美国电池储能部署面临的障碍：成本和材料

储能系统：电网脱碳的核心组成部分  

防止进一步气候变化的最关键解决方案之一是电力部门的脱碳。根据美国能源信息署(EIA)发布的数据，2020年，电力部门产生的碳排放总量约占美国碳排放总量的32%。通过利用可再生能源（例如风能和太阳能等），可以在不释放二氧化碳的情况下生产能源，二氧化碳是引起全球变暖的主要污染物。然而，可再生能源面临间歇性发电问题，因为其供应依赖于不可预测且超出人类控制的天气条件，这与可以随时提供更多电力的化石燃料发电设施相比存在显著的差异。有多种解决方案可以解决间歇性问题并确保始终满足电力需求：例如可以过度建设可再生能源发电设施，以便在日照或风力不足时生产的电力仍能满足供电需求。然而，这种方法代价高昂，并且必然出现弃电现象。另一种解决方案是在日照或风力不足期间使用数量有限的可控能源供应（例如绿色氢气和核电等），在理想情况下通常是不产生二氧化碳的清洁能源（例如绿色氢气、氨气、生物燃料等）。然而，当使用碳中和工艺生产时，这些新兴技术仍难以达到可行的成本和性能指标。虽然需要采用多种方法，但储能系统是一个非常有前景的解决方案，并且提供了广泛的设计选择空间。

采用储能的前提是在电力供应充足时将可再生能源提供的电能转换为其他形式的能量，例如热能、电化学能、机械能等，可以储存和释放以满足供应期间的需求。100多年来，抽水蓄能发电设施一直是一种成功且得到充分证明的储能形式；根据美国能源部(DOE)的数据，抽水蓄能的储能容量目前占美国所有公用事业规模储能系统储能容量的95%。然而，需要更多的储能容量来使电网在更大程度上脱碳：根据美国能源信息署(EIA)的调查报告，美国目前仅部署了不到2GW的公用事业规模储能系统，而到2050年可能需要数千吉瓦的储能系统以促进深度脱碳。抽水蓄能发电设施的规模很难扩展，因为它通常只对大型资本密集型储能项目有利可图，而且部署地点受到地理和许可限制的限制。此外，电网是一系列服务，每个服务都依赖于不同的特征能源和电力需求、响应时间等，因此需要采用一系列储能解决方案。用于帮助确定储能技术在技术上和经济上适合的应用最常用指标是“持续时间”，它也代表给电池完全充电或充电所需的时间。因此，可以探索在各种持续时间运行的选项。由于它们提供的巨大设计空间可以实现一系列持续时间以及本文讨论的其他好处，电池为储能项目提供了一系列具有发展前途的储能技术。 

电池是一种电化学存储设备，它利用“氧化还原”反应之间的能量差异来转换电能，从而将电能存储为化学能或从化学能存储电能。与其他形式的储能技术相比，电池具有许多潜在优势。例如由于电化学反应能够直接释放电能（通常在标准温度和压力下），因此通常比脱碳电网（广义上是电气化电网）中的热化学反应更有效。

此外，还有许多不同的氧化还原反应储能方案可供选择，为基于应用的储能技术提供了广阔的设计空间。例如，考虑消费电子产品中使用的商业电池的种类，这些电池仅代表可用于使用各种架构的电网规模电池储能系统的一小部分：锂离子电池、铅酸电池、镍镉电池、锌碳电池等。此外，电池储能系统几乎可以部署在任何地方，这与通常需要特定地理位置的储能地点的热储能或重力储能设施不同。这些好处使电池不仅可以用于脱碳以外的电网运营，还可以作为辅助服务提供更多价值；例如电池有助于提高能源独立性和可靠性。考虑波多黎各的电网在2017年飓风玛丽亚期间崩溃。由可再生能源发电设施和储能系统组成的分布式微电网设计可以防止灾难性的大规模停电。这是因为分布式发电减少了输电基础设施的建设和改造（例如电力线路和电线杆），而这些输电设施是为了分配能量，但容易受到极端天气事件的影响。

此外，分布式能源生产消除了单点故障的可能性。当然还需要考虑当地政治和经济独立问题。许多国家并不拥有大量的经济可行的化石燃料资源，因此向可再生能源部门的转变可以促进国内能源生产，减少能源进口需求，从而增强地缘政治自由度。美国尤其认识到能源依赖可能带来的经济挑战，因为在上世纪70年代和80年代经历了地缘政治引发的石油短缺。

如今有许多类型的电池技术，每种电池都具有不同的原型架构，其中许多架构可以容纳一系列化学物质，并且提供多种选择。锂离子电池（LIB）被认为是主流的电池技术；在上世纪90年代及以后，锂离子电池主要应用在电子和移动设备，而近年来，锂离子电池主要应用在固定式储能系统和电动汽车(EV)这两个大规模市场。大多数被考虑用于电力行业的电池技术仍然相对不成熟，可能需要大量的尝试攻研究，但迄今为止实现的项目部署规模小或商业化运营有限，通常是因为仍然表现不佳或仅适用于电网应用。此类技术的示例包括氧化还原液流电池(RFB)和金属空气电池(MAB)。

根据国际能源署的预测，到2030年，二氧化碳排放量的大部分减少将来自当今市场上已经部署或上市的技术，到2050年，大约一半的碳减排量将依赖于目前处于示范或原型阶段的能源技术。因此，政府和社会在技术上正走在应对气候变化的正确道路上。然而，还有许多其他潜在的社会、经济和政治障碍需要克服，以确保以足够快的速度部署最佳能源技术，以使这些减少的幅度足以防止更大规模的损害（图1）。虽然这些考虑因素并不独立于技术方面，但它们可能需要不同的方法和解决方案。这项工作探讨了在更广泛的电池部署中的两个关键挑战：电池成本和材料限制。一系列具有合适性能特征的电池技术已经存在，但高昂的前期成本可能会延迟或阻碍更广泛的采用，特别是在目前的低生产规模下。最后，即使特定的电池技术满足必要的成本和性能指标，其关键元件的可用性和供应链也可能会阻碍快速和深度集成。因此，必须尽快解决这些问题，以实现关键的脱碳目标。这项工作探讨了克服或规避这些障碍的经济和政治策略。

图1电池技术开发和部署流程示意图

关键障碍1：电池成本  

成本是电池能否用于电网储能应用的核心考虑因素。与医疗设备、消费电子产品、电动汽车等其他电池市场不同，电网应用需要成本低得多的清洁能源解决方案才能与廉价的化石燃料发电设施进行竞争。由于电网部署需要大规模的投资，通常需要获得融资（例如贷款），因此资本成本历来是可再生能源采用的主要障碍，因此也是其技术经济可行性的核心指标。对于电池而言，其成本主要取决于材料成本和生产规模。美国能源部通常将100美元/kWh到150美元/kWh之间作为经济可行的电网储能系统的资本成本上限。 

锂离子电池是目前电网应用中部署最多的电池储能技术。自从上世纪90年代以来，锂离子电池之所以能够加速发展，是因为它们首先在包括消费电子产品和电动汽车在内的高价值市场中大量应用。在这些市场中，电池制造商可以销售优化程度较低且成本较高的电池产品，因为它们是唯一的选择。这使锂离子电池能够扩大生产规模并降低成本，同时进一步优化性能。因此，当这项技术考虑用于储能系统时，锂离子电池已经表现出强大的性能，这种电池充放电效率现在非常高，通常高达95%，并且供应链发达导致成本更低。特别是随着电动汽车的发展，锂离子电池成本在过去十年中急剧下降；锂离子电池包括组装的电池单元以及管理和安全系统，已经降到在美国能源部规定的可行范围内（约140美元/kWh），预计未来将降至100美元/kWh以下。锂离子电池的全球生产能力估计每年超过700GWh，如今已经成为一个近500亿美元的产业。虽然这是一个很大的进步，但仍需要一系列解决方案来实现所有电网服务并实现深度脱碳。此外，下一节讨论的供应链问题可能会阻碍锂离子电池储能系统的部署规模。许多其他电池技术提供了更具成本效益的解决方案，特别是在更长的持续时间（超过4小时）的时候，但它们没有从与锂离子电池相同的市场条件中受益，并且正在努力竞争。

与锂离子电池相比，许多替代电池的架构和材料具有固有的成本优势。例如，液流电池采用一种系统架构，可以独特地分离能量和功率，这意味着两者可以相互独立地进行扩展。这允许以廉价的方式扩展储能容量，从而使这种电池在更长的持续时间内更具成本竞争力。相比之下，像锂离子电池这样的封闭系统将能量和功率耦合在一起，使其储能单元的成本成为一个相对固定的参数。虽然有人提到与前期成本相比，长期成本的考虑较少，但液流电池(RFB)或金属空气电池(MAB)的开放式架构还通过允许有针对性的组件维护来促进长期的成本节约。人们可以使用电解液（降解最快的电池组件）直接补充或更换它，而像锂离子电池这样的传统封闭系统需要增强或更换整组电池，这会造成一定的浪费。最后，与锂离子电池相比，还有一些电池使用成本更低、含量更高的材料，从而降低了潜在的成本。 

尽管具有这些固有的优势，新兴的储能解决方案仍因多种原因而难以竞争。首先，虽然深度脱碳电网的优化设计包含一系列电池储能解决方案，但这种情况与当前的现实相去甚远。由于这些新的电池技术实际上只对电网规模的应用具有经济性，并且无法进入更高价值的市场，因此尚不清楚如何降低成本并提高性能，以便它们能够与锂离子电池进行竞争，当它们的需求最终出现时，可以较低的成本以满足长时储能服务或替代化石燃料发电设施。

另一个类似的难题使这个“鸡和蛋”问题更加复杂：这些新兴技术本质上风险更大。这使得它们对项目经理、金融家或其他决策者的吸引力降低，从而使这些技术不太被广泛采用和展示，因此一直被认为是有风险的。由于这些障碍，许多提议使用这些新兴电池技术的项目都难以通过企业投资、项目贷款等方式获得资金。这些问题可能无法仅靠私营部门解决，政府干预可能会降低技术风险，并降低新兴储能解决方案的成本，这些解决方案仅对电网有吸引力，但可能有助于实现深度脱碳。一般来说，需要通过直接采购来测试和支持大规模的演示。实现这一目标的一种途径是通过政府资助商业示范项目，就像之前通过《美国复苏和再投资法案》所做的那样。目前，美国能源部为示范储能项目提供大量资金。然而，这笔资金历来提供给美国国家实验室，并未通过公开征集提供，这将涉及私营部门并可能加速进展。此外，美国政府可以为电网储能系统示范开发专门的项目，该项目在其许多处在早期开发阶段项目中已经显现发展前景。最近在美国能源部先进能源研究计划署(ARPA-E)为具有未开发潜力的能源技术关键进展计划部分满足了这一需求。同样，美国清洁能源示范办公室是朝着正确方向迈出的又一步：该机构成立于2021年，其使命是展示大规模（甚至数十亿美元级别）的储能项目，并与私营部门合作，加速采用和部署清洁能源技术。

一些新兴储能技术的成本降低令人乐观。例如，氧化还原液流电池(RFB)和金属空气电池(MAB)相对于生产规模的成本曲线看起来很陡峭，例如与锂离子电池相比，前期投入成本较高。这两种电池采用开放的“三明治”型架构（图2），使每个单独的反应器或“堆叠”组件在设计上相当简单，更易于组装。这些技术不需要精密组装机械、低湿度设施或专门用于特定电极化学或电解质配方（例如锂离子电池制造）的生产线。然而氧化还原液流电池(RFB)和金属空气电池(MAB)的开发和生产商的规模仍然很小，尽管彼此共享相同的基本架构和其他相关技术（例如燃料电池和电解槽等），但通常以小批量采购自己的部件，从而使成本居高不下。集中这些努力可以显著降低成本。更具体地说，初创企业可以利用已经大规模生产类似产品的第三方的合同制造，因为其中许多组件的材料构成和物理设计都很简单。例如，不锈钢端板、聚四氟乙烯垫片、石墨双极板和集电器等都可以用于上述电池的架构中，并且由配置为简单形状的单一材料制成。如果所有的氧化还原液流电池(RFB)、金属空气电池(MAB)、燃料电池、电解槽等公司都从共同的第三方采购此类零件，那么尽管每种电池技术的生产规模较小，但仍可以实现规模经济。对这种方法的犹豫不决可能部分在于企业希望保持知识产权(IP)和竞争优势。

图2氧化还原液流电池(RFB)结构分解图。而金属空气电池、燃料电池和电解槽其他技术也采用了这种基本的“三明治”型结构。

而这几种电池的一些组件的生产可以很容易地外包出去，以及反应堆之外需要的许多系统组件（例如管道和歧管、整体组件）的生产可以更容易的扩展，因为它们具有普遍性和简单性。对于其他对性能影响更大的部件（例如电极），这可能更具挑战性，尽管这些部件的成本通常比较高昂，因此降低成本对它们的影响更大。由于拥有大量私人资本，很难想象政府的指令何能够成功实施，例如，美国能源部、美国国防部或其他政府机构可以通过在某些组件集中采购的条件下与一个或多个组件制造商谈判一项大规模采购协议来激励这种做法。这种涉及知识产权共享的合作协议的一个模式是在私营部门，这种谈判在合并和收购中很常见。

其他经济策略可用于转移成本以直接或暂时减轻客户的负担。对于将这些技术商业化的大型企业来说，转移成本的一种方法是“垂直整合”，其定义为一个公司中通常由独立公司运营的两个或多个生产阶段的组合。通过直接控制电池更多部件的生产，企业可以降低通常外包的各种组件的成本，并且可以使用内部利润分配来最大限度地减少损失。例如，钒液流电池 (VRFB)是一种最为先进成熟的液流电池系统，但钒本身价格昂贵。然而，两大主要钒矿商和精炼商Largo Incorporated公司和Bushveld Minerals公司开始垂直整合，并分别创建子公司Largo Clean Energy公司（销售VRFB系统）和Bushveld Energy公司（销售VRFB电解液）。

钒液流电池市场也在测试一种新的电解液租赁方式，即第三方公司将电解液出租给电池供应商或最终用户。通过去除前期成本，一些资本支出被重新分配为运营费用。这样的方案因此降低了钒液流电池客户所需的前期投资的成本和风险。在某些版本中，通过引入可以购买和交易钒的第三方投资者进一步将租赁的财务负担从出租人身上重新分配，同时可以将VRFB电解液出租，类似于其他实物持有（如黄金或铂）的市场。

对于企业来说，克服初始产量低的最终选择是亏本销售产品，这是因为新兴技术成本高，并且没有进入价值更高的市场。规模较小的公司通常最初亏本出售产品，这是通过外部投资实现的。尽管对清洁能源技术的投资比以往任何时候都多，但其规模可能无法满足关键气候变化最后期限所需的紧迫性。 

虽然本文探讨了解决电池高成本的一系列原因和潜在解决方案，但另一个因素是电池普遍依赖特定的、稀有的、关键的活性材料，这些活性材料可能更难开采和生产，因此成本昂贵。以下探讨材料供应链面临的限制。 

关键障碍2：材料限制  

电池是材料密集型的技术，它们通常依赖于特定的化学元素，这些元素的选择具有关键特性，包括它们的电化学特性、溶解度、稳定性等。在通常情况下，这些功能和特性容易被替代。除了成本之外，电池中使用的材料还有许多重要的考虑因素。一般来说，电池材料的总可用性不是问题；随着需求的增长和随之而来的稀缺性，材料的价格将调整以反映限制因素。然而，如何提取关键材料以及能够以多快的速度扩大生产可能会带来困难。此外，材料的提取和生产地点可能会带来地缘政治问题。事实证明，这些挑战在电池领域尤为严峻。   

例如，钴目前是锂离子电池中的关键元素。而世界上一半以上的储量位于刚果民主共和国，该国也占全球产量的近70%。钒的供应链也存在类似的情况，其中75%的产量来自中国和俄罗斯的10家钢厂。这种集中生产会造成材料供应和价格的波动。除了这些困难之外，钴和钒都被开采或生产主要作为其他材料的副产品。这带来了供应链的复杂性，因为这些材料的生产规模主要取决于其他资源或产品的生产规模；换句话说，钴和钒的价格或需求不会对它们的供应产生很大影响，至少在短期内是这样。通常观察到钒的价格极端波动，可以清楚地表明集中生产的副产品生产造成供应链不稳定。此外，由于许多国家正在通过国内供应链积极寻求能源独立，同时为了追求可持续发展而重新配置其能源系统，这些关键电池材料缺乏多元化的国际供应链，使得使用电池实现电网脱碳变得复杂.关于地缘政治不稳定和对外能源依赖如何导致供应短缺和价格飙升的例子。例如俄乌克冲突。俄罗斯是世界第三大天然气生产国，但战争导致其供应量大幅减少。此外，许多国家已经实施制裁或禁止从俄罗斯进口天然气。这些因素在一定程度上导致了天然气和石油价格的飙升，这对欧洲尤其不利，因为俄罗斯提供了欧洲约40%的天然气。

鉴于这种依赖可能导致的不稳定，钴和钒以及用于各种电池技术（例如锂、铂族金属、锰等）的许多其他元素都被美国宣布为35种“关键矿物”的一部分，这些矿物对美国的国家安全和经济繁荣至关重要。因此美国政府宣布了支持国内生产的计划，虽然电池制造领域正在取得进展，但目前尚不清楚美国如何能够在上游开采和开采矿产。最近，美国总统拜登援引了《国防生产法》，该法案由使美国能够优先开发国家生产所需的材料。在这一举措中，该法案被用来针对关键电池材料的国内矿物生产。然而，这些努力受到许多因素的限制，这些因素主要是各种矿物的地理丰富性和经济可行地开采这些矿物的技术能力。此外，许多宣布在美国新建工厂的生产商并都不是美国本土厂商，这限制了美国正在建设国内供应链的真正深度。此外，虽然这些新项目提供了大量的新工作，但确保足够的熟练工人来运营工厂被证明是最困难的障碍之一。

无论是国内还是全球的生产增长率也可能会限制电池的部署。在过去30年中，钒供应链的年复合增长率仅为3.5%；由于现有的需求已经占到主导地位，人们担心是否有能力采购足够的钒生产大量的钒液流电池。由于锂离子电池需求的激增，钴供应链能够显示出快速增长，以满足过去十年全球增长两倍的消费量。但是，这种快速的生产规模扩大，特别是在可能无法适当执行它的国家，可能会导致其他问题，特别是考虑到采矿通常会带来的环境、健康和安全问题。在刚果，人们对钴矿工的安全、补偿和开采感到担忧。近年来，由于环境问题，许多钒矿被关闭，对供应和价格造成了显著影响。锂就是一个例子，说明其规模扩大的速度不够快；在经历了几十年的价格下跌之后，由于锂短缺导致锂价格上涨了400%，锂离子电池价格在2021年开始上涨。这些严重的担忧可能会阻碍以遏制气候变化所需的速度使电力部门脱碳的能力。 

解决这个问题的一种方法是从依赖这些昂贵材料和集中供应链的电池转向低成本、高丰度的化学物质。可以说，这种转变应该通过市场推动；事实上，对于锂离子电池和液流电池（金属空气电池通常已经满足这些标准），已经在这方面进行了大量的研究和开发工作。然而，这些努力必须足够快，才能实现快速脱碳目标。可能有必要部署现成的解决方案（例如锂离子电池和液流电），在短期内应对电池成本更高昂且难以规模化生产的的一些问题，同时开发下一代电池。就液流电池而言，近期内钒液流电池的部署将通过降低与电解液无关的组件的成本和降低技术风险，极大地帮助部署新的液流电池。

电池回收对于减少对供应链的需求和材料强度也很重要，尽管它在短期内没有太大的帮助，因为大多数传统电池的使用寿命为20年。对于使用开放式架构电池，其回收方法很容易。锂离子电池等封闭系统的回收可能很复杂，尤其是当电池组设计因制造商而异时。这是制造差异化的另一个例子，可能是受到知识产权和竞争优势的推动，阻碍了整体脱碳努力。虽然政府可以尝试对美国销售包装设计的某些方面进行监管，以促进回收工作，但这可能类似于选择技术赢家，如果制作不正确或者如果目前无法预见的新解决方案超过了技术赢家，这种做法可能会适得其反。就像前面讨论的围绕电池堆供应链集中化的建议一样，政府部门可以通过与一个或多个符合可回收标准的电池组供应商谈判一项大规模采购协议来激励回收。还有其他产品标准的成功实施，例如美国电气和电子工程师协会为电子产品制定的关于安全性、与其他设备/系统的互操作性等方面的标准。然而，大多数成功标准化的案例是由于这些措施的必要性产品的成功利用，而电池回收并非如此。电动汽车充电技术标准化的进展缓慢，但正在加速，可以作为可回收性标准化的模式。 

结论  

如今拥有可以促进电力部门脱碳的技术。然而，人们对于快速而经济高效地生产和部署这些技术的能力感到担忧，而目前还没有能力完成这项任务。如果采取适当的激励措施，政府干预可以帮助实现和加速预期结果。此外，如果明智而迅速地使用，许多战略和措施可以帮助克服其中的一些障碍。无论采用何种方法，需要争取时间，而获得公共和私人投资至关重要。