为了支持能源系统的脱碳，需要增加间歇性可再生电力的发电量，但平衡电网是一项挑战。因此，当发电量大于需求或需求超过发电量时，需要通过电池储能技术（BESTs）等储能技术来存储多余的能量。
中国科学技术大学陈维教授等人描述了正在开发的用于电网规模储能的BESTs，包括高能、水性、氧化还原流、高温和气体电池。电池技术支持各种电力系统服务，包括提供电网支持服务和防止弃电。与抽水蓄能等广泛应用的储能技术相比，BESTs储能技术具有位置灵活、部署相对较快等优势，有利于其在分布式储能中的应用。BESTs系统的技术要求（如响应时间、寿命、往返效率、容量和自放电）因储能应用而异；在潜在的用例中，成本和安全性是重要的考虑因素。BESTs的部署越来越多，因此需要解决安全性、成本、使用寿命、寿命终止管理和温度适应性方面的关键挑战。
相关工作以《Battery technologies for grid-scale energy storage》为题在《Nature Reviews Clean Technology》上发表论文。这也是中国科学技术大学首次在《Nature Reviews Clean Technology》上发表论文。第一作者：蒋涛立、沈冬阳、张作栋。
陈维，中国科学技术大学应用化学系特任教授，博士生导师，合肥微尺度物质科学国家研究中心教授，国家级人才项目青年计划入选者。2008年于北京科技大学获材料物理学士学位；2013年于阿卜杜拉国王科技大学获材料科学与工程博士学位；2014-2018年于斯坦福大学从事博士后研究工作，导师为崔屹教授；2018-2019年在EEnotech公司担任科学家；2019年7月入职中国科学技术大学，专注于大规模储能电池、电催化等研究。
独立建组以来，作为（共同）通讯作者在Chemical Reviews, Nature Communications, JACS, Advanced Materials, Advanced Energy Materials, Advanced Functional Materials, Nano Letters, ACS Catalysis, eScience, Energy Storage Materials等国际期刊发表学术论文30余篇，论文总被引8000余次，H因子44。研究成果获得美国专利5项，中国发明专利二十余项。担任eScience, Nano Research Energy, Energy Materials Advances, Battery Energy, Carbon Energy, Chinese Chemical Letters, Transactions of Tianjin University杂志青年编委。
图1 GSES技术的发展与应用
可变可再生能源发电正在扩大；例如，仅在2023年，全球每年就新增了510千兆瓦的可再生能源装机容量。然而，风能和太阳能发电是间歇性的。在某些条件下，产生了多余的可再生能源，而没有储存，则被削减了；在其他情况下，需求大于可再生能源的发电量。因此，需要电网规模的储能系统（GSES）来储存多余的可再生能源，以便在发电不足时按需释放。针对GSES系统已经提出并开发了各种技术，包括电池储能技术（BESTs）、抽水蓄能水电（PSH）、压缩空气储能、电化学电容器、热储能系统、氢储能和飞轮（图1a）。
PSH历来主导着全球GSES系统，由于其高可靠性、先进的技术成熟度和较长的基础设施使用寿命（40年），占部署的存储功率的95%。然而，PSH受地理地形的限制，不适用于规模小于1 MW的分布式储能系统。与其他GSES系统相比，由于其紧凑的设计、模块化的可扩展性、快速部署能力和对特定地理条件的最小依赖，BESTs通常具有低投资门槛、高功能和地理灵活性。
BESTs，特别是LIB技术，可以在各种场景中提供能量存储，包括太阳能发电厂，海上和陆上风力发电设施，电网传输系统和电力消费领域，如商业和工业部门，住宅社区，以及离网储能解决方案和通信站（图1b、c和2a）。
图2 电池储能系统应用
电池储能系统通常包括电池、电池管理系统、功率转换系统和能量管理系统（图2b）。电池（主要包括正极、负极、电解液、隔膜和集流体）是电池系统中最关键的单元，因为它在很大程度上决定了系统的性能。电池模块是由多个电池串并联组成的组合，通过电池管理系统可以形成电池组。电池管理系统用于监控电池电压、温度和充电状态，调节电池的充放电，保证电池系统的正常运行。大容量储能容器通过与辅助设备连接组成多个电池组，以管理容器内部环境。蓄电池产生的直流电经功率转换系统或双向逆变器处理后，输出交流电并提供给电网。同时，电池储能系统可以在必要时储存来自电网的电力。
因此，了解BESTs的应用和性能要求（包括安全性、寿命、成本、自放电、往返效率（RTE）和容量）对其开发和应用至关重要。
图3 储能场景及其性能要求
主要的发电储能服务包括可再生能源并网、黑启动、调峰、长时间储能和季节性储能（图1b和图3）。在可再生能源整合中，BESTs用于存储可再生能源。因此，与传统发电技术相比，这些技术的成本必须具有竞争力，安全可靠，使用寿命与风力涡轮机和太阳能电池板的典型使用寿命（通常超过20年）一致，这一点至关重要。
随着可变可再生能源发电的扩大，对长时间储能（放电时间超过10小时）和季节性储能（放电时间超过160小时）的需求日益增加。对于长时间储能和季节性储能的应用，最佳储能电池需要具有低成本、扩展容量、长寿命和低自放电（每月
电网的储能服务包括频率调节、负荷跟踪、电压支持、电网拥堵缓解和电网升级延迟。频率调节和负载跟踪主要是为了平滑整个电网频率和电压的连续和突然变化。调节响应快速的频率波动，负载跟踪响应较慢的变化。频率调节和负载跟踪需要高响应和可靠的BESTs。电压支持是指对电网的无功功率进行调制，目的是将电压水平维持在可接受的范围内。电压支撑是典型的基于功率的应用，放电时间相对较短，但工作频率高，要求BEST提供快速响应时间，高功率密度和长循环寿命。
由于发电和用电之间的不平衡，电价可能在不同时间波动。因此，在电价较低的时候给储能电池充电，并在用电高峰时段出售储存的电力是有利可图的。此外，对于用电需求高的工业地区，在电价较高的情况下，通过光伏发电，储存在电池中自用，可以降低电费。由于邻近工业和居民区，商业和工业能源储存需要高度安全，以防范任何可能的安全风险。存储系统的平均成本、占用空间和RTE也是BESTs消耗的主要考虑因素（图3）。由于其高RTE、高能量密度和成本效益，LIBs在这些场景中得到了广泛的应用。然而，由于与LIBs相关的安全隐患，一些用户选择更昂贵但更安全的替代品。
电池存储在离网的偏远地区、通信站或岛屿上也很重要，因为光伏和风能收集在这些应用中使用得越来越多。电池储能具有安全性高、使用寿命长、免维护等特点，可作为离网地区蓄电和供电的解决方案（图3）。在这种情况下，需要考虑当地的温度，特别是在低温低于-20℃或高温超过50℃的地区。应选择能在这些条件下保持性能的电池系统。对于温度适应性差的蓄电池，需要在蓄电池系统中加装空调等辅助设备。
储能需求因应用而异（图3）。大多数场景对安全的要求都很高，特别是在居民和资产集中的工业和商业场景中（图3）。低成本在所有情况下都是理想的，以实现更高的投资回报，特别是对于长时间储能和季节性储能。例如，根据一项估计，当储能系统的资本成本低于每千瓦时5美元时，储能系统的季节性运行就具有成本效益。相比之下，2023年锂离子电池（包括电池和电池组）的成本约为每千瓦时100美元。平准化成本直接关系到电池寿命；更长的寿命可以延长投资回收期。它还可以减少电池废物的总量，再处理和回收。离网储能、自用和电能套利等需要高循环频率和高可靠性的场景往往受益于更持久的电池。
图4 BESTs的工作机制和性能
由于其高能量密度（磷酸铁锂技术为160-200 Wh kg-1）、长寿命（1500-8000循环）和高制造就绪水平，LIBs是BESTs的主要选择（图4a）。2023年，用于储能的LIBs全球部署达到83吉瓦时，预计到2030年将增加到600吉瓦时左右。高能电池系统的装机容量从几兆瓦到几百兆瓦不等。然而，LIBs中潜在的热失控风险导致用户犹豫不决。此外，诸如成本、与资源回收和再利用有关的挑战以及大规模生产过程对环境的影响等因素是阻碍它们作为最佳方法广泛采用的关键限制因素。因此，提高安全性和优化资源回收途径是LIB开发的两个关键研究重点。
水系电池，如LABs电池、镍氢电池和ZIBs电池，热失控的风险可以忽略不计。这些电池特别适合静态GSES，具有严格的安全性，但能量密度要求较低（如通信基站的备用电源）（图4b）。LABs使用具有成本效益的元素铅作为正极和负极材料，硫酸水溶液作为电解质。它们的铅回收率超过97%，RTE范围为75%至85%，能量密度在30至50 Wh kg-1。LABs电池的主要缺点是寿命有限，通常不到1000次循环。作为一项成熟且经济可行的电池技术，LABs广泛应用于多个领域，包括启动，照明和点火，不间断电源系统和备用电源解决方案。随着锂离子电池成本的下降，LABs在固定储能方面面临竞争压力。然而，它们的成本效益和安全性将确保它们继续在专门应用中使用。在全球范围内，许多公司已经成功地将LABs应用于GSES项目（通常小于100兆瓦时）。
镍氢电池使用Ni(OH)2正极与含稀土金属氢化物负极在KOH水溶液中配对，同时具有中等能量密度（50-100 Wh kg-1）和较低的环境毒性。然而，Ni-MH系统的自放电（每天放电1%）以及镍和稀土元素的使用导致成本高昂，限制了电网规模的渗透。Zn2+/Zn氧化还原对在水性电池中表现出非凡的前景，结合了金属锌的高重量容量（820 mAh g-1），低氧化还原电位（-0.76 V），低成本（每公斤金属锌-1的实际能量密度和高输出电压（约1.7 V）。然而，由于寄生反应导致的不良Zn枝晶的形成和电解质中H2析出，是阻碍开发电池堆的主要因素。
氧化还原液流电池（RFBs）将能量储存在含有含能氧化还原活性物质的可流动电解质中（图4c）。能量存储单元（电解液罐）和反应器（电化学电池堆）是分开的，其中能量（由电解质的体积和浓度决定）和功率（由电池堆决定）是分离的。因此，液流电池具有很高的可扩展性和设计灵活性，适用于GSES应用。根据氧化还原物质的种类，可分为钒型、铁-铬型、锌-溴型、含铁型和水性有机型。钒基RFBs代表了最成熟的液流电池技术之一，具有固有的不可燃性、低交叉污染风险（由于单元素氧化还原对具有可回收电解质）和长循环寿命（超过10000次循环）。
钠硫（Na-S）电池是典型的高温电池，钠和硫分别作为阳极和阴极的活性物质，Al2O3作为固体电解质和隔膜（图4d）。Na-S电池具有高能量密度（150-300 Wh kg-1）和高放电电流（200-300 mA cm-2）。然而，Na-S电池的高工作温度（300-350℃）给储能工厂带来了安全风险。高温Na-S电池面临的主要挑战包括热管理、材料腐蚀和密封问题。一个主要的研究重点是降低这些电池的工作温度，例如通过开发中温甚至室温的Na-S电池。
气体电池是由可逆的气体催化氧化还原反应驱动的（如氢的析出和氧化，氧的还原和析出）。在气-液转化反应中使用氧气使氧电极获得高的面容量。结合使用成本低廉的对电极，如铁，氧基电池系统对于长时间的能量储存具有吸引力。此外，氢电池具有高能效和长循环寿命，可用于商业和工业储能应用（图4e）。镍氢（Ni-H2）电池具有很长的循环寿命（30万次循环）和高可靠性，已在太空应用中使用了40多年而无需维护。非贵金属催化剂（如镍钼催化剂）的进步，以及具有优化气固液界面的气体扩散电极的发展，降低了电池成本，每千瓦时低至80美元。
图5 BESTs的安全和成本挑战、有效策略
在GSES中，BESTs面临的主要挑战包括安全性、成本、循环寿命、可回收性和温度适应性。在此描述这些挑战并讨论可能的解决方案。火灾和爆炸通常是由热失控引起的，热失控主要发生在高温和高能电池系统（如LIBs）中。热失控可由机械滥用、电滥用、热滥用和自然灾害等因素触发（图5a），并可扩散到邻近的电池，破坏或摧毁系统。高温电池还存在热稳定性和机械方面的挑战，因为高工作温度会增加熔融正极和负极的反应活性。如果熔融的正极与液态金属负极直接接触，电池的温度可能会上升到475℃。
通过电池创新、制造管理和系统管理，可以优化电池系统安全性（图5b）。电解液的设计和优化是解决热失控安全问题的一种方法。以不可燃水作为电解质溶剂的水性电池被认为比高能和高温电池更安全。但作为质子溶剂，其电化学稳定窗口有限，制约了水性电池的输出电压和能量密度。为此，研制出了高浓度电解质（盐浓度极高）。这些电解质可以降低水电解质中质子的活性，并将水电解质的电压窗口扩大到3 V以上。然而，这些电解质是昂贵的，因为需要大量的高可溶性金属盐来产生高浓度，这些盐的成本通常高于商业化的盐。因此，已经提出了局部高浓度电解质，它受益于宽的稳定窗口和大大减少溶质的使用。尽管这种方法显示出提高能量密度和提高水性BESTs安全性的潜力，但由于依赖昂贵的稀释剂、电解质离子扩散缓慢和界面副反应，其发展仍处于起步阶段。
用于报警系统、警告模块和其他辅助设备的异常感应装置也将有助于提高电池系统的安全性并减少电池损坏。例如，发现氢探测器在烟雾前639秒和火灾前769秒预测热失控。通过将危险响应系统集成到电池和热管理系统中，当检测到危险时，可以通过立即关闭和分离异常电池来防止进一步的损坏或安全风险。进一步发展先进的监测和传感系统、通风系统和危险反应系统（例如使用非导电和不可燃冷却介质代替水的系统）可以提高电网中使用的BESTs的安全性。
除了安全，为GSES选择BESTs时的另一个重要考虑因素是成本效益。BEST成本主要包括资金成本、建设和调试成本、电厂平衡成本、电力转换系统成本以及运行和维护成本（图5c）。资本成本与能量存储单元（电池组）的成本有关。建造和调试费用包括场地设计费用、与设备采购和运输有关的费用以及安装所需的人工和零件费用。设备平衡成本是指必要的组件支出，如现场布线、互连变压器和系统运行所需的其他辅助设备。功率转换系统的成本包括逆变器和包装的成本，以及容器和逆变器控制的成本。BESTs的报废成本也相当可观。
资本成本通常是最佳电池总成本中最重要的组成部分，部分原因是电池中使用的资源（图5d）。一般来说，ZIBs、LABs和SIBs的资本成本相对较低，因为它们使用了大量相对便宜的活性材料。由于镍、钒和离子交换膜的高成本，碱性镍基电池和钒基RFBs与其他BESTs相比具有更高的成本。LIB技术目前是最具成本效益的选择之一，因为其先进的技术准备和建立的制造成熟度，与美国能源部设定的目标一致。然而，由于公司之间正极、资源供应和技术路线图的差异，LIBs的资本成本波动很大（每千瓦时50-250美元）。随着其他BEST候选材料的技术成熟度和制造成熟度达到与LIBs相当的水平，元素丰度预计将成为影响BEST成本的最大因素之一。
降低BESTs本身的成本可能是降低整体系统成本的有效方法，例如用更实惠的替代品替换电池中昂贵的组件（图5e）。例如，从2020年12月到2022年4月，碳酸锂的价格上涨了830%，影响了LIBs的价格。因此，用钠、钾、钙和锰等更丰富的元素代替锂，这些元素具有类似的“摇椅”工作机制，可以降低BESTs的成本。另一种替代策略涉及提高电池、模块和系统的能量密度（图5e）。这种方法有效地减少了配件（如单元连接和容器）的数量，从而降低了总成本。对于高能电池，提供更大工作电压差和更高比容量的新电极对可以提高能量密度。提高RFBs能量密度的两种最有效的方法是增加氧化还原活性物质的溶解度和扩大负极电解质和正极电解质之间的工作电位差。对于特定的正极和负极氧化还原对，LABs的主要能量密度增强策略是通过开发流动化学技术和先进的集流设计来降低它们的非活性比。
图6 各种BESTs的使用寿命和回收
寿命是BESTs的关键电化学性能指标，它从根本上决定了BESTs在各种操作场景中的适用性。目前，循环寿命是主要的寿命指标（图6a）。从投资回报的角度来看，延长循环寿命对于大多数储能应用来说是非常可取的，以最大限度地提高系统利用率和经济可行性。由于不同技术在材料稳定性、结构完整性和环境弹性方面的差异，电池的循环寿命存在很大差异。例如，Ni-H2电池和钒基RFB系统可以超过15000次循环，而传统实验室通常只能提供300-1000次循环。这种耐久性的差异创造了独特的技术领域：具有长周期稳定性的电池主导了需要频繁深循环的应用（例如套利），而短周期的替代品在浅放电深度或低循环频率的场景（例如不间断电源）中使用有限。
目前在电动汽车或电网系统中使用的许多电池预计将在未来几十年内退役。它们的不当处理可能导致电池资源损失和环境污染，需要强大的电池再利用和回收系统（图6b）。以LIB、LABs、高温Na-S和VRFB技术为代表的大多数BESTs都是可回收或可重复使用的。例如，由于设计简单，LABs的回收相对简单，阴极和阳极都使用了铅基材料。同样，钒离子作为活性物质直接储存在电解液中的VRFBs也可以有效地回收。相比之下，LIBs的回收利用由于其复杂的结构和多样化的化学成分而面临挑战。
不适合重复使用的电池（例如由于容量损失）可以进行再生。这一过程可以补充失去的离子，修复受损的活性物质，从而恢复电池的性能。再生技术的发展仍处于早期阶段，主要是由于在修复过程之前需要细致的预处理，这限制了其可扩展性。然而，与再利用相比，再生有可能恢复寿命终止的活性材料的大部分甚至全部电化学性能。这种能力可以减少与资源回收有关的能量损失。当用过的电池不能重复使用或再生时，它们可以被回收和重建。在这一过程中，活性物质通过湿法冶金、热法冶金或这两种方法的结合，以及其他新方法，被分解成元素。回收的材料可用于新电池的生产。
Battery technologies for grid-scale energy storage，Nature Reviews Clean Technology，2025.
https://www.nature.com/articles/s44359-025-00067-9