1.儲能產業發展加速，電化學技術百家爭鳴

2016年我國化學儲能裝機量為189.4MW，同比增長達79.5%。與其他儲能方式相比，電化學儲能具有設備機動性好、響應速度快、能量密度高和循環效率高等優勢，是當前國內外儲能研究的熱點。

圖 1：近年來全球(左)及我國(右)化學儲能裝機容量高速增長

數據來源：CNESA，國泰君安證券研究

儲能電池種類多，性能特點各不同。當前主流電化學儲能技術有先進鉛酸電池、鋰離子電池、液流電池和鈉硫電池等，其性能特點和經濟性各不相同，目前尚未有某一種技術能夠完全滿足循環壽命、可規模化、安全性、經濟性和能效五項儲能關鍵技術指標。鉛炭電池、鋰電池是當前發展較快、有望率先帶動儲能商業化的電化學儲能技術。

表 1：主流電化學儲能技術性能比較

數據來源：《儲能產業研究白皮書2016》，國泰君安證券研究

2.鉛酸老樹發新枝，鉛炭儲能步入商業化初期

鉛蓄電池歷史悠久，技術革新拓展儲能應用。鉛蓄電池自1859年發明以來已具有150多年歷史。時至今日，傳統鉛酸蓄電池憑借其安全可靠、容量大、性價比高等優點，在二次電源應用領域仍具有穩固的地位。近年來，以鉛炭電池為代表的新興鉛酸技術的出現，大大彌補了傳統鉛酸電池比能量低、壽命短等缺點，使其在大規模儲能領域的應用成為可能。目前鉛蓄電池行業已具備較為成熟的技術體系和產業鏈，先進鉛酸電池受益于相對較低的生產成本，有望率先在大規模儲能領域實現商業化。

圖 2：鉛蓄電池行業已形成“原料-生產-應用-回收”循環產業鏈

數據來源：國泰君安證券研究

表 2：先進技術增強鉛酸電池活力

數據來源：《我國儲能電池技術的主要進展》,國泰君安證券研究

鉛炭電池是當前先進鉛酸技術發展的主流方向。鉛炭技術的核心是在負極引入活性炭，使電池兼具鉛酸電池和超級電容器的優勢，同時可有效抑制普通鉛蓄電池負極不可逆硫酸鹽化的問題，使其大電流充放電性能和循環壽命得到顯著提升。測試評估結果顯示，同等工作狀況下鉛炭電池的放電功率是普通鉛酸電池的3-4倍，循環壽命提升至其6倍，充電速度可提高8倍，而其生產成本僅比普通鉛酸電池增加30-40%。當前鉛炭技術研究的重點在于鉛炭負極的作用機理、炭材料的選擇和抑制析氫等問題上。美國ALABC、Axion Power，日本Furukawa，澳大利亞CSIRO，法國CEA-INESD等公司和機構，都在積極從事相關方面的研究和開發。南都電源是國內鉛炭電池開發和推廣的領軍企業，其產品和技術已在國內市場形成一定競爭優勢。

圖 3：鉛炭電池結構示意圖

數據來源：《鉛酸電池技術原理》

圖 4：先進鉛酸儲能系統在電網中應用廣泛

數據來源：《先進鉛炭電池儲能技術》

表 3：鉛炭技術發展歷程

數據來源：《先進鉛炭電池儲能技術》,國泰君安證券研究

鉛炭儲能步入商業化初期，市場空間大。以南都電源為例，目前公司已在國內投運鉛炭儲能項目48個，總規模242MWh，已簽署儲能商用儲能電站項目約1000MWh，系統廣泛應用于調峰調頻、風光儲、用戶側儲能等領域，具有廣闊的商業化前景。與鋰電池等其他主流電化學儲能技術相比，鉛炭電池的成本僅為其三分之一，短期性價比優勢仍然顯著。長期來看，鉛炭電池在循環壽命、環境影響等方面仍具有一定局限性，預計未來其他電化學儲能技術的發展和成本的進一步降低將對其市場空間構成一定挑戰。

表 4：鉛炭儲能已在多領域實現商業化應用

數據來源：《南都儲能電站商業化模式介紹》,國泰君安證券研究

3.液流電池多體系并存，全釩、鋅溴是主流

液流電池種類繁多，功率容量可調。液流電池主要通過氧化還原電對在惰性電極上發生電化學反應完成能量儲存于釋放。其最大特點在于電池輸出功率和容量相互獨立，可分別通過改變電池模塊大小、電解液濃度和體積實現獨立設計。同時液流電池具有充放電性能好、循環壽命長的特點，適合大規模儲能應用。目前較為成熟的液流電池體系有全釩、鋅溴、鉻鐵、多硫化鈉-溴等雙液體系。其中全釩、鋅溴電池由于不存在正負極電解液交叉污染問題，發展尤為迅速。此外，近年來開始發展的鋅鎳單液體系也具有其獨特優勢。

圖 5：雙液流電池工作原理示意圖

數據來源：國泰君安證券研究

圖 6：單液流電池工作原理示意圖

數據來源：國泰君安證券研究

表 5：液流電池體系繁多

數據來源：國泰君安證券研究

全釩液流電池是目前研究和應用最廣泛的液流電池技術。全釩體系正負電極電對分別為VO2+/VO2+、V2+/V3+，其主要優勢在于電解液無交叉污染、無自放電、一致性好，且循環壽命極長。目前全球范圍內共安裝有40-50套釩電池系統，其研發和制造企業主要包括日本住友電工SEI、大連融科、北京普能、美國UniEnergyTechnologies等。其中融科儲能于2016年開始投建的200MW/800MWh大連液流電池儲能調峰電站國家示范項目，是目前世界上最大的化學儲能調峰電站。

高成本是制約全釩液流電池商業化的主要因素。當前全釩系統成本約在4500-6000元/kWh，遠高于鉛炭、鋰電等電化學儲能技術，主要原因是離子交換膜、電解液等材料成本較高。目前離子交換膜很大程度依賴進口，價格約為5000元/平方米，國產價格也高達1000元/平方米。同時釩電池體積密度低，電解液使用量很大，導致同規模下電池總成本較高。目前液流電池產業鏈尚未完善，未來成本下降將依賴于離子交換膜國產化、提高釩離子溶解度、提高電流密度等方向的研究。

圖 7：全釩液流電池關鍵技術

數據來源：《全釩液流電池》,國泰君安證券研究

鋅溴體系成本低，材料配件受壟斷。鋅溴液流電池結構與全釩體系類似，其正負極電對為Br/Br-、Zn/Zn2+,兩種元素均豐富易得。其結構部件主要采用價格低廉的塑料，不含貴金屬，成本較低。隔膜材料主要是鋰電池、鉛酸電池類似的微孔膜，價格相對便宜，僅為50-100元/平方米。同時其體積能量密度也相對高，總體系統成本僅為全釩液流電池的一半，因而受關注度較高。鋅溴電池在技術層面的主要問題在于溴的強腐蝕性，其材料技術和配件生產仍在一定程度上受到美、日等國家的壟斷。目前我國從事相關研發的企業主要有安徽美能、北京百能等。

鋅鎳單液體系開拓液流電池發展新道路。鋅鎳單液流電池是解放軍防化研究院2007年提出的一種新型液流電池，其特點是正負極反應使用同一電解液，無需離子交換膜，從而大大降低了生產成本并簡化了電池設計。由于使用堿性電解液，電池長期抗腐蝕能力較好。經試驗，電池在1000次循環后能量效率達到86%，優于一般雙液流電池。目前這類電池尚處于研發試驗階段，除國內部分機構外，日本、美國也已開始相關研究。

圖 8：鋅鎳單液流電池單體(左)與電池組(右)

數據來源：《液流電池儲能技術》

4.鈉硫電池技術受壟斷，國內短期難以推廣

鈉硫電池性能好，國外應用較成熟。鈉硫電池以單質硫和金屬鈉為正負極，β-氧化鋁陶瓷為電解質和隔膜，其工作溫度在300-350攝氏度之間，具有能量密度高、功率特性好、循環壽命長、成本相對低等優點。目前全球范圍內已建成200多座鈉硫電池儲能電站，其規模約占全球電化學儲能總裝機量的30-40%，僅次于鋰離子電池。日本NGK公司是全球唯一具有大規模商業化生產鈉硫電池能力的企業，其年產能約150MW。

圖 9：鈉硫電池原理結構示意圖

數據來源：《鈉硫電池研究分析》

鈉硫電池成本和安全性有待優化。鈉硫電池系統成本約為2000-2500元/千瓦時，相對大部分儲能技術都較低，但離大規模商業化標準仍有距離。此外，由于電池使用液態鈉且在高溫下運行，一旦陶瓷電介質發生受損破裂形成短路，將引發電池燃燒產生重大安全事故。2011年NGK公司系統曾在客戶方發生燃燒，加重了市場對該技術安全性方面的顧慮。

國內鈉硫研制起步晚，短期推廣難。國內鈉硫電池研發工作起步較晚，目前主要由上海硅酸鹽所承擔，目前已研制成功100kW級儲能系統。但與日本NGK技術相比，國內鈉硫技術仍有15-20年差距，短期難以商業化推廣。

圖 10：鈉硫電池制備工藝流程

數據來源：《若干電池前沿問題及未來電池發展方向》,國泰君安證券研究

5.鋰電產業發展快，成本下降推動儲能應用

鋰離子電池應用廣，動力鋰電需求拉動產業快速發展。鋰離子電池由正負電極、隔膜、電解液組成，具有能量密度大、工作溫度范圍寬、無記憶效應、可快速充放電、環境友好等諸多優點，目前已廣泛應用于各類電子產品、新能源車和電化學儲能等領域。近年來鋰電產業受下游新能源車動力電池需求增長拉動，規模和技術發展尤為迅速，目前已有動力電池企業上百家，電芯市場規模超2000億。預計未來5年國內鋰電池需求仍將保持30%-40%的高增速，技術和產業鏈也將進一步成熟。

圖 11：鋰離子電池工作原理示意圖

數據來源：GBII

圖 12：國內市場鋰電池需求保持高速增長

數據來源：國泰君安證券研究

圖 13：鋰離子電池產業鏈

數據來源：國泰君安證券研究

鋰電技術路線多，儲能更注重安全性和長期成本。與動力鋰電池相比，儲能用鋰電池對能量密度的要求較為寬松，但對安全性、循環壽命和成本要求較高。從這方面看，磷酸鐵鋰電池是現階段各類鋰離子電池中較為適合用于儲能的技術路線，目前已投建的鋰電儲能項目中大多也都采用這一技術。此外，鈦酸鋰電池因其超長的循環壽命也受到廣泛關注，隨著未來技術成本降低，有望在儲能領域實現規模化應用。三元電池的主要優勢在于高能量密度，其循環壽命和安全性較為局限，因而更適合用作動力電池。

表 6：磷酸鐵鋰和鈦酸鋰技術更適合儲能應用

數據來源：國泰君安證券研究

鋰電規模經濟效應顯現，儲能成本快速下降。近年來國內動力鋰電行業競爭激烈，下游整車廠對性能和價格需求倒逼鋰電技術快速進步，同時主要廠商產能不斷擴張，鋰電池生產成本不斷下降，年均降幅達15-20%。目前部分廠商磷酸鐵鋰電池價格已降至1200-1400元/千瓦時，相應儲能系統成本也降至2000元/千瓦時，儲能經濟性有了很大提高。以目前公布的規劃來看，未來幾年主要鋰電廠商產能高速擴張的趨勢仍將持續，鋰電儲能也將隨成本下降而步入商業化應用區間。

圖 14：近年來鋰離子電池成本快速下降

數據來源：電子發燒友，國泰君安證券研究

圖 15：國內動力鋰電廠商產能快速擴張

數據來源：國泰君安證券研究

動力電池梯次利用可進一步提升鋰電儲能經濟性。梯次利用技術主要是針對容量降低但并未完全報廢的退役動力電池，其主要環節包括回收與性能評估、電池系統重組及梯次利用于儲能領域，是一種綠色、經濟、可持續的資源回收手段。當前全球范圍內都在積極開展相關研究，美國、德國、日本等起步較早的國家已有不少成功案例。國內比亞迪、CATL、國軒高科、中航鋰電等一線動力電池廠商業已開始相關領域布局，未來有望推動鋰電池成本的進一步下降。

表 7：國內外已逐步開展各類動力電池梯次利用儲能示范項目

數據來源：《動力電池梯次利用報告》

儲能千億市場將啟動，鋰電技術是主流。鋰電儲能具有清潔高效、能量密度高、充放電性能好、響應速度快等優點，在多種應用領域都具有技術經濟性優勢。在目前全球已建MW級電化學儲能示范項目中，鋰電池項目裝機規模約占總容量的50%，遠超其他儲能技術，國內張北風光儲輸、南網寶清電站等大型儲能示范項目，也都將鋰電作為重點技術路線發展。在鋰電產業持續高速發展、電池成本不斷降低的狀況下，預計鋰離子電池仍將是未來電化學儲能的主流。

圖 16：國內儲能裝機規模鋰電最大

數據來源：CNESA

表 8：鋰電池在多個應用領域具有技術經濟性優勢

數據來源：CNESA儲能產業研究白皮書2016，國泰君安證券研究

撰稿：徐云飛 (國泰君安電力設備新能源團隊首席分析師)、王浩 (國泰君安電力設備新能源團隊首席分析師)