5月11日，我国首个大容量钠离子电池储能电站——伏林钠离子电池储能电站在广西南宁投运。这是国家重点研发计划“百兆瓦时级钠离子电池储能技术”项目示范工程的一期工程，装机规模为2.5兆瓦/10兆瓦时。工程的投产标志着钠离子电池大规模储能工程技术研制取得关键性突破，我国新型储能发展开启了钠离子电池技术新纪元。
从锂到钠
电力储能落地新技术路线
在南宁市武鸣区，投运已28年的伏林变电站迎来了“新邻居”。穿过变电站的设备区域，进入钠离子电池储能电站，2排看似“彩色集装箱”的电池舱和变流器舱整齐排列，与右侧墙壁涂有绿色元素绘画的3层中控大楼相映矗立。而这片占地仅10余亩的储能装置投入运行后，我国具有完全自主知识产权的大容量钠离子储能技术也实现了在电力工程的首次应用。
在电站中控楼里，技术人员正在通过电子大屏实时监控刚投产的储能电站运行情况。“本期投产规模为十兆瓦时，项目整体建成规模将达到百兆瓦时。通过大屏，我们可以看到储能电站运行设备的实时参数，通过相连的线路，储能电站可以智能化参与电力调峰，实现灵活存储和释放新能源电量，把清洁电力送到千家万户”，南方电网广西电网公司南宁供电局高级工程师罗传胜介绍。
该电站由南方电网广西电网公司投资建设，本期投产规模为十兆瓦时。项目整体建成规模将达到百兆瓦时，每年能发出清洁电能7300万度，相应减少二氧化碳排放5万吨，满足3.5万居民用户的用电需求。
当前，我国正加快推动新型储能多元化高质量发展，在产业规模化增长的同时，新技术不断涌现，技术路线“百花齐放”。截至2024年一季度末，全国已建成投运新型储能项目累计装机规模达到3530万千瓦。其中，以锂电池为代表的电化学储能占比超过95%，处于绝对主导地位。然而，锂离子电池原材料依赖进口、资源短缺，难以支撑我国新型储能产业可持续快速发展，能与锂电池储能形成互补和有效替代的新材料需求迫切。
据了解，钠离子电池与锂离子电池具有相似的电化学机理，都是通过阳离子在正负极之间的可逆脱出和嵌入实现能量的存储和释放。两种电池的负极都是碳材料，不同的是，锂离子电池的正极材料含有锂离子，而钠离子电池的正极材料含有钠离子。充电时，钠离子从电池正极脱出，经电解液和隔膜进入负极，正极电势升高，负极电势降低，把能量储存到电池中；放电时，钠离子运动方向与充电过程相反，正极电势降低，负极电势升高，把电池中的能量释放到电力系统。
相对于锂离子电池储能，“亲兄弟”钠离子电池储能原材料储量丰富、易于提取、成本低廉，低温条件下性能更好，在大规模储能方面具有明显优势。“钠离子电池储能进入规模化发展阶段，成本造价可降低20%至30%，在充分改进电池结构和工艺、提高材料利用率和循环寿命的前提下，度电成本可下探至0.2元/千瓦时，是推动新型储能经济应用的重要技术方向”，全国电力储能标准化技术委员会副秘书长、南方电网战略级技术专家陈满表示。
从技术研究到工程应用
攻关成果实现产业化落地
尽管我国在钠离子电池产品研发制造、标准制定以及市场推广应用等方面的工作已经全面展开，但把钠离子电池技术运用于大容量储能电站国际上还没有先例。
2022年11月，广西电网公司联合南网储能公司、中国科学院物理研究所、中科海钠科技有限责任公司等多家单位组成的项目团队，正式启动了国家重点研发计划项目子课题“百兆瓦时级钠离子电池储能系统集成技术及应用示范”研究攻关任务。“我们围绕高性能电芯规模制备、系统集成和安全防控等关键技术开展攻关，形成了具有自主知识产权的钠离子电池制备及系统集成技术”，项目负责人、南方电网广西电网公司创新部副主任高立克介绍。
高性能电芯是整套钠离子电池储能系统的基础单元。经过长达一年半的研究，项目团队研制出了全球首款长寿命、宽温区、高安全 210安时钠离子储能电池。“从性能看，我们这种钠离子电池具有工作温区宽、快充和倍率性好等优点，12分钟可以充电90%”，中国科学院物理研究所研究员胡勇胜介绍。
作为项目的主要技术参与方，南网储能公司储能科研院在锂电池储能的系统集成和安全防控等领域有着较为丰富的研究经验，承担了国家重点研发计划“锂离子电池储能系统全寿命周期应用安全技术”。“虽然钠电和锂电的反应原理相似，但要结合钠电充放电特性研制出成套储能系统，却需要攻克很多新的难题”，南网储能公司技术专家李勇琦感慨地说到。
△工程建设期，南网储能公司储能科研院“钠离子电池储能系统研制攻坚”党员突击队成员合影留念
以系统集成为例，项目团队创新采用了基于钠离子电池宽电压的分散式储能架构，整套系统一体集成了88个模块化变流器，实现与电池簇的“一一对应”，而传统锂电分散式架构的储能系统仅需集成40多个变流器即可。变流器数量成倍增长直接目的是提高容量可用率和能量转换效率。这套钠电池储能系统的能量整体转换效率超过92%，锂电池一般低于90%，有望与锂电池形成互补和有效替代，应用于大规模电化学储能、电动汽车、工程机械等领域。
而在安全防控方面，团队开发了液冷系统热管理策略以及模组级热阻隔、高效灭火等钠离子电池储能系统成套火灾防控技术。整套系统的22000多个钠电池单体的温度差控制在3摄氏度以内。运用兼备散热和热失控阻隔的玻璃纤维气凝胶作为电芯间的热阻隔材料后，可将电池单体热失控蔓延时间由30分钟延长至2小时，足足延长至4倍，大大提升了电池模块的安全性。而团队研发的液氮高效灭火、降温、抗复燃技术，能够在5秒内扑灭电池初期火灾，做到24小时不复燃不爆炸。“当前锂电和钠电储能技术之间的互促提升特征明显，这套钠离子电池储能系统研究实用的液氮高效灭火、降温、抗复燃技术由锂离子电池储能系统全寿命周期应用安全技术转化应用，在锂电、钠电储能系统同步首次工程应用”，李勇琦表示。
2024年1月28日，由中国工程院蒋剑春院士，中国科学院程时杰院士、张跃院士，欧盟科学院孙金华院士等专家组成的中国机械工业联合会鉴定委员会对项目成果作出评审鉴定：该项目团队研制的“十兆瓦时电力储能电站用钠离子电池储能系统”整体技术处于国际领先水平。
从十兆瓦时到百兆瓦时
大规模发展前景广阔
随着关键技术的突破，钠离子电池有望成为成本最低的电化学储能技术，将加快推动我国新型储能电站向集中式、大型化趋势发展，促进新能源发电高比例消纳，以新型储能新质生产力发展助力新型电力系统和新型能源体系构建。“我们研发的这个系统可以灵活地进行模块化组合扩展，好比搭积木，积木越多，规模越大。”高立克介绍，该系统通过模块化组合实现灵活扩展，可以达到百兆瓦时级以上规模。
未来，钠离子电池突破方向主要在能量密度、循环寿命方面，进而实现度电成本的持续降低。随着电站运行数据积累和分析，项目在系统集成技术方面还可以持续优化，进一步降低储能系统投资成本，有利于钠电池储能的规模化应用。
