彭博新能源财经近日发布《2021年全球储能展望》指出，未来10年，中美两国将继续主导全球储能市场，预计2030年底中美两国储能部署总量将占全球70%以上。2017年以来，锂离子电池急剧发展，占据了中国和美国储能市场绝大部分份额，技术成熟度不断提高。但随着越来越多锂电储能系统的部署，安全事故的风险也随之增加，尤其是电池热失控导致的安全事故频发引起了人们的重视和担忧。（电动车、电动自行车着火新闻见百度）
2019年，国家电网有限公司发布《关于促进电化学储能健康有序发展的指导意见》，意见强调要严守储能安全红线。不仅如此，锂等元素昂贵，地壳中含量少且分布极不均匀，对于长期规模化应用而言可能会成为一个重要问题。
钠元素和锂元素有相似的物理化学特性，且在地壳中储量丰富，资源分布广泛，因此发展针对规模化储能应用的储能钠电池技术具有重要的战略意义，近年来得到研究者的广泛关注。
事实上，锂离子电池、钠硫电池、钠–金属氯化物电池、液流电池和铅酸电池在内的5类电池技术已经被认为是较可靠的能源供应体系，在全球范围内有兆瓦级的装机规模。目前，已经在储能领域规模化应用的钠电池体系主要包括两种，即基于固体电解质体系的高温钠硫电池和钠–金属氯化物电池体系。它们的负极活性物质均为金属钠，更准确地被称为钠电池。
钠离子电池通常指有机体系钠离子电池，由于其技术水平提升较快，成为极有前景的储能电池之一。目前全球从事钠离子电池工程化的公司已有20家以上。
中国科学院物理研究所与中科海钠科技有限责任公司联合推出的1 MWh钠离子电池光储充智能微网系统在山西太原投入运行。宁德时代新能源科技有限公司（CATL）近期也发布了他们的第一代钠离子电池，能量密度达到160 Wh/kg。
然而钠离子电池尚未在储能产业上大规模推广，其应用优势有待验证。水系钠离子电池具有环保、低成本、制造方便、安全性好、易回收等优点，但是存在电压窗口较低、电极材料副反应等严重影响寿命的问题。
按照中国工程院衣宝廉院士科研团队在中国工程院院刊《中国工程科学》2021年第5期发表《储能钠电池技术发展的挑战与思考》一文的分析，选择规模储能用安全性改善的钠硫电池和钠–金属氯化物电池储能钠电池体系用于储能似乎更为现实。具体分析如下：
1、钠硫电池。钠硫电池是一种基于固体电解质的高温二次电池，它以钠作为阳极，以渗入碳毡中的硫作为阴极，传导钠离子的 β"- 氧化铝陶瓷在中间同时起隔膜和电解质的双重作用。
钠硫电池特性：①比能量高。目前，钠硫电池的实际能量密度已达到 240 Wh/kg 和 390 Wh/L 以上，与三元锂离子电池相当。②功率密度高。用于储能的钠硫单体电池功率可达到 120 W 以上，形成模块后，模块功率通常达到数十千瓦，可直接用于储能。③长寿命。电池可满充满放循环 4500 次以上，寿命为 10~15 年。④库伦效率高。由于采用固体电解质，电池几乎没有自放电，充放电效率约为 100%。⑤环境适应性好。由于电池通过保温箱恒温运行，因此环境温度适应范围广，通常为–40~60℃。⑥电池运行无污染。电池采用全密封结构，运行中无振动、无噪声，没有气体放出。⑦电池原料成本低廉，无资源争夺隐患，结构简单，维护方便。
2、钠–金属氯化物电池。钠–金属氯化物电池（也称 ZEBRA 电池）可与钠硫电池统称为钠-beta 二次电池，其结构与钠硫电池类似，负极是液态的金属钠，β"-Al2O3 陶瓷作为固态电解质，不同的是，ZEBRA 电池工作温度略低，为 270~320℃，正极部分由液态的四氯铝酸钠（NaAlCl4）辅助电解液与固态的金属氯化物组成，其中氯化镍的应用研究最为广泛。
钠–金属氯化物电池特性：①高安全性。钠–金属氯化物电池具有短路温和放热和过充过放可逆等特点，确保电池在电气和机械滥用时的高安全性。②无钠组装。电池以放电态组装，仅在正极腔室装填金属粉体、氯化钠和电解液，制造过程安全性高。③高电压。开路电压较钠硫电池提高 20% 以上。④维护成本低。电池内部短路时特有的低电阻损坏模式大大降低了系统的维护成本。
小结：储能钠电池可针对极端环境（如高热、高寒、高盐腐蚀等）下的风能、太阳能等可再生能源发电企业配套大容量、安全可靠的储能系统，也可以为载人潜艇、陆军战车、水下平台等提供动力，为国防科技事业、5G通信基站、数据中心等室内用电大户提供备用电源。储能钠电池的应用领域可以为锂离子电池技术提供有益补充，
接下来，看下储能钠电池商业应用实例如何？
1、钠硫电池技术在日本以外的其他国家也得到了应用研究和推广，包括美国、中国、韩国、瑞士等。
2006 年，由中国科学院上海硅酸盐研究所（SICCAS）与上海电力公司合作开展用于大规模储能应用的钠硫电池研究。SICCAS 开发的 30 Ah 和 650 Ah 两种规格钠硫单体电池具有良好的循环稳定性，寿命超过 1200 次。此后，一条年产能 2 MW 的 650 Ah 单电池中试生产线建成。
图1 钠硫电池储能系统 / 电站的商业应用实例（来源:《储能钠电池技术发展的挑战与思考》 ）
2010 年上海世界博览会期间，中国科学院上海硅酸盐研究所和上海电力公司合作，实现了 100 kW/800 kW 钠硫电池储能系统的并网运行（见图 1c）。2011 年 10 月，上海电气集团与中科院上海硅酸盐研究所以及上海电力公司签订合资合同，成立上海电气钠硫储能技术有限公司，开始钠硫电池的产业化开发。
2015 年，上海钠硫电池储能技术有限公司在崇明岛风电场实现了兆瓦时级的商业应用示范（见图 1d）。中科院固体物理研究所近年也突破了 β-Al2O3 陶瓷的制备技术，掌握了陶瓷烧结、陶瓷玻璃封接、金属与陶瓷连接等核心技术，目前处于钠硫电池组研制的中试阶段。
除此之外，韩国浦项产业科学研究院（RIST）针对平板和管式钠硫电池进行较为系统的工程化开发。RIST 从 2005 年开始申请钠硫电池材料与制造的专利，目前持有 53 项以上相关有效专利。
2、欧美国家美国通用电气有限公司于 2007 年购买了英国 beta R & D 公司的 ZEBRA 电池技术，建立 “Durathon”电池品牌，经过 11 年研发，投入资金超过 4 亿美元。
早期主要面向车用，图 2a 为装载 Durathon 动力电池的矿车。目前 GE 在全球多个国家和地区的电网和电信领域运行了总计 15 MW 以上、30 余个 ZEBRA 电池储能项目。图 2d 分别为 Durathon 扩展储能系统。2017 年 1 月，超威电池与 GE 开展技术合作，合资成立浙江绿能（安力）能源有限公司，进军国内储能电池市场。
图2 钠-金属氯化物电池储能产品及其商业应用实例（来源:《储能钠电池技术发展的挑战与思考》）
2010 年，与 GE 拥有同一技术源头的 MESDEA 公司和 FIAMM 成立新公司 FZ SonICK SA，并推出了 SonICK 商标的 ZEBRA 电池，主要应用在电动车、备用电源等领域。2015 年，FZ SonICK 的 ZEBRA 电池储能解决方案被德国航空和运输领域的跨国公司庞巴迪公司选中，为 Innovia Monorail 300 平台列车项目提供备用电源服务。图 2b 和图 2e 分别为 SonICK 电池应用于微网储能及其储能单元的情况。FZ SonICK 还为萨沃纳大学校园提供了智能电网储能系统。从 2016 年开始，德国弗劳恩霍夫陶瓷技术与系统研究所（IKTS）也在 ZEBRA 电池上持续投入。
2019 年 3 月，欧洲储能展会上，IKTS 展示其最新开发的“Cerenergy” 陶瓷钠–氯化镍高温电池。该型号的钠镍电池容量为 5 kWh，由 20 个单电池组成，每千瓦时成本将低于 100 欧元。2015 年 11 月，作为 SunShot 聚光太阳能发电阿波罗计划的子计划，美国能源部提供犹他州盐湖城 Ceramatec 公司和乔治亚技术研究所总计 234.878 万美元经费支持，重点开发聚光太阳能高温熔盐钠盐蓄电模块，预计实现 92% 以上的蓄电效率目标。
同时，美国西北太平洋国家实验室在美国能源部支持下持续开展平板型钠盐电池的产业化研发。在国内，从 2014 年开始，中国科学院上海硅酸盐研究所在前期钠硫电池和钠镍电池的研发基础上，开展钠镍电池产业化的推进工作。2017 年，中国科学院上海硅酸盐研究所参股成立上海奥能瑞拉能源科技有限公司，开展钠镍电池产业化开发。如图 2c 和图 2f，目前该公司已完成年产 100 MWh 的钠镍电池工厂的全线调试，进入第一代产品的试生产阶段。
储能这么火，哪一类储能钠电池技术最快商业化？
根据《储能钠电池技术发展的挑战与思考》分析，储能钠电池在电力系统和电信系统具有极大的应用优势，并得到全球储能市场的普遍认可，但是由于其技术难度大，目前储能钠电池的成熟技术在全球范围内仅由日本 NGK、美国 GE、意大利 FIAMM 等几家企业掌握。如此看，我国要发展储能钠电池产业还面临缺技术、成本高、没标准的挑战。
1、技术几乎被国外垄断。中国科学院上海硅酸盐研究所在储能钠电池的相关领域开展了技术革新和示范应用，基本掌握了钠硫电池和钠镍电池的全套技术，形成了具有自主知识产权的储能钠电池完整技术路线，但是总体而言，我国自主知识产权储能钠电池的技术成熟度不高，规模化生产设备需要高代价的定制，尚未形成储能钠电池的成熟产品体系。
超威集团引进美国 GE 的成熟技术，进行储能钠电池国产化的尝试也尚未在国内外市场打开局面，根本原因是我国储能钠电池的发展目前仍然只能依赖和引进日本和美国公司的技术，尚不具备独立开发新一代储能钠电池的能力，技术革新的速度无法应变市场的需求。
（2）成本偏高的困境。储能钠电池的高温技术瓶颈极大地限制了涉足储能钠电池开发的研究院所和企业的数量，导致储能钠电池在产业链的推动上困难重重。经过测算， 1 GWh 钠–氯化镍电池生产线上生产电池的成本约为 1050 元 / 度电，当生产线产能提高至 10 GWh，电池成本可降至 800 元 / 度电以下。然而，目前储能钠电池的生产规模不足以带动上下游产业链的快速发展。NGK、GE 等公司同样面临电池成本偏高的困境。
对我国而言，储能钠电池中钠硫电池的含耐腐蚀涂层的集流体外壳等零部件、钠–氯化镍电池的关键原材料 T255 镍粉（英国 Inco 公司）还依赖进口，国产化替代方案缺失。储能钠电池的中温运行环境对保温箱等下游供应的要求较高，但我国尚没有类似产品开发。储能钠电池上下游产业链供给不足成为推动储能钠电池技术发展和成本降低的一大障碍。
3、评估检测标准和评估平台缺失。1998 年，美国能源部国家可再生能源实验室就钠盐电池的健康状态、滥用安全特性和回收处理办法出具了说明书式的研究报告。2017 年， FIAMM Sonick 公司根据美国标准 UL 9540A 对 ZEBRA 电池产品进行了安全性测试，从单芯、模组和电池单元架三个层面进行了系统的安全性能评估。2018 年，电气与电子工程师协会（IEEE）出台了编号为 IEEE Std 1679.2—2018，标题为“静态储能应用中钠 -beta 电池的表征和评估指导”的指导性标准。该标准为静态储能应用的用户评估钠 -beta 电池的性能、安全性，以及进行合格评估测试和监管等问题提供了指导。
这些研究报告和标准的建立很大程度上促进了美国和欧洲等国家和地区储能钠电池的规范化和市场化。由于我国储能钠电池的产业化处于初级阶段，相关评估检测标准缺失，相应的评估平台和评估机构尚不支持储能钠电池的性能和安全性评估，这也成为储能钠电池产业大步推进的障碍之一。
根据以上分析，中国企业和科研机构早开始在储能钠电池技术展开探索，但目前还处于早期研发阶段，尚未形成储能钠电池的成熟产品体系。由于技术几乎被国外垄断。国内研发上优势不算明显。如此看，无论是哪一类的储能钠电池技术的大规模商业化应用都不会在短期内实现。
