領(lǐng)跑全球儲能賽道，離不開協(xié)同創(chuàng)新與智能制造

　　全球低碳化浪潮正在加快能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，與之相關(guān)的國際競爭亦愈演愈烈。呼之欲出的“鋰佩克”或?qū)⒏膶懭蜾囐Y源供應(yīng)格局，歐盟《新電池法規(guī)》逐步對國內(nèi)新能源企業(yè)筑起綠色壁壘。隨著“雙碳”戰(zhàn)略逐步深化，我國儲能行業(yè)亟需通過技術(shù)創(chuàng)新與智能制造應(yīng)對多重挑戰(zhàn)。

　　11月3日，由中南大學(xué)、中國有色金屬學(xué)會新能源材料發(fā)展工作委員會、中國能源研究會電能技術(shù)專業(yè)委員會等單位聯(lián)合主辦的“第一屆新能源與儲能工程湘江國際論壇暨2023中國(長沙)電池產(chǎn)業(yè)博覽會”在湖南長沙召開。多位海內(nèi)外院士、上百名專家學(xué)者齊聚一堂，共同圍繞如何強化新能源與儲能領(lǐng)域的國際競爭能力、推動科技自強與產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量協(xié)同發(fā)展等主題進行研討交流。

　　儲能的喜與憂：前景廣闊，挑戰(zhàn)突顯

　　生產(chǎn)、生活過程中的“碳中和”離不開一張綠色安全的電網(wǎng)，即正在積極建設(shè)中的新型電力系統(tǒng)。根據(jù)2020年氣候雄心峰會上宣布的中國國家自主貢獻，“到2030年風(fēng)電、太陽能發(fā)電總裝機容量將達到12億千瓦以上”，新能源的占比不斷增加。

　　然而，太陽能和風(fēng)能等可再生能源發(fā)電存在間歇性和波動性。隨著高比例可再生電力的穩(wěn)定介入，大規(guī)模儲能技術(shù)的應(yīng)用成為剛需。儲能通過充放電“削峰填谷”——降低負(fù)荷高峰、填補負(fù)荷低谷，穩(wěn)定電力供給、保障電網(wǎng)安全，提高終端用電效率。隨著新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建，儲能材料及大儲能產(chǎn)業(yè)正在發(fā)展成萬億級的賽道。

　　2023年，儲能發(fā)展持續(xù)高歌猛進。國家能源局截至2023年6月底的數(shù)據(jù)顯示，全國已建成投運的儲能累計裝機規(guī)模達17.33GW/35.80GWh，新投運裝機規(guī)模達到8.63  GW /17.72 GWh。

　　在儲能迎來歷史性機遇的背后，挑戰(zhàn)也正在全產(chǎn)業(yè)鏈中陸續(xù)浮現(xiàn)。上游鋰鹽價格波動巨大、綠色制造能力薄弱、產(chǎn)能無序擴張、價格戰(zhàn)內(nèi)卷嚴(yán)重、政策相對單一、盈利模式不清晰等問題，制約了儲能產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)亟待在技術(shù)、資金和商業(yè)模式上取得突破。

　　目前，我國上游關(guān)鍵資源對外依賴度較高，其中鋰資源約七成依賴進口。鋰鹽價格波動大大影響了鋰電池供應(yīng)的穩(wěn)定性。中游的材料商和電芯企業(yè)的經(jīng)營因此承壓。其次，儲能材料的采、選、冶、化、回收等過程存在高污染、高耗能、高碳排的問題。不久前生效的歐盟《新電池法規(guī)》明確要求電池制造商在生產(chǎn)階段之外，承擔(dān)電池的全生命周期生產(chǎn)者責(zé)任，包括回收和處理廢棄電池。在新的國際規(guī)則之下，中國儲能企業(yè)如未能及時形成良好的產(chǎn)業(yè)生態(tài)，在參與國際化競爭和全球高端產(chǎn)業(yè)鏈分工中的優(yōu)勢或因此削弱。

　　對此，武漢大學(xué)副校長、碳中和感知與效能評估教育部工程研究中心主任龔?fù)赋觯瑲W盟《新電池法》對中國儲能行業(yè)的沖擊不會是偶發(fā)的個例，應(yīng)該將其置于巴黎氣候協(xié)議和歐盟邊境碳關(guān)稅的時代大趨勢下看待。可以預(yù)見的是未來產(chǎn)業(yè)競爭將由傳統(tǒng)的價格，質(zhì)量雙重體系轉(zhuǎn)變?yōu)閮r格、質(zhì)量、碳共同組成的三元結(jié)構(gòu)。國內(nèi)企業(yè)有必要加強對自身產(chǎn)品碳足跡和碳資產(chǎn)的管理與布局，更加主動、積極的在國際氣候治理中扮演重要角色。

　　要逐個擊破儲能產(chǎn)業(yè)鏈上的挑戰(zhàn)，需要產(chǎn)業(yè)、技術(shù)、資源和機制上的協(xié)同創(chuàng)新。中國科學(xué)院院士、油氣鉆探與開采專家、中國石油大學(xué)(北京)教授高德利曾表示，儲能技術(shù)的突破取決于高性能儲能材料、儲能單元和儲能系統(tǒng)研究，是典型的涉及多學(xué)科、多尺度有機融合的科技問題，中國亟須全面掌握具有國際領(lǐng)先水平的儲能關(guān)鍵技術(shù)和核心裝備，形成較為完善的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)體系并擁有國際話語權(quán)。這需要通過示范工程引領(lǐng)儲能項目廣泛應(yīng)用，形成較為完整的產(chǎn)業(yè)體系，同時形成一批有國際競爭力的市場主體。

　　先進儲能材料國家工程研究中心首席科學(xué)家鐘發(fā)平指出，“電化學(xué)儲能產(chǎn)業(yè)需要在儲能材料、電芯設(shè)計和制造、儲能系統(tǒng)集成和安全管理等多個領(lǐng)域和方向持續(xù)開展跨學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新，產(chǎn)學(xué)研用融會貫通，以高屋建瓴進行頂層設(shè)計和強勢聯(lián)合，實現(xiàn)破局。只有站在產(chǎn)業(yè)發(fā)展的全局思考，跨學(xué)科交叉創(chuàng)新、政產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新、產(chǎn)業(yè)集群聯(lián)合體創(chuàng)新、國家科研平臺引領(lǐng)創(chuàng)新，政策組合拳創(chuàng)新扶持，產(chǎn)業(yè)聯(lián)合體創(chuàng)新基金賦能，才能高效、高質(zhì)破解全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展過程中的瓶頸和梗阻，推動產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。”

　　混儲：破解安全 、 壽命  、 成本痛點 的“可行解”

　　目前的儲能技術(shù)路線主要分為物理儲能，如抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能，化學(xué)儲能諸如最主流的鋰離子電池，以及鈉硫電池、鉛酸電池、氧化還原液流電池、氫能等，電磁儲能包括超導(dǎo)電磁儲能、超級電容儲能。不同技術(shù)路線在技術(shù)成熟度、度電成本、建設(shè)成本和碳排放水平上各有長短板。

　　鋰離子電池儲能憑借著能量密度高、循環(huán)使用壽命長(循環(huán)次數(shù)可達5000次)、響應(yīng)快等優(yōu)勢，已經(jīng)成為最主要的技術(shù)路線，在全國新型儲能裝機中占比高達94.5%。國內(nèi)大中型化學(xué)儲能電站主要使用磷酸鐵鋰電池。同時，鋰離子電池仍然存在價格較高、本征安全不足等問題。三元鋰電池、鈉硫電池已經(jīng)不再允許被運用于中大型電化學(xué)儲能電站。對此，中國科學(xué)院電工研究所研究員、中國化學(xué)與物理電源行業(yè)協(xié)會儲能應(yīng)用分會副秘書長陳永翀在接受《中國科學(xué)報》采訪時曾表示，鋰電池仍需要在“高安全、低成本和易回收”的目標(biāo)上尋求技術(shù)突破。

　　混合儲能技術(shù)提供了一種新的解決方案——搭配兩種和兩種以上的儲能路線或電池，取長補短，結(jié)合能量型儲能器件的持久性和功率型儲能的快速響應(yīng)能力，實現(xiàn)源網(wǎng)荷儲大協(xié)同，瞬時功率平衡和長時能量平衡。

　　基于該技術(shù)路線，鐘發(fā)平帶領(lǐng)團隊開發(fā)了電池大模組智能化診斷及動態(tài)控制系統(tǒng)，首創(chuàng)了多能量混合柔性調(diào)度技術(shù)。依托該成果開發(fā)的混合儲能系統(tǒng)安全可靠性和循環(huán)壽命大幅提升。目前，相關(guān)技術(shù)在已在多個項目中落地應(yīng)用。在《“十四五”新型儲能發(fā)展實施方案》中，復(fù)合型儲能技術(shù)(即混合儲能)示范應(yīng)用首次被提及。今年8月19日，國家電力投資集團于內(nèi)蒙古霍林郭勒市循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)園區(qū)投運了我國第一個結(jié)合了鐵鉻液流電池、飛輪、鋰電三種形式的混合儲能項目，建設(shè)裝機容量3兆瓦。

　　鋰資源高效回收，  產(chǎn)業(yè)鏈閉環(huán) “最后的拼圖”

　　隨著儲能電池市場的持續(xù)增長，如何降低其全生命周期內(nèi)的碳足跡及其他負(fù)面環(huán)境影響成為全球新能源產(chǎn)業(yè)的一塊“心病”。在近日中國科協(xié)發(fā)布的2023重大工程技術(shù)難題(9個)中，“如何突破新能源廢料清潔高值化利用”的技術(shù)挑戰(zhàn)赫然在列。這也折射出我國在綠色智能制造能力上的一處薄弱點。

　　眼下，第一代電動汽車動力電池迎來退役時刻。鋰離子電池屬于危險品，不正確的處理可能會導(dǎo)致有毒化學(xué)物質(zhì)危害環(huán)境，甚者引發(fā)燃料爆炸。不過，由于鋰電池正極板材料含有各種稀有金屬，具有較高的提取和轉(zhuǎn)售價值，提取和出售電極成分中積累的原材料有利于降低電池項目的整體成本。但目前還沒有一種回收鋰離子電池的單一工藝能夠同時達到低環(huán)境影響、低能源成本與高回收率的理想效果。

　　全電池回收過程包括拆解廢電池、通過物理/化學(xué)處理和濕法冶金/火法冶金步驟回收高純度的有價值材料。各個步驟都存在技術(shù)、成本效益上的困難和環(huán)境風(fēng)險。火法冶金需要1000℃的高溫，部分鋰會以礦渣的形式流失，即使是后處理也很難提取?；厥盏匿圎}由于純度較低也不再適合在儲能電池中重復(fù)使用。濕法冶金工藝(如酸浸)雖然成本較低，碳排放量較少，但需要使用大量的酸堿并產(chǎn)生酸性廢水和有毒氣體。

　　龔?fù)娬{(diào)，國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該完善對自身產(chǎn)品碳足跡的管理能力。其一，是提高運用數(shù)字技術(shù)建設(shè)可追溯、可驗證、可核查的供應(yīng)鏈碳足跡監(jiān)測體系。其二，建立基于遙感測量的企業(yè)直接碳排放核查模式，提高碳排放數(shù)據(jù)的透明度和公信力。其三，是提前開展碳匯資產(chǎn)布局，探索利用國際碳匯交易抵扣自身碳排放的可行性。

　　先進儲能材料國家工程研究中心在融合物理學(xué)、化學(xué)、冶金學(xué)、材料學(xué)等多學(xué)科的基礎(chǔ)上交叉創(chuàng)新，開發(fā)出基于火法冶金和高溫金屬膜分離的一步法高效綠色提取高值金屬資源的工藝技術(shù)，適用于“一步法”鋰云母提鋰和“一步法”廢舊電池回收技術(shù)。

　　該創(chuàng)新方案不僅能夠突破上游開采端的資源依賴瓶頸，還可以解決末端高污染、高排放、高能耗、高成本和資源回收率低的行業(yè)痛點，構(gòu)建起從自然礦山到城市礦山“一頭一尾”的全產(chǎn)業(yè)鏈關(guān)鍵技術(shù)閉環(huán)，保障鋰電材料的高效循環(huán)利用，有效對沖“鋰佩克”帶來的資源“卡脖子”。此外，面對國際新規(guī)則可能造成的綠色壁壘，電池回收技術(shù)的創(chuàng)新突破也將支撐國內(nèi)儲能企業(yè)在“走出去”的過程中沉著應(yīng)對，不斷開拓國際市場。

　　“搶占新能源國際話語權(quán)，亟待大儲能原創(chuàng)技術(shù)突破與綠色智能制造賦能”。鐘發(fā)平認(rèn)為，儲能行業(yè)正處于關(guān)鍵轉(zhuǎn)型期，我國在該領(lǐng)域內(nèi)具有“領(lǐng)跑”意義的先進技術(shù)還不多，儲能轉(zhuǎn)化的相關(guān)機理、技術(shù)及系統(tǒng)的研究還不足夠成熟，對儲能的基礎(chǔ)性和關(guān)鍵共性技術(shù)研究不足，尤其在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)法規(guī)方面缺少話語權(quán)。對此，一方面需要不斷進行技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)和提升;另一方面，行業(yè)和企業(yè)需要攜手走向規(guī)模化和智能化，在論證過程中找到最優(yōu)技術(shù)路線，持續(xù)降低成本，減低碳足跡，才能支撐儲能產(chǎn)品迭代和國際競爭。

　　行業(yè)平臺模式與產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展模式能夠釋放規(guī)模效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)，讓儲能的商業(yè)模式和收益前景變得更廣闊與可持續(xù)。只有在掌握規(guī)模優(yōu)勢的基礎(chǔ)之上，依托行業(yè)性國家科研平臺規(guī)劃引領(lǐng)，我國儲能產(chǎn)業(yè)才有可能進一步向標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)勢、技術(shù)優(yōu)勢升級，通過積極參與國際標(biāo)準(zhǔn)制定，掌握質(zhì)量監(jiān)督權(quán)、檢測評價權(quán)、市場定價權(quán)和標(biāo)準(zhǔn)話語權(quán)，提升我國儲能行業(yè)參與國際分工的競爭力和全球高端供應(yīng)鏈中的影響力，在激烈的全球競爭中搶占行業(yè)高地。