中国科学院院士赵天寿：长时储能技术缺口大，电化学流体电池大有可为

“目前中短时储能技术相对发展比较好，但是我们目前最缺的是长时储能技术。”10月21日，2023能源绿色低碳技术创新论坛在广州举办，中国科学院院士，南方科技大学碳中和能源研究院院长赵天寿在演讲中强调，长时储能技术缺口较大，必须重视电化学流体电池发展。

他指出，氢储能是一种非常绿色的储能技术。它的优势在于功率密度和能量密度都很高，选址非常灵活。目前来说，技术的挑战还是成本的问题，特别是储氢和运氢技术上还没有克服。全钒液流电池是目前相对成熟的技术，已经进入商业的初期阶段，国家非常重视，产业的空间非常大。目前主要是降低它的成本。

他在演讲中强调。要实现碳中和目标，新型电力系统需要大规模、高安全、不同时长的储能技术。长时储能技术缺口较大，我们必须重视长时储能技术的发展。特别是电化学流体电池，它有很多的优势，易模块化、时长灵活、安全、无地理限制，所以它特别适合长时储能，我们必须重视电化学流体电池的发展。

以下是赵天寿院士的演讲实录（有删减）。《储能研究院》发自广州。

尊敬的饶院士、雷院士、史玉波理事长，各位领导、各位嘉宾、女士们、先生们：早上好！

我是南方科技大学碳中和能源研究院赵天寿，今天非常高兴给大家分享储能技术。刚才饶院士的报告非常重要，新型电力系统对储能技术上的要求和举措做了详细的、深入的说明。

我今天的报告题目是：长时储能。

我主要想跟大家汇报三点：新型电力系统对储能的要求需要不同时长的、规模化、高安全的储能技术，这个时长非常重要，特别是长时储能。那么现有的储能技术各有各的优势，同时各有各的局限性，目前的状况是不能满足要求，需要发展。特别是我要讲到电化学流体电池，它具有很多的优势，能够适合于长时储能，需要我们关注，需要我们在这方面进行进一步的发展。

我们都知道，过去十几年来光伏技术和风机技术的发展非常迅速，光电和风电的成本快速下降，据说已经光电已经达到1.2毛，风电也可以平价上网，由于太阳能和风能的波动性、不稳定性影响它的上网比例。为了应对这样的问题，我们需要发展储能技术，储能能够平移能量的波动，提高风光电的实际利用率，保证电力系统可靠安全地运行。

那么储能将在新型电力系统的各个环节发挥它的功能，从发电侧到电网侧、用户侧，详细的情况我不讲了。

从需求上来说，刚才饶院士已经讲到需求是非常大的，目前的能源结构，整体来说太阳能和风能的占比只有4%，到碳中和时代，2060年，这个占比会成为主导，这就要求风光装机的容量大大地提高，同时，这意味着储能的装机容量会有一个大的要求。整体来说，储能将成为保证我们国家能源安全的核心技术之一。对于储能的要求，不像我们现在用的电动汽车电池，它的要求，大型的储能技术、储能场景对技术的要求是非常大的，特别是要求安全，是兆瓦级的安全装置性非常重要，当然成本、规模化、效应、长寿命都是一些要求。另外，储能装置所需要的材料不应该给予太多的限制，因为这里面有很多的量是非常大的。储能装置不应该有太多的地域限制，选址要灵活。

特别重要的是，在未来的碳中和时代，因为太阳能和风能占主导，如果出现长时间的间歇，这种几率是非常大的，50小时、100小时的间歇是有可能的，不管是风还是光。为了避免供电的间断，长时储能就显得非常重要，因为在未来的新型电力系统中的供需匹配是要依赖长时储能。所以我们必须重视长时储能这样一个技术。

目前来说，最成熟的是抽水蓄能，抽水蓄能非常明显的优势，因为它的规模可以很大，储能时间可以很长，它的储能时间主要靠水坝的大小，寿命也会很长，技术上的挑战主要是地域的限制，在风光资源丰富的地方不一定有这样的地利。建设周期一般比较长，需要环评地审批阶段。整体来说，最大的问题是选址不够灵活。

另一种技术是压缩空气蓄能，它和抽水蓄能是相似的，它的规模很大，储能的时间也可以很长，主要取决于储气的空间的大小，寿命也比较长。比起抽水蓄能，它的问题在于效率相对比较低，因为能量密度比较低，需要很结实的储气空间，通常在涌动，这样选址就造成了一定的困难。同时，围绕提高效率，压缩空气蓄能也需要补燃，不然会用到天然气这种化石燃料等等，所以也面临一些挑战。过去我们国家在压缩空气的储能方面也得到了很好的发展。但目前还在示范应用期间。

另一种技术是锂离子电池储能，有人把它叫电化学储能，锂离子电池储能只是电化学储能的一种，电化学储能是一大类的电池技术。那么锂电的储能，作为一个储能的场景技术，它非常大的优势是能量密度高、响应快。特别是过去十几年来，我们国家电动汽车的发展，给锂离子电池带来很大的发展，所以现在也把它用于储能的一个场景。但是我们必须关注它的安全隐患，因为锂离子电池电解液是液态的有机电解液，有可燃可爆的危险。当然用地储能场景成本需要进一步降低，特别是寿命需要进一步地提高。

目前来说，因为新型电力系统需要不同时长、不同场景的运用，中短时的储能技术，相对发展得比较好，我们目前最缺的还是长时储能技术，我们需要长周期的能量适宜和能量转移，确实未来的能源电力供应的安全可靠。

我刚才提到抽水蓄能、压缩空气储能和锂离子电池三种技术。

抽水蓄能，它的能量载体，也就是储能介质是水，水是可以流动的，这个特性非常重要。我刚才讲抽水蓄能的时长主要靠水坝的大小，这种特性，由于水能量载体是可以流动。抽水蓄能的优势它的水势能量转化是有序的，所以它的效率很高，但通常能量密度比较低，特别是选址不够灵活，抽水蓄能会受到气候的影响。

压缩空气储能，它的能量载体是空气，像水一样，它也可以是流动的，这样也可以使储能装置的容量和工具解耦，所以能够适合长时储能，在储能的时长上很灵活。相对于抽水蓄能来说，空气内能的变化，能量转化相对无序，所以效率比较低，同时它的能量密度比较低，受到地域选址的限制。

锂离子电池的最大优势是能量密度很高，而且选址非常灵活，不受地域的限制，特别是它的电化学能量转化过程是相对有序的，能量密度很高，效率很高。但是它的问题在于能量载体是固态材料，所以它是不可以流动的。这样的话，储能的装置，电池的装置方面，容量和功率是强关联，在时长上就不够灵活，因为功率和容量始终是强关联的。

因为锂离子电池是电化学的储能方式，如何让电化学储能技术像抽水蓄能和压缩空气那样，能够在时长比较灵活呢？实际上我们需要两个要素：首先，能量载体是可以流动的，同时要匹配相应的能量转换装置。目前来说，我们现有的可流动的装置是氢气，电解液也是一种可流动的能量载体。相对应的能量转换装置，包括电解池、燃料电池、液流电池等等，这些电池从结构上、原理上、共有的科学问题上都有一些共同的特征，所以我们把它叫流体电池，这就是今天我为什么提的流体电池，流体电池就是燃料电池、液流电池、电解质等等，它的能量载体是可以流动的。

那么流体这一类电池，从储能体系上来说，最大的特点是它的时长灵活，因为它的容量和功率是可以解耦的，是由于能量载体的流动性所决定的，那么它有其他的一些优势，所以它是比较理想的，是大型储能的技术，能够满足新型电力系统对储能的所有要求。比如氢储能，它的电解水过程和发电过程，燃料电池，整个是零碳排放，所以是一种非常绿色的储能技术。它的优势还在于功率密度和能量密度都很高，选址非常灵活。目前来说，技术的挑战还是成本的问题，特别是储氢和运氢技术上还没有克服。由于氢，有安全的问题，需要进一步的发展。

那么还有一种技术是液流电池，那液流电池电解液是可以流动的，所以它是一种时长灵活的技术，不同于传统的电池，它的能量是储存在电池外面的电解液中，由于能量和功率是彼此独立的，所以它是安全的，特别是用到水系的液流电池，它是非常安全的，安全没有任何的问题。由于能量和功率的解耦，它的扩展性非常好，功率就靠电池本身，容量就靠电解液罐的大小来调整。另外，它的寿命很长，寿命是锂离子电池的3倍。目前来说，液流电池最大的障碍是它的成本比磷酸铁锂要高，能量密度比较低，我们在发展不同的电堆、不同的材料来提高能量密度和功率密度。

我们国家对全钒液流电池，全钒液流电池是目前相对成熟的技术，已经进入商业的初期阶段，国家非常重视，产业的空间非常大。目前主要是降低它的成本。

我过去20多年一直从事流体电池，包括燃料电池、液流电池、金属空气电池的研究，特别是液流电池方面，还有全钒电池方面取得了一些进展。我们研究的思路是要提高液流电池的电流密度，电流密度的提高就可以提高它的功率密度，功率密度的提高可以降低电堆所需要的材料，这样可以降低它的成本。电流密度的提高，可以提高电解液的利用率，因为现在电解液是用全钒的，电解液利用率的提高意味着它钒的用量降低，成本就会降低，我们的目标是提高它的电流密度。那么电流密度的提高，对流体电池来说，需要电化学方面的支持，也需要我过去的领域工程，一个流体电池需要活性材料、离子导体、电子导体，这种材料的特性，电化学特性，非常重要。同时，它微观的结构和宏观的分布也是非常重要的，它会限制离子的传输同来、质量的传输通量。所以对流体电池的研发需要交叉思路来解决它的关键问题。我过去的一些成绩也就在这一方面。

我们研究的思路以电化学和热物理交叉的理念的方法去应对流体电池，特别是液流电池方面的机理、调控方法，最后形成一个热电化学耦合理论，我们用理论来突破电池的一些问题，特别是提高它的性能，降低它的成本。

我们在全钒液流电池方面，主要从关键的材料，业绩关键的部件，如系统设计取得了大的进展，特别是电极材料方面，我们必须在电极表面让它能够具有活性，同时能够抑制它的副反应。我们的工艺流程很简单，电极的表面处理工艺简单，适合大规模生产。从电极的结构上，我们有新型的电极结构，多尺度电极结构，跟传统不一样，高比表面积、低流阻。在其他的部件上我们有新的方法，包括机器学习和大数据，在流道的设计上取得了很大的进展。我们的电池寿命可以超过2万圈，没有任何衰减，从容量和效率上。同时，电堆的电流密度可以达到400，目前示范的一般是120左右，我们可以达到400，这意味着它的成本，电堆的成本，以及电解液的利用率是非常高的。同时我们有新的方法在线的恢复它的容量和效率，这样成本上也会进一步的降低。

这是我们新型液流电池，它有三个特点：安全的，它是水系的，能量和功率是解耦的，所以它是非常安全的。绿色的，这种绿色的意思是它能够除绿电，它所需要的材料是不用回收的，比如用钒，是可以永远用下去的。经济地，电流密度，成本会进一步降低。

我今天主要讲了三点，要实现碳中和这样一个目标，我们建立新型电力系统，那新型电力系统需要的是大规模、高安全、不同时长的储能技术。

长时储能技术缺口较大，我们必须重视长时储能技术的发展。

特别是电化学流体电池，它有很多的优势，易模块化、时长灵活、安全、无地理限制，所以它特别适合长时储能，我们必须重视电化学流体电池的发展。

我再说一遍，是电化学储能，不仅仅是锂离子电池储能，电化学储能是一类，有各种不同的电化学反应，包括氢能也是电化学的技术，电解水和燃料电池都是电化学反应。

我们过去十几年光伏技术得到了非常快的发展，我们必须重视储能技术的发展，这对于我们实现“双碳”目标是非常重要的。当然，储能技术的挑战很大，谁应对了这个挑战，谁就抓住了这个机遇，我们要保持战略的定力，拥抱新的未来。

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