較高的要求，具有地域性和前期投資大的特點。化學儲能是利用化學反應直接轉(zhuǎn)化電能的裝置，包括電化學儲能（各類電池）和超級電容器儲能。電磁儲能主要是指超導儲能，主要問題是高的制造成本以及低的能量密度。而變相儲能是通過制冷或者蓄熱儲存能量，儲能效率必然較低。與其它幾種方式相比，電化學儲能具有使用方便、環(huán)境污染少，不受地域限制，在能量轉(zhuǎn)換上不受卡諾循環(huán)限制、轉(zhuǎn)化效率高、比能量和比功率高等優(yōu)點。

　　自1859年勒克朗謝發(fā)明鉛酸蓄電池以來，代表電化學儲能的各類化學電池始終朝著高容量、高功率、低污染、長壽命、高安全性方向發(fā)展，涉及各種形式的儲能體系，成為儲能領(lǐng)域中最重要的組成部分。

　　電化學儲能主要包括鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池、釩液流電池、鋅空氣電池、氫鎳電池、燃料電池以及超級電容器，其中鉛酸電池、鋰離子電池、鈉硫電池和液流電池是研究熱點和重點。表1對這幾種電化學儲能電池的各項參數(shù)做出了詳細對比。

　　1、鉛酸電池

　　鉛酸電池是最早商業(yè)化的儲能電池體系，其主要由及其制成，是硫酸溶液。鉛酸電池狀態(tài)下，主要成分為，主要成分為鉛；放電狀態(tài)下，正負極的主要成分均為。用化學反應方程式表示為：

　　早期的鉛酸電池都采用流動電解液體系，當電池處于過充狀態(tài)時會消耗電解液中的水，在正負極分別生成氧氣和氫氣，所以在使用過程中需要定時加水以維持電解液平衡。同時，早期鉛酸電池還存在過充、酸泄露、正極板變形等問題。

　　到20世紀末，閥控技術(shù)的應用為鉛酸電池帶來了重大的技術(shù)突破。閥控鉛酸(VRLA)蓄電池的設計原理是將一定數(shù)量的電解液吸收在極片和隔板中，以此增加負極吸氧能力，阻止電解液損耗，使電池能夠?qū)崿F(xiàn)密封。在密封體系中，當電池過充時可以實現(xiàn)一個內(nèi)部的氧循環(huán)，正極產(chǎn)生的氧氣與負極的海綿狀鉛反應，使負極的一部分處于未充滿狀態(tài)，擬制負極氫氣的產(chǎn)生，從而有效地解決電解液流失以及漏酸等問題。閥控鉛酸蓄電池的比能量可以達到35Wh/kg或70Wh/L，同時功率和能量效率分別達到90%以及75%，而每月自放電低于5%，生命周期可以達到8年，充放電循環(huán)1000次。由于鉛酸電池價格便宜、構(gòu)造成本低、可靠性好、技術(shù)成熟，已廣泛應用于汽車蓄電池以及各類備用電源。

　　鉛酸電池的市場占有量在蓄電池中高達30%，但由于鉛酸電池正極活性材料軟化脫落、板柵腐蝕、負極活性材料不可逆硫酸鹽化，導致其循環(huán)壽命較短，在高溫條件下更為嚴重。

　　近年來，以碳作為鉛酸電池活性物質(zhì)載體可大大提高其比能量和比功率。這種電池的原型——鉛碳超級電池，其結(jié)構(gòu)相當于將一個雙電層電容器與傳統(tǒng)的鉛酸電池并聯(lián)使用，使鉛碳電池兼具了傳統(tǒng)鉛酸電池的高能量和電容器的高比功率。由于碳能夠起緩沖器的作用，與鉛負極分擔充/放電電流，特別是在高倍率電流充/放電時，復合負極板中的碳首先快速響應，能夠減緩大電流對鉛負極板的沖擊，顯著提高了電池的使用壽命(>5000次)。然而超級電池存在的最大問題就是在生產(chǎn)過程中不可避免會帶來重金屬污染，雖然可以通過技術(shù)創(chuàng)新加以抑制，但難以避免由材料本身帶來的環(huán)境問題。

　　2、鋰離子電池

　　鋰離子電池由于具有高的比能量、優(yōu)異的循環(huán)性能和綠色環(huán)保等優(yōu)勢，已基本占據(jù)便攜式電子產(chǎn)品市場，如手機、筆記本電腦、照相機等。鋰離子電池的工作原理主要依靠鋰離子在正極材料（金屬氧化物）和負極（石墨）之間嵌入和脫出來實現(xiàn)能量的儲存和釋放。用化學反應方程式表示為：

　　從以上反應可以看出，鋰離子電池具有很高的工作電壓（3.7V），比能量可達到150Wh/kg。鋰離子電池的性能主要依賴于電極材料和電解質(zhì)的發(fā)展，而電極材料的選擇尤為重要。1970年，層狀TiS2嵌入型材料首次應用為正極材料，而目前鋰離子電池的正極材料主要集中在LiCoO2、LiNiO2、LixMn2O4和LiFePO4。

　　LiCoO2由于具有電化學容量高、工作電壓高、循環(huán)性能好等優(yōu)勢，是鋰離子電池首選的正極材料，但是鈷由于資源匱乏、有毒和價格高等原因，限制了其更大規(guī)模的應用，尤其是電動汽車和大型儲能方面的應用。與LiCoO2相比，LiNiO2具有更高的體積比能量，同時價格更低、無污染、自放電低，是很有希望替代LiCoO2的正極材料。但是由于制備困難、安全性低以及穩(wěn)定性差等因素，LiNiO2正極材料的發(fā)展較為緩慢。

　　LixMn2O4具有三維隧道結(jié)構(gòu)，有利于鋰離子的嵌入和脫出，而且資源儲量大、價格低廉、安全性高，是一種非常有潛力的鋰離子電池正極材料，但是其比容量比LiCoO2低了近30%（110Ah/kg），并且存在錳離子溶解造成高溫循環(huán)性差等問題，限制了其在高能量密度電池中的應用，但有望在未來的大規(guī)模儲能領(lǐng)域發(fā)揮作用。

　　LiFePO4是一種具有橄欖石結(jié)構(gòu)的磷酸鹽化合物，它具有穩(wěn)定的充放電平臺，充放電過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好，安全性高，價格低廉，環(huán)保無污染，比容量可達160Ah/kg，是近年來發(fā)展最快的一種鋰離子電池正極材料體系，廣泛應用于電動汽車和儲能領(lǐng)域。LiFePO4存在的主要問題是振實密度低以及電子、離子電導率差，可以通過材料納米化、二次造粒、碳包覆和摻雜等方法來提高LiFePO4電化學性能。

　　目前商業(yè)化的鋰離子電池負極材料主要是石墨碳材料，理論比容量為372Ah/kg。其它一些非碳材料，如硅、錫等合金負極材料，雖然具有高的儲鋰容量，但由于其在脫嵌鋰時結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、循環(huán)穩(wěn)定性差、首周不可逆容量大等因素，距離商業(yè)化還有很長的道路。

　　總體來說，鋰離子電池具有輸出電壓高、比能量高、比功率高、充放電效率高、循環(huán)壽命長、自放電小、環(huán)境友好等諸多優(yōu)點，但是應用于大容量儲電仍然面臨電池的安全性和成本問題。有了各種安全性的電極材料、電池內(nèi)外安全保護措施以及合理安全的電池結(jié)構(gòu)設計，鋰離子電池的安全性問題將大大改善。同時，隨著材料制備技術(shù)的發(fā)展和電池制備工藝的改進，鋰離子電池成本也有望進一步降低，這將促使鋰離子電池逐步向大功率系統(tǒng)如電動汽車和大規(guī)模儲能電池等領(lǐng)域擴展，可能成為儲能領(lǐng)域的領(lǐng)先者。

　　3、鈉硫電池

　　鈉硫電池是美國福特公司于1967年發(fā)明的，最初為電動汽車而設計，隨后向儲能領(lǐng)域發(fā)展。鈉硫電池采用管式設計，中心以金屬鈉為負極，內(nèi)管（β-Al2O3陶瓷管）為電解質(zhì)隔膜，同時起到盛放金屬鈉的作用，外管為合成材料或不銹鋼金屬材料，用于盛放正極材料非金屬硫。在一定的工作溫度下（290℃以上），鈉離子透過電解質(zhì)隔膜與硫之間發(fā)生可逆反應，形成能量的釋放和儲存。用化學反應方程式表示為：

　　鈉硫電池額定電壓為2V，在工作過程中沒有任何副反應發(fā)生，具有極高的比能量(150~240Wh/kg)和比功率(150~230W/kg)，能量儲存和轉(zhuǎn)化效率高（90%），無自放電現(xiàn)象，循環(huán)壽命長(3000次)，對環(huán)境友好。目前我國設計的鈉硫電池容量達到650Ah，功率120W，通過單體的組合及串聯(lián)，可以達到兆瓦級，直接用于大型儲能。我國還沒有建成鈉硫儲能電站，中科院上海硅酸鹽研究所和上海電力公司合作開發(fā)的大容量儲能鈉硫電池處于示范階段。在日本，有多達30個鈉硫電池儲能電站用于電網(wǎng)調(diào)峰，總功率達到20MW。鈉硫電池最大的問題是需要在290℃以上的溫度工作，對電極材料的穩(wěn)定性提出了更高的要求，尤其是陶瓷隔膜和硫電極的抗腐蝕性能有待進一步提高，同時鈉硫電池的高成本也是制約其發(fā)展的重要因素。但是隨著材料技術(shù)的發(fā)展以及材料成本和制作成本的優(yōu)化，鈉硫電池必將在儲能領(lǐng)域占據(jù)重要的一席之地。

　　4、液流電池

　　液流電池是一種大規(guī)模高效電化學儲能電池。由于具有單獨的活性物質(zhì)儲液罐，液流電池的輸出功率和容量相對獨立，系統(tǒng)設計靈活，能量效率高，可深度放電而不損壞電池，自放電低，使用壽命長，設備維護和改造簡單，不受地域限制，成本低廉，安全環(huán)保，在智能電網(wǎng)領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用。目前研究和應用最廣泛的是全釩液流電池。

　　全釩液流電池的正負極活性材料都是釩離子，電池正極為VO2+/VO2+電對的硫酸溶液，負極為V3+/V2+電對的硫酸溶液，兩極由離子膜隔開。用化學反應方程式表示為：

　　日本的住友電工與關(guān)西電力公司于1990年成功研制出全釩液流電池10kW電堆，1996年研制出500kW級電堆，循環(huán)性能良好，經(jīng)過500多次循環(huán)，效率在80%以上，2000年日本已經(jīng)建成3MW級的全釩液流電站。全釩液流電池作為液流電池的代表，由于具有啟動快、成本低、可靠性好、操作維護費用低、使用靈活等特點，已廣泛應用于儲能電站、電網(wǎng)調(diào)峰等領(lǐng)域。

　　5、結(jié)束語

　　儲能技術(shù)是一項可能對未來能源系統(tǒng)發(fā)展及運行帶來革命性變化的技術(shù)。儲能技術(shù)促進了可再生能源的普及利用，推動著電動汽車行業(yè)的迅速發(fā)展。在智能電網(wǎng)領(lǐng)域，儲能技術(shù)更是發(fā)揮著越來越重要、越來越關(guān)鍵的作用。在眾多儲能技術(shù)中，進步最快的是電化學儲能技術(shù)，以鋰離子電池、鈉硫電池、液流電池為主導的電化學儲能技術(shù)在安全性、能量轉(zhuǎn)換效率和經(jīng)濟性等方面均取得重大突破，極具產(chǎn)業(yè)化應用前景。