“十三五”期间，由国家发展和改革委员会、国家能源局等五部委联合发布的《关于促进储能技术与产业发展的指导意见》( 发改能源[2017]1701 号 ) 中，明确了储能技术在构建“清洁低碳、安全高效”的现代能源体系、推进能源行业供给侧改革、推动能源生产和利用方式变革方面的战略意义 [1]，指明了我国储能产业发展的方向和目标，我国储能产业进入了高速发展时期。截至 2019 年底，我国已投运的储能项目 ( 包含物理储能、电化学储能、储热项目 )的累计装机容量较 2016 年增长了 32%，其中，电化学储能的规模更是增长了 7 倍。2021 年 1月，青海省率先颁布了《关于印发支持储能产业发展若干措施 ( 试行 ) 的通知》( 青发改能源[2021]26 号 )( 下文简称《通知》)，该《通知》指出：适度补贴电化学储能设施运营，对“新能源 + 储能”、“水电 + 新能源 + 储能”项目中自发自储设施所发售的省内电网电量，给予 0.10元 /kWh 运营补贴 [2]，这为电化学储能的进一步发展提供了政策支持。

　　据中国能源研究会储能专业委员会 / 中关村储能产业技术联盟 (CNESA) 全球储能项目库的不完全统计，锂电池是电化学储能的主要技术形态，截至 2020 年底，其占比达 92%。用于新能源电站的储能电池为能量型锂电池，该类锂电池的充放电倍率较低，一般在 1 C 及以下，在一些离网型的新能源电站项目中，锂电池的充放电倍率甚至会低至0.1 C(储能时长为10 h)，此类锂电池注重持续放电、安全性及循环寿命等特性。

　　目前，国内外新能源电站中储能电池采用的锂电池类型并不相同，国内储能电池主要采用磷酸铁锂电池；而在国外，特别是韩国和美国，储能电池主要采用的是三元锂电池中的镍钴锰酸锂电池。因此，新能源电站中储能电池用锂电池选用合理的技术路线至关重要。由于正极材料的特性决定了锂电池的性能，因此，本文结合磷酸铁锂电池和三元锂电池正极材料的特征，对这 2 种锂电池的性能和特点进行了对比分析，并对未来新能源电站中储能电池的发展前景进行了展望。

1 锂电池的基本原理

　　锂电池由正极、负极、电解质及隔膜组成。锂电池主要是通过锂离子在电池正、负极之间来回脱出、嵌入来实现充、放电。当对锂电池充电时，电池的正极上有锂离子脱出，脱出的锂离子经过电解液后迁移到负极，并嵌入到负极材料的间隙中；当锂电池放电时，嵌在负极材料中的锂离子脱出，迁移回正极。

1.1磷酸铁锂电池

1.1.1基本结构

　　磷酸铁锂 (LiFePO4，LFP) 电池是以 LFP 材料作为电池正极的锂电池，此种锂电池的价格低廉、结构稳定，在反复充放电过程中能够保持结构的稳定性，循环可逆性高。

LFP 为有序的橄榄石结构，属于 Pnma 空间群 [3]，其晶体结构图如图 1 所示。由图 1 可知，由于 P 原子 ( 图中浅色阴影部分 ) 占据了 O 原子四面体的 4c 位置，Fe 原子 ( 图中深色阴影部分 ) 占据了八面体的 4c 位置，Li 原子 ( 图中小颗粒 ) 占据了八面体的 4a 位置，由此形成了三维空间的网状结构。

2 新能源电站中储能电池采用 LFP 电池与NCM 电池的性能对比分析

　　由于正、负极材料与电解质材料不同，以及工艺上的差异性均会导致锂电池的性能存在一定差异。锂电池的关键性能包括能量密度、充放电倍率、循环寿命、安全性及工作温度等。本文选取了目前市场上 2 种具有代表性的新能源电站储能电池用锂电池，并对其性能进行对比，对比结果如表 1 所示。

　　通过分析表 1 中的数据可以发现，LFP 电池与 NCM 电池的性能差异主要体现在以下几个方面：

　　1) 能量密度。电池的能量密度是指电池单位体积或单位质量所释放出的电能，其很大程度上是由电池的正、负极材料的性能决定的。理论上，NCM 电池的质量能量密度约为 LFP电池的 1.5～1.8 倍 [10]，但从具体的产品层面来看，由于各个公司的产品定位及安全考虑等不同，实际情况中 2 种电池的质量能量密度差距并没有那么大。比如，由表 1 可知，LFP 电池的质量能量密度为 155.8 Wh/kg，仅略低于NCM 电池的 164.7 Wh/kg。但在电芯容量相同的情况下，NCM 电池会比 LFP 电池的占地面积减少 15%，更节约用地，从而可降低储能电池的运输、安装等费用。

　　2) 充放电倍率。目前市场上主流的 LFP 电池的充放电倍率都在 1 C 及以下，这主要是出于电池的性能和循环寿命考虑。而 NCM 电池的充放电倍率大多为 1～2 C，但出于安全性考虑，同家公司生产的充放电倍率为 2 C 的 NCM 电池在质量能量密度、循环寿命等方面的性能通常都会比充放电倍率为 1 C 及以下的 NCM 电池明显下降，有些NCM 电池的质量能量密度甚至比 LFP 电池的低。

　　储能电池用锂电池常见的充放电倍率有 0.25C(4 h 储能时长 )、0.5 C(2 h 储能时长 )、1 C(1 h储能时长 )。随着锂电池成本的下降，目前通常采用 1 C 超配储能电池用锂电池的方式来达到早期项目中充放电倍率为 2 C 的储能系统的功率要求。该方法更安全，且锂电池的使用寿命更长；同时由于充放电倍率为 1 C 的储能系统可以有调频、峰谷套利等多种盈利模式，比充放电倍率为 2 C 的储能系统更具有经济性。

　　近几年，出于安全性、成本、使用效果等多方面因素的考虑，充放电倍率为 2 C 的 LFP 电池和 NCM 电池都已不再是市场的主流产品。

　　3) 循环寿命。在环境温度为 25 ℃，充放电倍率为 1 C，电池剩余电量 (EOL) 为 80% 的条件下，电芯容量为 260 Ah 的 LFP 电池的循环寿命为 6000 次；上述其他条件不变，EOL 为 60% 的条件下，电芯容量为 260 Ah 的 LFP 电池的循环寿命可达 7000 次以上。而在相同工况下，NCM电池的循环寿命仅约为 LFP 电池的 1/2。这主要是因为 LFP 电池的放电电压平台平稳，充放电过程中无相变，而 NCM 电池的放电电压平台运行不平稳，充放电过程中存在相变，易造成其电芯容量衰减，缩短循环寿命。而在低充放电倍率(0.5 C 以下 ) 时，NCM 电池的循环寿命可以有明显提高，达到 5000～6000 次。

　　目前国内外新能源电站要求其储能电池采用的锂电池的循环寿命为 5500 次或使用年限为 15年 (1 天1 次循环的工况下 )，而 LFP 电池可以很好地满足循环寿命的要求。

　　4) 安全性。锂电池中的热失控现象是一种电池放热过程中热量的链式积累，而后伴随电池温度升高，在产热强度和数量完全压制散热强度的情况下出现的爆炸和起火现象。在短路、局部高阻抗过热、挤压、穿刺、碰撞等条件下，NCM电池的极限温度极易达到 200～300℃，会产生大量氧气，易着火。而 LFP 电池的热稳定性极好，在出现热失控现象时，其晶体结构中的氧是以磷氧四面体的结构存在，不会释放氧气，因此安全性大幅优于 NCM 电池。

　　在新能源电站用储能电池中不太可能发生挤压、碰撞等极端工况，但新能源电站用储能电池的电芯容量要远高于乘用车动力电池的电芯容量，且其在温度控制方面更为困难；另外，新能源电站的安全性要求也更高。因此从安全性角度考虑，新能源电站用储能电池更倾向于 LFP 电池。

　　5) 工作温度。文献 [10] 的研究表明：以 25 ℃为基准温度，在 55 ℃高温下测得的 NCM 电池和LFP 电池的放电容量与在 25 ℃下测得的二者的放电容量相比无明显衰减。但在低温条件下，尤其是低于 -20 ℃时，NCM 电池的放电容量明显高于 LFP 电池的放电容量。因此，对于建设在高纬度地区的储能系统而言，由于昼夜温差大且夜晚温度较低，LFP 电池的低温适用性不如 NCM 电池，不宜采用户外集装箱直接布置的方式，可通过采用站房式布置，将 LFP 电池置于室内，可改善储能系统的运行环境，此问题可以得到解决。

　　综上所述可以发现，新能源电站中储能电池采用 LFP 电池更为适合。

3 前景预测

　　新能源电站用储能电池在国外起步较早，早期采用的储能电池主要是韩国公司生产的 NCM电池，市场占有率较高。但基于采用 NCM 电池的电站近年来在韩国发生了多次安全事故，同时，随着 2021 年国内企业对 LFP 电池技术路线的大量投入，LFP 电池的成本显著降低，国内外对LFP电池的安全性、经济性的认可度越来越高。可以预见，随着各企业的持续投入，LFP 电池的性能、成本优势会进一步扩大，成为新能源电站用储能电池中的主流技术路线。

4 结论

　　本文以目前电化学储能中 2 种主流的锂电池—— LFP 电池和 NCM 电池为例进行了性能对比分析，结果发现：LFP 电池在质量能量密度和低温性能上稍弱于 NCM 电池，但其在安全性、循环寿命等方面有明显优势。与乘用车动力电池用锂电池不同，新能源电站用储能电池对安全性和循环寿命的要求更高，且运行工况相对温和，对空间要求不高，因此采用 LFP电池更为适合。



【来源：太阳能杂志社】