3. 电池基础（BATTERY BASICS）
储能电站虽然外形、规模、品牌和型号各不相同，但核心部件都大同小异。接下来的三章将重点讲解这些核心模块，以及它们如何协同工作，构成完整的电池储能系统（BESS）：
第 3 章将介绍电池技术基础，电芯会被组装成模组，再集成到电池架中 ------ 这是所有电池系统的核心组件。
第 4 章将介绍功能完整的 BESS 项目，即让电池及其控制系统协同工作的整套系统。
第 5 章将介绍电池控制系统，即让直流电池安全、高效接入交流电网的关键软硬件系统。
3.1 电池基础概念（Battery Basics）
尽管外形和尺寸各不相同，但大规模储能中使用的大多数电芯，其工作原理是一致的。关于电池类型的简要说明：本书聚焦于锂离子电池，因为它是目前最具商业可行性的 BESS 技术。锂离子电池是目前正在部署的储能技术中，商业可行性最高的。
3.2 电芯（The Battery Cell）
电池的核心原理，是将电能转化为化学能存储，再将化学能转化为电能释放。可充电电池的储能过程是可逆的，充电时，我们可以把电子 "注入" 电芯储存电能；放电时，再把电子 "取出" 释放电能。充放电过程，都是电芯内部化学反应的结果。
大多数锂离子电芯是薄层结构，由四大核心部件组成：
正极（Cathode）：对应电池的正极端子；
负极（Anode）：对应电池的负极端子；
电解液（Electrolyte）：允许离子在正负极之间移动；
隔膜（Separator）：聚合物薄层，防止正负极直接接触短路，同时允许锂离子通过。
典型锂离子电芯是层状结构，电极和隔膜都是微米级薄层；而铅酸电池的极板则是毫米级厚度。这些薄层以铜或铝箔为基底，表面涂覆活性物质。图 3-2 展示了典型锂离子电芯的层状结构特写，包括负极、正极和隔膜层。
| 结构层 | 放电时的角色 | 充电时的角色 |
|---|---|---|
| Al 集流体 | 收集正极电流，导出到外电路 | 接收外电路电流，导入正极 |
| LiCoO₂ 正极 | 锂原子的 "来源地"，释放锂离子 | 锂原子的 "目的地"，接收并储存锂离子 |
| Separator 隔膜 | 只让锂离子通过，阻挡电子和电极直接接触 | 只让锂离子通过，阻挡电子和电极直接接触 |
| Graphite 负极 | 锂原子的 "目的地"，接收并储存锂离子 | 锂原子的 "来源地"，释放锂离子 |
| Cu 集流体 | 收集负极电流，导出到外电路 | 接收外电路电流，导入负极 |
电芯各层工作的核心原理是嵌入反应 ，即锂离子能够嵌入到正负极的晶格结构中的过程。图 3-3 展示了典型锂离子电芯的示意图。
当电池放电并输出电流时，负极释放出红色标注的锂离子，向绿色标注的正极移动。这一过程会在正负极之间形成电子的定向流动，也就是电流。
充放电的化学原理是锂离子技术的核心，当我们谈论电池的化学体系时，通常指的是所用的正极材料类型，这些先进材料被设计成高效结构，能够高效存储锂离子（这一点将在第 3.3 节进一步探讨）。
有些正极是薄层结构，有些是螺旋卷绕结构，还有一些则是更复杂的三维结构。
电解液是液体或凝胶状物质，通过允许离子在两个电极的活性材料之间流动，来促进电化学反应。电解液通常由溶解在有机溶剂中的锂盐组成。这与采用其他化学体系的电池（如铅酸电池）不同，铅酸电池使用的是酸性水溶液，通常是硫酸（俗称电池酸液）。
锂离子电池的负极是金属薄片（通常为铜箔），表面涂覆石墨，部分还会添加硅基材料。
图 3-4 将更深入地展示这些过程：电子在外电路中于正负极之间移动，锂离子则在电极内部结构之间迁移。
电芯的化学反应薄片需要被封装成可用的储能单元，因此衍生出了几种常见的电芯外形，这些外形被称为电池的 "封装形式"，主流类型包括：
圆柱电芯（ Cylindrical**）**：外形类似大号 AA 电池，金属壳内部将正负极、隔膜卷绕成紧密的 "果冻卷" 结构，因此也叫卷绕式电芯。
软包电芯（ Pouch**）**：顾名思义，是扁平的铝塑膜袋，内部封装叠层的电极和隔膜，是大多数手机、笔记本电脑使用的电芯类型。
方形电芯（ Prismatic**）**：方形外壳内部封装叠层电极，部分型号带有夹具结构，可通过挤压电芯防止膨胀，是大型磷酸铁锂（LFP）电池的主流封装形式。
刀片电芯（ Blade**）**：方形电芯的新型变体，呈细长条状，比亚迪等厂商采用该结构提升储能密度，部分方案在 20 英尺集装箱内可实现超过 6 兆瓦时的直流容量。
圆柱电芯多遵循标准规格，例如 18650 电芯（直径 18mm、高度 65mm），方形电芯也有通用尺寸标准。其他常见规格还有 21700（直径 21mm、高度 70mm），以及特斯拉的 4680 电芯（直径 46mm、高度 80mm）。
图 3-5 按比例展示了常见圆柱电芯尺寸，AA/AAA 尺寸的锂离子电池并不常见，仅作为尺寸参考。
大多数公用事业级 BESS 产品都采用方形电芯构建。
这类电芯的尺寸差异很大，因为其安时容量（第 3.4 节会详细介绍）可在 100 安时至 600 安时之间变化。
图 3-6 展示了部分典型方形电芯尺寸，供参考。
在不同封装形式中，标准化尺寸让储能系统集成商实现 "电芯无关性设计"------ 即可以根据市场趋势，轻松适配不同厂商、甚至不同化学体系的电芯。大型集成商可能会与电芯厂商合作开发专用电芯，例如特斯拉 Megapack 2 XL 就采用了宁德时代为其专门生产的定制电芯。
3.3 电芯电压、电流与荷电状态（Cell Voltages, Currents, and States of Charge）
电池被设计在理想电压范围内工作。充满电时，电压会较高；完全放电时，电压则会较低。单电芯层面，常见的电压范围是：满电状态 4.0-4.5 伏直流，完全放电状态 2.0-2.5 伏直流。
电压数值通常与一个百分比相关，用来表示锂离子电池中可用于放电的剩余能量占比，这就是电芯的荷电状态，常缩写为 SoC。电压与 SoC 的关系并非线性，典型的电压 - SoC 曲线呈 S 形：从 100% 到 75%，电压快速下降；75% 到 25%，电压缓慢下降；25% 到 0%，电压再次快速下降。典型锂离子电池电压 - 荷电状态曲线如图 3-7：
电芯在 75% 到 25% 荷电状态区间的平均电压，通常被称为****标称电压。
大多数公用事业级储能电芯的标称电压为 3.2 伏，其他部分电芯的标称电压约为 3.6-3.7 伏。作为对比，大多数车用铅酸电池由 6 个 2 伏电芯串联组成，输出电压为 12 伏。每款新电芯都会标注其电压范围和标称电压，不同型号的数值可能略有差异。
如果电芯电压超出最大或最小值，可能会造成不可逆的损坏。这也是大多数电池配备**电池管理系统（BMS）**的原因之一，BMS 能保护电芯并使其工作在安全范围内，第 5.1 节将详细讨论。电芯厂商会根据电芯的安全工作区间，定义对应 0% 和 100% 荷电状态的电压值。
有时厂商会用 **放电深度（DoD）**代替 SoC，它的定义是 100% 减去 SoC 的百分比：
SoC 为 100% 对应 DoD 为 0%，SoC 为 20% 对应 DoD 为 80%。
3.4 电芯电流、功率与能量（Cell Currents, Power, and Energy）
要给电池充放电，电流必须流入或流出电芯。由于电池工作在直流状态，这意味着实际的电子在电芯内部流动。
电流的单位是安培（A），通常用 "安培 × 小时" 来衡量电流的总量，这个单位就是安时（Ah）【全球通用的电荷基本单位：1 安时等于 1 安培电流持续 1 小时，也等于 0.5 安培持续 2 小时，或 100 安培持续 0.01 小时（36 秒），即电流 × 时间的乘积****】。
由于多数电芯标称电压相近（3.2-3.7V），行业常直接标注安时容量，而非瓦时 ------ 尽管瓦时更能直接反映电池的实际能量【这也是充电宝、电芯等产品常用 Ah 或 mAh 标注容量的原因】。
计算电池存储的能量，我们用直流功率和能量的简化公式（括号内为单位）：
如前文所述，电芯充放电时电压会变化，因此精确计算能量需要对每个时刻的功率进行积分。工程上常用标称电压近似计算，因为标称电压是电芯工作区间的平均电压。
储能系统中的电芯容量通常在 100-700Ah 之间。
例如，一个 320Ah、标称电压 3.2V 的电芯，能量计算如下：
3.2V × 320Ah = 1024Wh = 1.024kWh -> 这节电芯的能量约为 1 千瓦时（kWh）
对比一下，这和传统汽车用铅酸电池的能量相当 ------12V 75Ah 的铅酸电池约为 0.9kWh。
这些容量标注有一个细节：电池的安时容量和放电功率有关。通常，充放电越慢，电芯的实际安时容量越高；充放电越快，容量越低。锂离子电芯的标称安时容量，通常是在额定功率下测得的。
比如，前面例子中的 320Ah 电芯如果是 0.25C 倍率，最大充放电电流为 80A，以该电流放电需要 4 小时。（关于 C 倍率的定义，可参考第 1.2 节）。通常，充电对电芯的压力比放电更大，因为充电是将能量注入电芯，而放电是释放能量（电芯状态更 "放松"）。但大多数公用事业级 BESS 产品的规格支持双向功率充放电，即对称充放电。
随着固定式锂离子储能系统规模的扩大，电芯容量也随之提升。过去行业标准是 100-200Ah 的方形电芯，如今 500-600Ah 的电芯已成为主流。2023 年，头部磷酸铁锂电芯厂商亿纬锂能推出了名为 "Mr. Big" 的电芯，容量达 628Ah，单节电芯能量超过 2 千瓦时。
大电芯虽减少了系统内电芯数量，但也带来了新的安全隐患：保险丝等保护装置只能安装在电芯之间的连接线路上，无法切断单节电芯内部的能量。正如后续章节所述，现代 BESS 产品由数百节电芯串联组成，系统直流电压可超过 1000 伏。
和所有电池一样，电芯可通过串并联组合，实现更高的电压或电流输出。两节电池串联时电压相加，因此两节 3.2V 的电芯串联后总电压为 6.4V；两节电池并联时电压相同，但可提供两倍的电流。
如第 8 章电池工程部分所述，大多数 BESS 项目的电池架由数百节电芯串联组成，电池架和集装箱再通过并联连接。BESS 发生短路时，短路电流可达数千安培，足以熔化电池端子或汽化电线绝缘层。因此，电芯和电池架之间需使用大直径导体连接。BESS 项目的安全问题将在第 10 章详细讨论。
上述例子可能让人误以为充放电电流是恒定的，需要注意的是，电池充放电有多种方式。以下列出几种常见方式。深入探讨该话题超出了本书范围，但这三个术语描述了 BESS 项目中最常用的三种充放电方法：
恒功率（CP，Constant power）充放电：该模式下，电芯以恒定功率进行充放电。系统通过调整流入 / 流出电芯的电流，来维持恒定的功率值。这是 BESS 最常用的充放电方式，因为它能保持功率（通常以兆瓦为单位）稳定。
恒流（CC， Constant current**）**充放电：该模式下，电芯以恒定电流充放电，不受电压变化影响。由于充电过程中电压会变化，因此充放电周期内的功率也会随之变化。恒流模式通常用于充电的初期阶段。
**恒压（CV，Constant voltage）**充放电：该模式常用于充放电周期的末期。该模式下系统以恒定电压放电，电流（以及功率）会随之变化。恒压充电常用于充电末期的 "补电"，也被称为涓流充电（trickle charge）。
实际中常采用组合充放电方式，如 CPCV 模式：系统先以恒功率充放电，待电芯接近满电（或放空）时，切换为恒压模式完成周期。
3.5 锂离子电池化学体系（Li-ion Chemistries）
锂离子电池的化学体系，通常指电芯正极材料的化学体系，是电池系统的核心技术。电芯化学体系是决定电池是否适配特定应用场景的核心参数之一。
化学体系的选择对电池的体积、成本和安全性影响巨大。部分研究由企业主导，例如全球最大的电池制造商宁德时代，其在福建宁德建有大型研发中心。
区分不同电池化学体系的关键指标包括能量密度、安全性、成本和可用倍率。能量密度是衡量单位质量电芯可存储电能的指标，单位通常为瓦时 / 千克（Wh / kg）。该指标是动力电池的核心关注因素，因为车辆的动力性能与电池重量直接相关。
对于固定式储能场景，更受关注的是体积能量密度，单位通常为瓦时 / 升（Wh / L）。原因是固定式储能电芯对重量要求不高，但更强调体积紧凑，以降低储能产品的占地面积。
安全性是区分不同化学体系的另一关键指标。热失控是指电池发生不可控燃烧，可能引发灾难性后果。三元材料（NMC，定义见下文）电芯发生热失控的温度低于部分其他锂离子电池。因此，冷却、监控和气体检测等安全防护措施，是所有锂离子电池产品的关键关注点。热失控触发温度越高的产品越受欢迎，因为它们能承受更高温度而不发生失控；触发温度低的产品则更危险，更容易发生热失控。包括热失控在内的电池安全问题，将在第 10 章详细讨论。
支持高倍率（通常 0.5C 及以上）的电芯属于功率型电芯，而低倍率（通常 0.25C 及以下）的电芯属于能量型电芯。
以下小节将介绍当前商用公用事业级 BESS 项目中最常见的四种锂离子电池化学体系。
NMC - Nickel Manganese Cobalt三元材料（NMC，镍锰钴）
锂镍锰钴氧化物（分子表达式为 LiNiMnCoO₂）通常被称为 NMC，有时也写作 NCM。NMC 是最早实现大规模商业化的化学体系之一，广泛应用于动力电池和固定式储能领域，因此被称为锂离子电池的 "初代王者"。NMC 电芯的正极由镍、锰、钴组成。电芯厂商可调整三者比例，以提升比能量或比功率，但二者此消彼长。NMC 最早由美国能源部下属的顶尖储能研究机构阿贡国家实验室的 Christopher Johnson 等人于 1998 年提出。此后，该体系在性能提升、规模化生产和安全性优化方面取得了长足进步。
与其他化学体系相比，NMC 电芯的倍率性能较高。这意味着它们适合需要大功率短时输出的场景（通常持续时间＜1 小时，即倍率＞1C），例如调频；而非长时备用电源场景（通常持续 2-4 小时，即倍率＜1C）。这也是 NMC 过去和现在都在动力电池领域广受欢迎的原因之一 ------ 车辆加速需要电芯具备高倍率承受能力。NMC 是乘用车动力电池的主流选择，不过受价格下降驱动，2021 年起磷酸铁锂（LFP）也开始进入该市场。
NMC 电芯的两大显著缺点是热失控温度较低，以及含钴。钴的问题尤为关键，因为钴是稀有矿物，主要产自刚果民主共和国（DRC），而其开采来源难以追溯。因此，行业正逐步淘汰含钴化学体系，并对仍依赖钴的体系降低钴含量。
NMC 电芯关键特性：
- 能量密度较高：200-275Wh/kg
- 热失控温度较低：约 210℃，安全风险较高
- 成本中等：2023 年 10 月为 80-90 美元 / 千瓦时
- 钴的使用涉及伦理采购问题
约 2021 年之前，NMC 仍是固定式储能的主流化学体系，但此后已被我们接下来要介绍的 LFP 取代。
LFP - Lithium Iron Phosphate磷酸铁锂（LFP）
磷酸铁锂（LFP，分子表达式为 LiFePO₄）是固定式储能系统的主流化学体系。LFP 在单一性能指标上并非顶尖，但综合性能均衡：能量密度和衰减性能具有竞争力，同时成本和安全性表现领先。LFP 电芯以磷酸铁为正极材料，由德克萨斯大学的 Akshaya Padhi、Kirakoda Nanjundaswamy 和 John Goodenough 于 1996 年研发。Goodenough 因在锂离子电池领域的贡献，成为 2019 年诺贝尔化学奖的三位获奖者之一。该体系是早期电池技术的领跑者之一，被 A123 等公司用于 18650 电芯，并广泛应用于中国的公交车队。
由于能量密度低于三元材料（NMC/NCA）体系，2021 年之前，磷酸铁锂（LFP）电芯主要应用于固定式储能场景和电动大巴等重型交通领域，而非乘用车。根据 2024 年 DNV 电池能源评估报告，LFP 目前已重回市场主导地位，结束了 2016-2020 年间 NMC 和 NCA 的统治局面。
LFP 体系以安全性著称，其热失控温度通常高于 NMC 和 NCA 电芯，意味着它在发生灾难性起火前能承受更高的温度。随着行业对安全性的重视提升及相关规范的更新，这一特性进一步推动了 LFP 的应用。电池安全及环境问题将在第 10 章深入探讨。LFP 的一大特点是不含钴，这也避免了钴材料相关的伦理采购问题（第 10.6 节将详细讨论）。
LFP 电芯关键特性：
能量密度较低：160--200 Wh/kg
热失控温度较高：约 270℃，安全风险较低
成本较低：2023 年 10 月为 70-75 美元 / 千瓦时
不含钴，伦理采购风险较低
NCA - Nickel Cobalt Aluminum镍钴铝三元材料（NCA）
镍钴铝（NCA，分子表达式 LiNiCoAlO₂）与 NMC 同属三元体系，以铝替代了锰元素。NCA 因松下电芯采用该体系而知名，这些电芯被用于特斯拉电动汽车和储能产品；不过 2021 年起，特斯拉将其公用事业级储能产品 Megapack 切换为 LFP 体系。该体系能量密度和功率性能较高，但成本也更高，安全隐患与 NMC 类似。
NCA 电芯关键特性：
能量密度较高：200--260 Wh/kg
热失控温度极低：约 150℃，安全风险较高
成本较高：2023 年 10 月为 120 美元 / 千瓦时
含钴，存在伦理采购风险
LTO - Lithium Titanate Oxide钛酸锂（LTO）
钛酸锂电池是早期锂电池体系之一，于 20 世纪 80 年代被提出，分子表达式为 Li₄Ti₅O₁₂。该体系属于小众技术，不常用于大规模固定式储能场景。
LTO 的特点是瞬时功率输出能力极强（部分可达 40C），支持快充，且循环寿命极长。此外，相比其他体系，LTO 的低温性能更优。但该体系能量密度较低，标称电压仅 2.4V（为锂离子电池中最低），且成本极高。钛酸锂电池在低温场景中表现优异。
LTO 电芯关键特性：
能量密度较低：约 70--90 Wh/kg
热失控温度极高：约 280℃，安全风险极低
成本极高
不含钴，伦理采购风险较低
电芯化学体系发展趋势
长期来看，公用事业级储能电池逐渐向特定化学体系集中。图 3-8 （固定式及车用 BESS 化学体系市场份额预测）展示了基于 Wood McKenzie 数据和预测的电芯化学体系发展趋势。
该图表涵盖了固定式储能和车用储能场景（其中车用场景占主导），趋势明显：从 NMC 向 LFP 转移。如前文所述，这一趋势由 LFP 能量密度提升、成本下降，以及 NMC 的安全和地缘政治问题驱动。
特定化学体系的电芯通常有其适配的工作倍率。第 1.2 节将进一步解释电池倍率的含义及其重要性。目前，大多数公用事业级 BESS 项目的倍率在 0.25-0.5 之间。
图 3-9 （BESS 化学体系的比能量密度）对比了不同电池化学体系的比能量密度（单位质量（kg）存储的能量（Wh）），以锂离子电池为主，同时包含部分非锂体系作为对比。
3.6 电池制造工艺（Battery Manufacturing）
电池制造是一个复杂且细致的领域，已有大量专著对此进行探讨。本节将概述电芯的制造流程及影响 BESS 行业的相关趋势。
BESS 行业所用的电芯大多由中国生产。
电极制备时，电芯厂商首先将活性材料（如正极用磷酸铁锂、负极用石墨）与粘结剂混合制成浆料，再通过大型涂布机（带压力和温度控制）将浆料涂覆在金属箔（集流体）上。设备将浆料涂覆在金属箔上形成正极，可通过两条并行生产线完成，也可在同一设备上重复两次工艺（中间需进行深度清洁）。电极随后经过辊压（称为压延）工艺，并按电芯设计尺寸分切，之后将正极 / 隔膜 / 负极 / 隔膜等层叠在一起。通过裁切、堆叠电极层完成电芯组装，随后焊接极耳（连接集流体与端子的部件），将负极极耳与负极极耳、正极极耳与正极极耳分别焊接在一起。最后，将电极组件装入方形电芯外壳（称为钢壳 / 铝壳）中。该流程的步骤如图 3-11 所示。
3.7 非锂离子储能技术（Non-Lithium-ion Storage Technologies）
锂离子技术的主要缺点包括：功率 - 能量比受限、热失控带来的安全风险、循环寿命有限，以及相关原材料的稀缺性。目前存在多种非锂离子商业化电化学储能技术，但均未达到锂离子电池的部署规模。这些技术大规模推广的最大障碍是融资问题，该内容将在第 6 章进一步讨论。本章将介绍目前市场上最主流的三种非锂储能技术。每节均提供简要概述，并为希望深入了解的读者提供参考资源。尽管本书聚焦于锂离子电池，但本节仍介绍了一些新兴技术，它们未来可能与锂离子电池竞争，甚至实现替代。
液流电池Flow Batteries
液流电池近年来关注度持续提升。这类电池的核心原理是将能量存储在液体电解质中，因此得名 "液流" 电池。液流电池支持长时储能，因为其电解液储罐容量可与功率容量独立扩展，消除了锂离子电池功率 - 能量比固定的限制。此外，液流电池在安全性、循环寿命方面具有优势，且可规避供应链瓶颈问题。
液流电池的类型 Types of Flow Batteries
目前量产的液流电池主要分为三类：氧化还原液流电池、混合液流电池和无膜液流电池。三类电池工作原理类似，但使用的电解液类型和相态不同。按装机容量计算，氧化还原液流电池目前最主流，其次是混合液流电池，无膜液流电池占比最低。
常用的液流电池体系包括：
- Vanadium（钒体系）
- Zinc-bromine（锌溴体系）
- Polysulfide-bromine（多硫化物 - 溴体系）
- Iron-chromium（铁铬体系）
- Iron-iron（全铁体系）
液流电池的工作原理
液流电池的工作方式是将带正电和负电的电解液存储在不同的储罐中。电解液分为阳极液（anolyte，带负电）和阴极液（catholyte，带正电），通过泵从储罐输送到离子交换区，再回流至储罐。电解液流经离子交换区时，可通过集流电极利用两种液体的电荷差，使电流在外电路中流动。液流电池充电时，来自电网（或光伏等其他电源）的能量输入电解液，引发离子交换，形成两种电解液的电荷差，放电时该过程反向，将能量释放回电网。
液流电池工作机制
液流电池的优缺点
液流电池的优点包括：
可从外部补充消耗的电解液（类似给传统燃油车加油，而非像电动车那样充电）；
循环寿命更长；
无需均衡管理（混合液流电池除外）；
火灾 / 爆炸风险低，可实现长时储能；
功率与能量可解耦设计。
最后一点体现了液流电池的核心优势：系统可设计为任意功率 - 能量比，这两个参数无需绑定，不像锂离子、铅酸等非液流电池，电极固定集成在系统中，参数相互限制。这使设计人员和开发者可以在其他电池类型不具备工程或经济可行性的场景中，考虑使用液流电池。
液流电池的缺点包括：
因泵、管路及其他工业管道部件导致的运维成本较高
相比锂离子电池，为达到相同能量密度需要更大的占地面积
初始投资成本较高
充放电效率较低
安装周期较长
行业内对该技术的成熟经验较少
部分缺点（如初始投资成本和占地面积）可通过技术研发或规模化生产缓解。其余缺点则是该技术固有的特性，只能被降低而无法完全消除。
Alternative Electrochemical Storage Technologies
除锂离子电池和液流电池外，目前还有多种有前景的储能技术正在研发中，在电芯层面展现出新兴技术的潜力。
Iron-air 铁 - 空气电池
铁 - 空气电池的核心原理是可控的可逆氧化反应（即铁的 "生锈" 与还原过程）。虽然实现该反应的负极、正极和电解液组合有很多种，但铁 - 空气电池是其中最具前景的一种。在该体系中，铁被氧化（生锈）时释放能量（放电），充电时则通过逆反应将氧化铁还原为铁。由比尔・盖茨旗下 Breakthrough Energy 基金投资的知名初创公司 Form Energy，在 2021 年推出了其铁 - 空气电池技术。Form Energy 正在明尼苏达州建设首个并网项目，规模为 1 兆瓦 / 240 兆瓦时，将接入当地电力合作社。该电池支持 240 小时的超长时储能，前景广阔，但项目规模较小，表明技术仍处于发展初期。
Aqueous Batteries水系电池
水系锂离子电池与传统锂离子电池原理类似，但电解液不同：传统锂电池通常采用溶解于有机碳酸酯的六氟磷酸锂（LiPF6）电解液，而水系电池则使用高浓度盐溶液。水系电池被宣传为比传统锂离子电池更安全、毒性更低。但这类电池也存在挑战：能量密度和工作电压远低于非水系锂电池，且衰减速度通常更快。Aquion Energy 曾是知名的水系锂离子电池厂商，融资超过 1.9 亿美元，但最终于 2017 年宣告破产。水系电池的一个分支是水系空气电池，即采用水系电解液的锂 - 空气电池，而水系电解液只是这类电池的候选电解液之一。尽管水系电池技术仍在持续研发和创新，但截至本书出版时，它仍处于实验阶段。
Hydrogen Fuel Cells 氢燃料电池
电解制氢与燃料电池构成了另一种通过燃料存储和释放化学能的方式，长期以来被视为锂离子电池的潜在竞争对手。虽然燃料电池本质上也是电化学装置，但它与电池截然不同：其反应需要燃料（从外部持续供给）参与受控的氧化过程。电解过程相当于电池的充电环节，将电能以燃料的形式存储起来。通常是利用电能将水分子（H₂O）分解为氢气（H₂）和氧气。生成的氢气可通过多种方式存储，例如压缩氢气、液氢，或转化为氨（NH₃）等形式。压缩氢气可存储在储罐中，也可利用天然盐穴进行大规模储存。这类储氢方式的单位占地面积能量密度远高于锂离子电池，且不存在电池衰减问题。燃料电池则相当于电池的放电环节：通过燃料（通常为氢气）与氧气的反应产生电能，副产物为水和热量。图 3-7 展示了氢燃料电池的典型结构及反应的反应物与产物：
氢气进入阳极，含氧气的空气进入阴极。阳极与阴极之间的膜将氢原子的电子与质子分离。电子通过外电路流动，产生直流电。电子从外电路返回后，与质子结合生成水并释放热量。
图 3-13 氢燃料电池
燃料电池汽车（FCEV）曾被视为纯电动汽车（BEV）在低碳交通领域的潜在竞争对手。氢气可利用现有电网制取，存储在大型固定式储罐中，再加注到车载储罐中。21 世纪初，燃料电池汽车与锂离子电池汽车曾是激烈竞争的对手，各大车企均在大力研发这两种技术。但随着时间推移，锂离子电池汽车逐渐占据上风，主要原因是电池成本的大幅下降。
此外，电动汽车充电基础设施的扩张速度远快于加氢网络，导致仅部分地区适合使用燃料电池汽车（FCEV）。在 1-4 小时短时储能应用中，锂离子电池也占据了商业化和投资的主导地位。但氢储能系统（HESS）在长时储能场景中具有竞争潜力，因为氢气可高密度长期存储，且几乎不存在衰减问题。这使其成为风能等具有明显季节性波动的可再生能源的理想储能方案。
氢储能项目的充放电效率（往返效率）是其主要缺点之一。据美国桑迪亚国家实验室数据，2020 年氢储能系统的往返效率约为 40%。这远低于锂离子电池 80%-90% 的往返效率。
3.8 电池模组与机架（Battery Modules and Racks）
图 3-14 电池储能系统从电芯到系统的构成
电芯是电池系统的核心，但单个电芯的能量通常不到 1 千瓦时，与普通汽车用铅酸电池的容量相当。为了构建公用事业级储能系统，需要将电芯按模块化方式组合：如今超过 1 吉瓦时的大型系统，可能包含超过 100 万个电芯。
电芯串并联组合时，电压（V）和安时（Ah）必须满足与**变流器（PCS）**匹配及项目能量需求的要求。一个 200 安时的电芯，可提供 1 安电流 200 小时、50 安电流 4 小时、200 安电流 1 小时，或任何电流与时间乘积为 200 的组合。
电芯并联时，标称电压必须尽可能接近，且荷电状态（SoC）应基本一致，以减小环流，避免电芯损坏和衰减加速。最简单的方法是确保并联电芯来自同一品牌、型号和生产年份，最好是同一生产批次。
分析系统时需记住以下要点：
电芯并联时，安时容量相加。若需在电芯电压不变的情况下延长储能时长，可通过并联电芯实现。计算总能量时，串联或并联不影响结果，只需用单个单元的容量乘以电芯、模组或电池架的数量，即可得到以千瓦时或兆瓦时为单位的总储能容量。
大多数现代公用事业级储能系统由 300-500 个约 3.2 伏的电芯串联组成电池架，工作电压在 1500-2000 伏直流范围内。高电压的优势在于：传输大功率（千瓦或兆瓦）时电流更小，因此可使用更细的导线、开关和熔断器。高电压的缺点是需要更强的绝缘、间距和安全措施，因为高电压比低电压更容易发生 "跳火" 现象。故障时风险更大，对建设、运行和维护系统的人员来说安全风险更高，他们必须接受高压系统操作培训。
值得注意的是，许多新发布的电芯通常只标注安时容量，小电芯约 20 安时，大电芯超过 300 安时。这容易造成误解，因为能量取决于安时和电压两个参数。安时成为通用指标的原因是：几乎所有磷酸铁锂（LFP）电芯的平均工作电压均为 3.2 伏，因此安时可直接比较容量大小。但不同电芯的电压范围存在细微差异，计算电芯储能容量时需考虑这一点。
不同公司对这些组合单元的命名各不相同：组、包、模组、串、电池架、堆叠、核心、节点或单元。本书采用公用事业级系统中最常见的两种分组方式：
模组：通常由 10-60 个电芯组成；
电池架：通常由 5-30 个模组组成。
更大的单元组合，如集装箱式储能舱和储能阵列，将在下一章介绍。
电池采用模组化设计的目的是提升电池架的可维护性：也就是说，单个电芯无法直接从电池架中取出，但模组可以整体拆卸更换。这部分内容将在第 9 章《运行与维护》中详细说明。
此外，由于电池产品的集成度极高，现场施工便利性也是设计考量因素之一。对于户用储能这类小型系统，产品通常设计为单串电芯组成的一体化密封单元。受体积限制，户用储能产品通常不支持现场维护，若出现故障，一般采用整机更换的方式，故障单元送回原厂维修或报废。
电池模组和电池架同样遵循前文提到的电路基本规则：组件串联时，电压相加，安时容量不变。组件并联时，电压不变，安时容量相加。
目前公用事业级储能产品的典型结构是：电芯串联组成模组，模组串联组成电池架，电池架再并联组成系统。
电池架的外形和尺寸多样，不同集成商和供应商的设计差异较大。许多模组由电芯和电芯组构成，电芯被紧密固定在塑料框架中，以抑制充电过程中的膨胀，避免损坏电芯结构。
模组被集成到电池架中，同时配备温度、电压和电流传感器；在更先进的系统中，还会配备均衡电路，使电芯电压保持在系统目标电压的最优范围内。这些部件将在第 5.1 节《电池管理系统》中介绍。电池架也是热管理系统的起点：液冷系统中，冷却液流动的翅片和通道是电池架的组成部分。风冷系统中，电池架内置的风机负责将冷却空气输送到电芯表面。热管理的更多内容将在第 4.3 节中介绍。
模组的上一级是电池架，由多个模组组成，通常高度 1.5-2.5 米，占地面积约 1 米 ×1 米。电池架是独立单元，可与其他电池架并联，以达到项目所需的总容量。电池架通常包含模组、线缆 / 母排、带接触器、熔断器、通信接口和控制电路的机架控制器。不同电池架的部件配置略有差异，但大多数都采用这种典型设计，可与其他同类型电池架组合成完整系统。每个电池架都是独立单元，可单独连接到变流器（PCS），但实际应用中通常与多个电池架并联。变流器（PCS）的更多内容将在第 4 章介绍。
不同供应商的电池架容量差异较大，通常在 200-400 千瓦时之间。
电池架的常见选型维度包括：
室内型 vs. 室外型；
液冷型 vs. 风冷型；
高功率型 vs. 高能量型。
举例说明：假设一个储能舱采用初始容量（BOL）为 100 安时、3.2 伏、0.5C 倍率的电芯。该倍率表示，单个电芯满电时最大放电电流为 50 安，可持续放电 2 小时，放出 100 安时的电量。