中国钠硫电池有望争夺国际市场

中国钠硫电池有望争夺国际市场

2010年10月25日09:49  来源：《科学时报》

陈欢欢/摄



　　100KW/800KWh钠硫电池储能站成功并网运行，在上海世博会期间进行对外展示和示范。　　位于上海嘉定的中科院上海硅酸盐所钠硫基地虽然地理位置并不优越，却已经吸引了吴邦国、温家宝、俞正声、路甬祥、万钢、韩正等领导人前来参观视察。

　　那是因为，这里正在示范运行的钠硫电池储能系统关系着未来上千亿的市场份额，也在我国可再生能源和节能减排战略中占有不可或缺的一席之地。

　　储能技术被视为是现在新能源战略发展的瓶颈问题。根据美国电力研究院公布的资料，在各种化学储能技术方案中，钠硫电池是唯一一种能同时实现高效率和大容量的储能电池，技术优势明显。

　　但在实际中，液流电池、锂离子电池等储能电池被大量研究和开发，而钠硫电池却仅有日本NGK公司能够实现商业规模的应用，独占世界市场。

　　2006年，中科院上海硅酸盐所和上海电力公司合作，自主研发出储能用大容量钠硫电池，目前已进入中试阶段，使我国成为世界上第二个有望实现其规模化生产的国家。

　　除此之外，全世界还没有其他成功研发钠硫电池的案例。究其原因，就是钠硫电池的技术门槛较高，一般科研机构很难从零开始进行研发。

　　近日，《科学时报》记者在中科院上海硅酸盐研究所采访期间参观了钠硫电池实验室和研制基地。项目负责人、中科院上海硅酸盐研究所研究员温兆银告诉记者，储能市场巨大，仅钠硫电池的细分市场也相当之大，如果国家支持力度足够，我国的商用钠硫电池有望在3~5年内赶上日本现在的水平，在未来打破NGK公司一统国际市场的局面。

　　中国第一、世界第二

　　记者在采访期间发现，由于缺乏竞争对手，在对我国自主研发的钠硫电池的所有介绍中，唯一参照就是日本NGK公司，这也是钠硫电池研发和商用现状的真实写照。中科院上海硅酸盐所自主研发的钠硫电池可谓“中国第一、世界第二”。

　　温兆银直言：“我们接待了很多国内外的学者和业界人士来参观和交流访问，有人担心会不会发生技术泄密。我们认为，钠硫电池的技术难度大，需要有各路精英的启发，要更上一层楼，离不开同行的支持和帮助。但事实上，钠硫电池的技术门槛高，国内涉及钠硫电池研究的机构寥寥无几，希望和压力都承担在我们的身上。”

　　钠硫电池以钠和硫分别用作阳极和阴极，Beta-氧化铝陶瓷同时起隔膜和电解质的双重作用。其中陶瓷介质是钠硫电池能否研发成功的关键和核心。而NGK和上海硅酸盐所的共同点就是在陶瓷材料上都有几十年的研究基础。

　　实际上，钠硫电池最早由美国福特公司在上世纪60年代发明。当时，日本、中国、德国、英国等一些国家也针对车用电池开展了大量研究工作。

　　由于上海硅酸盐所在陶瓷材料的研究上基础较强，我国从上世纪60年代开始形成了以中科院硅酸盐所为主的研究队伍，总共有10多家研究单位参与。

　　已经退休的硅酸盐所研究员曹佳弟回忆说，我国钠硫电池的研发可谓“两上两下”：从上世纪60年代开始，硅酸盐所倾全所之力研发钠硫电池，到70年代达到高潮，在1977年实现了6千瓦的面包车示范。但随后，车用钠硫电池的研究进入低潮。直到80年代初期，中国科学院从院“六五”规划开始给予支持，尤其是“八五”期间得到了国家“863”重点项目的支持。但当时，全国只剩下硅酸盐所还在继续钠硫电池的研究。而到“十五”之后，全国的研究都基本处于停止状态。

　　与此同时，国外钠硫电池的研究也基本停滞。除了在上世纪80年代，日本重新定位，聚焦钠硫电池的储能应用，并研发成功、实现产业化，在全世界引起了很大的轰动。

　　在日本成功的激励之下，2006年，应上海电力公司之邀，硅酸盐所重新捡起了这项研究，并定位为大容量储能用钠硫电池。

　　根据要求，研究组必须在4个月内拿出电池样品，而当时，硅酸盐所对钠硫电池的研究已经停止了五六年。况且，温兆银组成的研究组仅有5个人。另外，同小容量的车用电池相比，储能用电池的技术难度更高，技术难以简单移植。因此，当时揽下这一重任时，有同事说温兆银“疯了”。

　　这4个月，他们确实过得很“疯狂”。当时还是学生，现在已经成为研发团队核心成员的韩金铎回忆起往事还是心有余悸：“那4个月过的真是‘魔鬼训练法’，基本每天都24小时连轴转，所以那4个月足以顶一年。”

　　除了自己连轴转，他们还监督加工单位也跟着连轴转。要研制出大容量储能用钠硫电池，首先就必须研发出专门的技术设备。“那时候我们经常深更半夜出现在合作的厂家‘突击视察’或是通宵达旦地进行设备试验。时间不等人啊！”温兆银回忆道。

　　2006年12月31日到2007年1月2日，研发团队经历最后两天两夜的不休不眠，终于制作出第一件大容量钠硫储能电池。

　　温兆银总结道：“4个月的成功起步，源于几十年的积累，突破原有思维定式，加上技术路线设计正确。”他特别强调了电力公司的风险意识，罗宏杰所长等所领导的强力支撑以及上海市科委的正确引导和中科院的关心指导。

　　定位100兆瓦以下集中分布式储能

　　据温兆银介绍，上世纪70年代末出现的那次世界范围的钠硫电池研发停滞主要是由于其作为车用电池的定位受到挑战：一方面，钠硫电池需要的运行温度较高，在当时难以解决安全性和可靠性问题；另一方面，镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等相继发明，这些常温运行的电池取代了钠硫电池成为车用电池的主流技术。因此，作为车用的钠硫电池逐渐淡出，到上世纪80年代中后期基本停止。

　　唯一坚持下来的就是日本NGK公司和东京电力公司从1983年开始联合研究储能用大容量钠硫电池。“关键是他们找到了运用的突破口，不再把钠硫电池用在动态的电动车上，而是用于静态环境下的储能，因此同其他电池相比更能发挥特长和优点。”温兆银说。

　　钠硫电池用于储能有多种方式，如对电网用电的削峰填谷，平衡夜晚和白天的用电；发生故障时的应急；接入可再生能源，使间歇性的可再生能源发电平稳地输入电网。“如果能起到调节峰谷的作用，中国就可以少建很多发电站，而发电站的投资往往是巨大的。”温兆银指出。

　　不过，再大容量的储能电池同抽水储能等物理储能方式相比还是小。据课题组成员刘宇介绍，钠硫电池今后的定位是解决集中分布式能源供应，规模定位在100兆瓦级别以下。

　　曾留学日本的刘宇介绍道，日本钠硫电池储能系统的主要用户是工厂、企业等集中分布式能源用户。因为这些大的工厂、企业往往用电量较大，在用电高峰时对电网的冲击也较大，通过配备的储能系统就能在关键的用电高峰消减电网压力，调节电网的峰谷平衡。

　　他补充道，抽水蓄能调节的容量很大，适用于大型发电厂，并且受地理条件限制。而钠硫电池体积小、方便灵活，更适用于社区、医院，甚至家庭等小规模供电系统。

　　产业化推进还需国家层面支持

　　目前，硅酸盐所100千瓦/800千瓦时的钠硫电池储能系统正在经受上海世博会的示范考验。世博会期间，国家电网上海世博园智能电网综合示范工程（上海漕溪能源转换综合展示基地）对4种储能电池同时示范，其中钠硫电池是容量最大的一种，占到总容量的2/3。

　　记者在采访时注意到，地处上海漕溪路变电站的储能示范控制中心对嘉定基地的储能系统全程远程控制和操作。该系统目前稳定运行，成功并网，在夜里充廉价电，白天放电重新输回电网。

　　“这也是将来能走到商业化应用的起步。”温兆银满怀希望地说。

　　“为了实现工程化研究，我们研制出一条2兆瓦单体钠硫电池的试验平台，每天可以制备35~40个大容量电池。罗宏杰所长、杨建华副所长亲自推动项目的开展。”温兆银说：“通过这条试验线，我们使钠硫电池快速走向了小批量化试制，现在已经掌握了钠硫电池生产的各个环节，为产业化打下了基础。当然要真正进入市场应用还远远不够。”

　　储能市场是巨大的，有数据显示，仅上海一地可预见的市场规模就可达400亿元。

　　温兆银认为，将来各种储能技术都会有各自的市场，即便钠硫电池分享其中的一小块也是很大的市场。“现在最紧急的是可再生能源如何实现并网。这块不仅市场大，而且需求迫切，没有储能系统的配套，风力发电基本上不能实现并网而无法正常运转”。

　　除了在日本国内100多个电站中运行。NGK的技术还远销国际市场。仅2009年，NGK就有150兆瓦容量出口到欧洲、300兆瓦的合同输出到阿联酋。

　　“NGK年生产能力只有150兆瓦，但是国外订单已经把未来3年的产量订满了，可见钠硫电池的储能市场供不应求。”温兆银分析道。

　　记者分析发现，常规的一台风机一般在3~5兆瓦左右，需要对应2兆瓦左右的储能系统进行匹配。而数据显示，我国到2020年的风电累计装机将达到2300万兆瓦。

　　“所以对于储能市场来说，150兆瓦是个很小的数字。现在的技术发展远远跟不上市场的发展。”温兆银说。

　　对于市场需求的迫切性和发展不协调的现状，温兆银认为必须有国家层面的推动才能实现突破。他说：“现在很多技术有技术基础，但是要真正进入市场还很难，要向产业化推进必须有更大的支持力度。”

　　据悉，NGK公司在研发钠硫电池的最初几年中一直亏本，NGK每位新上任的理事长最头疼的一件事就是到底还要不要研发钠硫电池。而它最后能坚持下来多亏了东京电力持续的大力支持，让一项已经被世人放弃的技术重获新生。

　　刘宇认为，NGK之所以能实现商业推广，一个重要因素是日本机电配套企业的能力很强，实现了生产的自动化、连续化。“它的自动化程度甚至比生产锂离子电池还高。”刘宇说，“我们下一步要实现规模化生产面临的主要问题就是中国企业的工业生产能力。”

　　温兆银表示，硅酸盐所的钠硫电池正处在产业化准备阶段，除了跟电网公司合作，还将与制造企业合作，共同推进产业发展。“这个产业涉及到很多方面，一旦推动起来将很快形成巨大的产业链。”他说。

　　NGK从2002年开始商业推广，到2008年实现赢利，用了6年的时间。根据温兆银理想的设计，我国现在必须加速起步，花上3～5年时间达到日本现在的规模。“要做到这点才能顺利进入市场规模的生产，今后形成一定的竞争力。”他强调。  目前，针对钠硫电池存在一些质疑的声音，认为钠硫电池短期内难以真正实现商用。为此，《科学时报》记者就这些问题采访钠硫电池的研发人——中科院上海硅酸盐所研究员温兆银、刘宇，高级工程师曹佳弟等人。

　　问题一：安全问题

　　“安全问题更准确地说应该是运行可靠性的问题。”

　　质疑：钠硫电池的运行温度在300～350℃之间，如果陶瓷电介质一旦破损形成短路，高温的液态钠和硫就会直接接触，发生剧烈的放热反应，产生2000℃的高温，相当危险。

　　温兆银：NGK公司从1992年示范运行至今，在日本已经运行了100多座钠硫电池储能电站，18年期间只发生过一次起火事故，并在消防队到达之前自行熄灭，被评定为轻微事故。

　　从钠硫电池实现商用之后，日本媒体进行了大量的宣传报道，希望改变公众的观念，接受钠硫电池。

　　事实上，任何储能系统都是能量聚集系统，都存在安全隐患。由于采用陶瓷做固体隔膜，没有气体存在，因此不会爆炸。跟某些其他电池比起来，钠硫电池事故率很低。

　　钠和硫一旦直接接触，存在安全隐患，因此我们在结构设计上采取了很多安全措施，层层设防，保证即使陶瓷损害也不会简单接触、即使电池损坏也不会简单外溢。

　　硅酸盐所的钠硫电池目前没有发生过安全事故，正在进行长期运行的可靠性验证。

　　问题二：寿命问题

　　“一旦使用实用化材料和部件，产品寿命能达到10年。”

　　质疑：寿命短影响其性价比，难以商用。

　　温兆银：钠硫电池和其他电池不同，没有任何副反应，活性物质可以被可逆的利用而不被损耗。由于金属零部件在硫以及硫化物介质中高温下长时间工作会有腐蚀，影响其寿命，所以钠硫电池的金属部件都采用了特殊的防腐蚀措施进行保护。

　　硅酸盐所目前实验的钠硫电池的寿命期望值是8年，初期的退化衰减水平基本和日本相近。一旦到产业化阶段，材料与电池的一致性得到解决，电池寿命可达到10年以上，目前日本产品的水平是15年左右。

　　问题三：温度问题

　　“模块具有很好的保温功能，能维持一段时间的低功率运行。”

　　质疑：钠硫电池在300℃才能启动，存在保温耗能的问题，启动时间长在一定程度上限制了其应用。

　　曹佳弟：钠硫电池在充电时吸收能量，需要额外的电能加热，在放电的同时放热，足以维持运行所需的温度。

　　同时，硅酸盐所研发的电池模块具有很好的保温功能，在没有供电加热的情况下也能长时间保温。目前NGK公司的产品从运行温度冷却到室温大约需要半个月时间，在断电后的一个星期还能维持低功率运行。

　　问题四：废电池处置问题

　　“日本已经形成一套相当成熟的回收技术。”

　　质疑：损坏的电池难以处置，这也是钠硫电池的软肋之一。

　　刘宇：钠硫电池跟其他电池不一样，是可拆分电池，因此原理上说回收再利用率会较高——陶瓷部件和钠、硫不相容，使用后可以完全分离，单独再回收；钠和硫部分的化合物可以可逆地分解形成钠和硫；其他的金属部件也可以回收再利用。

　　日本目前已形成一套相当成熟的回收技术和工序。而硅酸盐所目前也已初步形成一套清洁的回收技术工艺，在一些保护介质里进行拆分，钠、硫及金属都可以被回收甚至再利用。

　　不过，我国的钠硫电池如何真正高效回收再利用还需要再进行研究。

　　问题五：成本问题

　　“我们的价格不会比日本高。”

　　质疑：国产钠硫电池成本能否降低达到商用水平？

　　温兆银：目前在各种大容量储能电池中，除了性能低的铅酸电池，钠硫电池是最便宜的。根据日本的数据，锂离子电池的价格是钠硫电池的3倍。液流电池也比钠硫电池贵，因此钠硫电池的成本比较有优势。

　　而且由于钠、硫和陶瓷的原材料自然界储量丰富、成本较低，同时钠和硫都没有特殊用途，影响其价格波动的潜在因素比较少。

　　中国还没做到大规模应用，因此价格难以确定。未来成本下降的空间主要取决于产业化规模和制造技术。

　　目前NGK产品的价格在2000~2500元/千瓦时。我们的价格不会比国外高。 （陈欢欢）