《Results in Engineering》：Battery energy storage systems for renewable energy integration: A comparative review of battery classification, safety, and sustainability
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向可再生能源系统的转型需要可靠且高效的储能技术，以应对太阳能和风力发电的不连续性能量输出。电池储能系统（Battery Energy Storage System, BESS）已成为提高电网稳定性、提升可再生能源利用率以及支持辅助服务的最重要解决方案之一。本文
向可再生能源系统的转型需要可靠且高效的储能技术，以应对太阳能和风力发电的不连续性能量输出。电池储能系统（Battery Energy Storage System, BESS）已成为提高电网稳定性、提升可再生能源利用率以及支持辅助服务的最重要解决方案之一。本文对电池储能系统中使用的电池化学分类进行了全面综述，包括锂离子电池、钠基电池、液流电池和铅酸电池。研究人员比较并讨论了它们的技术特征、应用适用性、安全问题、技术经济性能以及可持续性方面。结果表明，锂离子电池目前主导市场，原因在于其高能量密度、低自放电率、高效率和运行灵活性等显著特点。此外，钠离子电池和液流电池为未来大规模和长时储能应用展现出强大潜力。铅酸电池尽管存在局限性，但在低成本后备电源系统中仍保持相关性。最后，本综述强调，没有任何一种电池化学体系适用于所有应用，最合适的选项取决于预期电池储能系统应用的具体技术、经济、安全和环境要求。
BESS技术已成为现代电力系统中的重要组成部分，能够有效整合太阳能和风能等可再生能源，并解决其间歇性和波动性带来的挑战。过去二十年中，电池化学、系统设计和成本降低方面的显著进展加速了BESS在多领域的应用。BESS包含多种具有不同性能特征的电池化学体系。锂离子电池因其高重量和体积能量密度、长循环寿命和高效率而主导当前部署。钠基电池包括钠硫电池（Sodium-Sulfur, NaS）和钠离子电池（Sodium-ion, Na-ion）系统，能量密度低于锂离子，但得益于丰富且低成本的材料，适用于大规模和成本敏感型应用。液流电池能量密度显著较低，但其功率和能量容量解耦、长寿命和深度循环能力使其适用于长时和公用事业规模储能。铅酸电池能量密度较低，但因低成本和技术成熟，仍用于后备电源和离网系统。镍氢电池具有中等能量密度和良好的热稳定性，但较高的自放电率和相对较低的能量密度限制了其在大型BESS中的应用。BESS应用分为住宅、商业、工业、公用事业规模等。在住宅和商业场景中，BESS通常与光伏系统配对，以提高自消纳、削峰填谷和降低电网依赖。在公用事业规模中，BESS通过时移、削峰填谷和辅助服务管理可再生能源波动。偏远地区的微电网可通过BESS提高能源弹性和可靠性。电动汽车的快速普及也促进了BESS在充电基础设施中的应用，支持负荷管理和车网互联功能。尽管取得了显著进展，技术挑战依然存在。热管理和运行安全是重要关注点，尤其是高能量密度锂离子系统的热失控风险。环境问题涉及锂、钴、镍等材料的开采、加工和回收，可持续采购和改进回收技术至关重要。未来BESS技术将受材料科学、系统工程和能量管理系统进步的影响。固态电池、混合储能系统、改进的回收工艺和第二寿命电池应用将增强可持续性。人工智能和机器学习在电池管理系统中的集成有望实现更精确的性能优化、状态估计和故障预测。BESS系统形式包括集装箱式、柜式、机架式、混合集成式和住宅即插即用式，各有优缺点和适用场景。
2.1. BESS应用
2.1.1. 自消纳优化
自消纳优化是BESS最重要的应用之一，主要面向住宅和商业可再生能源设施。该概念侧重于最大化本地产生的可再生能源的使用，高发电期间储存多余能量，高需求或低发电期间使用。通过能量管理系统平衡生产和消费，可提高整体效率。主要优势包括减少电网购电、降低电费，并在电网受限地区保证可再生能源的有效利用。同时，吸收多余发电量可支持电网稳定，防止电压波动和负电价。
2.1.2. 削峰填谷
削峰填谷通过使用储存的能量降低高峰时段电力需求，对能源消费者和电网运营商均有价值。BESS在需求超过阈值时放电，在非高峰时段或可再生能源过剩时充电。该服务可降低大用户电费，减轻电网基础设施压力，延迟或避免电网升级，并提高供电质量和可靠性。
2.1.3. 市场套利
市场套利利用电价波动实现经济回报最大化。在非高峰时段电价较低时充电，在高峰时段电价较高时放电。通过高级算法和预测工具优化充放电时间，可在电价波动大的市场产生可观收益，同时支持电网稳定和可再生能源整合。
2.1.4. 电动汽车负荷均衡
电动汽车的快速增长增加了电力需求，尤其在高峰充电时段对电网造成压力。BESS通过低需求时段储存能量，并在高峰充电时段放电来支持电动汽车充电桩。车网互联技术使电动汽车本身可作为移动储能单元，在需要时向电网馈电，支持电网稳定。
2.1.5. 电网平衡与辅助服务
BESS在电网平衡中发挥关键作用，提供频率调节、电压支持和黑启动等服务。当频率偏差或电压波动发生时，BESS可快速注入或吸收功率，恢复稳定性。BESS通过频率控制备用（FCR）、自动频率恢复备用（aFRR）和手动频率恢复备用（mFRR）支持电网频率。此外，BESS可减少对化石燃料调峰电厂的依赖，促进清洁能源转型。
2.1.6. 弃电预防
当可再生能源发电量超过电网使用或传输能力时发生弃电，造成能源浪费。BESS通过捕获过发电期间的多余能量，防止弃电和负电价，提高可再生能源系统的整体效率和经济可行性，并鼓励对可再生能源项目的进一步投资。
3. BESS电池化学体系
3.1. 锂离子电池
锂离子电池因高能量密度、安全性、效率和低自放电等特性而成为有前景的技术。常见化学体系包括磷酸铁锂（LFP）、镍锰钴氧化物（NMC）、镍钴铝氧化物（NCA）和钛酸锂（LTO）。LFP因高安全性、长循环寿命和无钴带来的低成本，已成为固定式储能的主导技术，占锂离子BESS市场超过65%的能量容量。NMC和NCA能量密度较高，但近年因安全性和成本考虑份额下降。LTO循环寿命长、功率能力高，但能量密度低、成本高，在BESS中占比很小。锂离子电池广泛用于住宅、商业和公用事业规模储能，如Hornsdale Power Reserve和Moss Landing设施。其能量密度为150–250 Wh/kg，效率85%–95%，具备快速响应能力，适用于频率控制和电压稳定等电网服务。
3.2. 钠基电池
钠基电池依靠丰富且廉价的钠元素，具有成本、可持续性和材料可用性优势。NaS电池已商业化数十年，在300–350°C高温下运行，具有熔融钠阳极和熔融硫阴极，能量密度150–240 Wh/kg，循环寿命约4500次，适用于大型和长时储能。Na-ion电池在环境温度下运行，近期开始进入固定式储能市场，在中国已有10–100 MWh的试点项目。Na-ion能量密度较低，但资源丰富且环境友好，被视为有前景的替代方案。
3.3. 液流电池
液流电池包括全钒液流电池（VRFB）和锌溴电池（ZnBr），能量储存在外部储液罐中的液态电解液内，通过电化学堆中的氧化还原反应进行充放电。其功率和能量容量解耦，可通过增大储液罐提高能量容量，通过电化学堆调整功率输出。液流电池寿命可达11000次以上，材料丰富且电解液可回收，适用于大规模长时储能和电网稳定服务。
3.4. 铅酸电池
铅酸电池是历史悠久的储能技术，广泛用于后备电源、UPS、离网太阳能系统和工业牵引应用。其成本低、技术成熟、可回收性高（约95%的组件可回收），但能量密度低、循环寿命较短，仍适用于低成本后备应用。
4. BESS安全、风险与不足
4.1. BESS的一般安全问题
主要问题包括热失控、火灾风险、化学危害和运行故障。热失控通常发生在具有易燃液体电解液的电池中（如锂离子系统）。需要先进的灭火系统、冷却系统和控制系统。有毒材料（如铅、硫酸或活性钠）带来化学危害，不当管理会造成环境污染和健康风险。过充电、物理损坏或BMS故障等运营问题可加剧风险。需要结合稳健的系统设计、先进监控技术和严格安全标准。
4.2. 电池化学体系的安全性
4.2.1. 锂离子电池的安全性
锂离子电池的主要风险是热失控，通常由过充电、内部短路或外部热源引起。LFP和LTO具有较高热稳定性和较低热失控风险，被认为更安全。NMC和NCA能量密度较高，但对过热和过充电更敏感。LCO热稳定性较差。LMO介于两者之间。高能量密度化学体系往往伴随更高安全风险，需要完善的电池管理和热管理系统。
4.2.2. 钠基电池的安全性
NaS电池在高温下运行，包含熔融钠，破裂时与空气或水分发生剧烈反应，需坚固的保温、密封设计和固体陶瓷电解质。Na-ion电池在室温或接近室温下运行，使用反应性较低的材料，热失控风险较低，长期稳定性仍需研究，被视为未来BESS潜在更安全的选择。
4.2.3. 液流电池的安全性
液流电池使用液态电解质，不易燃且热失控风险低。主要安全问题是电解液的处理和泄漏，尤其是ZnBr电池中的溴具有毒性和腐蚀性，需要特殊密封系统。泵和流体循环系统可能带来运行风险。总体而言，液流电池非易燃、耐久性好，适合大规模长时储能。
4.2.4. 铅酸电池的安全性
铅和硫酸具有毒性，过充电可能产生气体甚至爆炸。密封式铅酸电池（如吸附式玻璃纤维隔板和凝胶电池）可降低维护需求、减少泄漏和气体排放风险。尽管能量密度低、循环寿命短，铅酸电池仍可作为低成本后备电源的安全选择。
5. 比较结果与讨论
5.1. 不同电池化学体系核心技术特征比较
锂离子电池目前是BESS和电网应用的主导技术，因其高能量密度和循环性能，适用于空间和重量受限场景。但其安全性问题（特别是热失控）仍是关键挑战。钠基电池作为替代方案，Na-ion工作在室温，安全性和可持续性良好；NaS适用于大规模但需高温。铅酸电池成熟、低成本，但能量密度低、重量大、循环寿命有限，并存在铅的环境问题。液流电池通过液态电解液实现高安全性和长寿命，功率与能量解耦，适合长时储能，但能量密度低、初始成本高。没有任何单一技术能满足所有长期储能需求，选择取决于具体应用要求。
5.2. 主要电池化学体系的技术经济分析
锂离子电池（尤其LFP）提供最佳技术经济平衡，LFP约6000次循环，成本约$120/kWh。NCA/NMC能量密度高但循环寿命较短（1000–4000次），成本$140–160/kWh。NaS电池4500次循环，$200/kWh，适合大规模但高温运行增加成本。Na-ion电池约3000次循环，$90/kWh，因钠资源丰富而具有成本优势。液流电池循环寿命可达10000次，但初始资本成本较高（$250/kWh）。LTO循环寿命达12000次，但能量密度低、成本高。铅酸电池初始成本最低，但循环寿命仅约500次，环境问题限制其现代应用。总体而言，锂离子仍是最实用选择，钠离子和液流显示出未来潜力。
5.3. 基于主要电池化学体系的BESS服务比较分析
锂离子化学体系（尤其LFP和NMC）因效率高、响应快，适用于广泛服务。LFP在安全、寿命和实用性之间取得良好平衡。NMC性能尚可，但安全风险高于LFP。LTO适合高功率、快充和长循环应用，但能量密度和成本限制其使用。NCA在固定式服务中适用性略逊。NaS电池适用于时移、可再生能源整合和削峰填谷，但高温限制分布式应用。Na-ion在多种BESS服务中表现良好，是成本、安全和资源可用性的平衡选择。铅酸电池主要用于后备电源和微电网支持。液流电池中VRFB在长时和电网支持服务中表现更佳，ZnBr稍逊。没有单一化学体系在所有服务中最佳，最终选择应基于特定技术要求和服务目标。
5.4. 环境影响与可持续性评估
锂离子电池因锂、钴、镍的开采和加工产生较多温室气体排放。钠离子电池因钠资源丰富且提取简单，环境影响较低，避免钴的使用并减少对关键金属的依赖。铅酸电池可回收性高（约95–99%），减少了环境足迹。锂离子电池回收仍在发展中。液流电池电解液可重复使用，回收潜力良好。总体而言，锂离子主导市场，但钠离子和液流为更可持续的储能方案提供路径，铅酸在重视可回收性和成本的场景仍有价值。环境可持续性需与技术经济因素结合评估。
5.5. 未来研究方向
未来研究应集中于提高安全性、降低成本和增强长期可持续性。重点包括改进Na-ion电池的能量密度、循环寿命、低温性能和大规模制造技术。锂离子电池应转向更安全、可持续的化学体系（如LFP），改进回收工艺、增加第二寿命应用，减少对钴和镍的依赖。改进BMS、热控制和数字监控对提高可靠性至关重要。液流电池需解决能量密度低、初始成本和电解液成本高以及系统复杂性问题，通过改进电解液化学、电堆设计和制造工艺提升竞争力。混合储能系统结合高功率电池（如LTO）与长时技术（如液流或Na-ion），可平衡功率和能量需求，提高灵活性和技术经济性能。
