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麻省理工学院能源计划未来研究报告：储能技术的未来（五）

2022-06-07 10:11:26

作者：刘伯洵编译来源：中国储能网

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麻省理工学院能源计划未来研究报告：储能技术的未来（五）

2.7 电池的材料可用性问题

像许多先进的能源技术一样，电池是材料密集型的技术。电池需要采用特定的化学元素，有时难以获得替代品。在许多情况下，这些元素的使用与技术的储能容量成正比。

美国为了实现到2050年实现脱碳的目标，电网规模储能系统和电动汽车应用的电池规模必须迅速扩大到非常高的水平。世界各国的类似努力将进一步增加全球需求。预计这些趋势将增加社会对某些关键化学元素的依赖，因此有必要评估其可用性，并了解其复杂且有时中断的供应链。例如，作为这份报告主题的美国电网规模储能系统不太可能主导未来对锂离子电池的需求，但仍会受到材料供应的任何波动或中断的影响。在本节中，将探讨材料可用性和供应链如何影响电池储能系统的可扩展性。

临界性是一种系统的紧急属性，它源自多个时间范围内的供应风险（关键要素的有限可用性）和脆弱性（可能的供应中断的影响，这可能会影响企业或地缘政治实体的行为）。某种元素可能在地壳中本质上是稀有的，在自然过程中储量很低，或者主要在某个国家或少数一些国家开发和生产，这增加了材料供应可能受到市场操纵或政治不稳定影响的风险。在某些地方，元素的开采和生产可能会带来不可接受的环境或社会成本。主要作为副产品生产的元素的可用性可能受到与其相关的主要产品经济性的限制。当一种元素主要在海外生产时，可能在供应方面将受限。给定材料的有效替代品的存在可以降低其对特定技术的重要性，也可以降低功能回收的可能性。一般来说，关键性不取决于材料供应是否可能耗尽，而是取决于基于一系列因素的供应风险是否被认为过高，并将影响储能技术的大规模部署。

在理想情况下，可以通过衡量电池技术采用对重大价格上涨或价格波动的敏感性来量化风险。鉴于将材料可用性与价格联系起来存在巨大的不确定性，研究团队并没有预测不同电池的价格。与其相反，通过研究对可用性的限制和探索中断对他们认为的电化学技术至关重要的元素供应的影响来关注与材料相关的风险。以前的研究工作发现，材料成本可能会为电化学技术的成本设定下限。反过来，技术成本可能会限制任何给定的储能技术在短期内扩展的能力。因此，了解可能影响技术成本的材料风险至关重要。

以下确定讨论的电池储能技术的潜在关键要素。继续描述与材料供应相关的基本指标和标准，在大规模部署的背景下考虑这些指标，并将它们应用于确定的关键要素，评论了本报告时间范围内回收的潜在作用（即从现在到2050年），最后描述了最关注的材料供应问题。

2.7.1 电化学储能的关键要素

对于这份报告关注的电化学储能系统，关注的元素在于与储能容量成比例的组件：正极、负极和电解质。并不考虑电池外壳、互连和功率转换电子设备所需的材料。一般来说，文章中当提到“材料”时特指化学元素。然而，在某些情况下，必须以特定形式提供元素才能在电池中使用。例如，占镍产量50%以上的镍生铁和镍铁目前不适合用于锂离子电池的正极。因此，在对电池级应用的镍可用性进行详细分析时，必须独立考虑镍的含量。而目前拥有的电池技术中使用的材料清单考虑的包括铝、钴、石墨（碳）、铁、铅、锂、锰、镍、磷、钠、硫、钒和锌。有几个指标可以初步了解这些材料的可用性限制。首先考虑给定元素的全局资源。对于某些要素而言，全球资源庞大且分布广泛，因此很少担心不能满足需求，包括在未来很长一段时间内以该报告设想的规模部署电池。铝、石墨、铁、铅、锰、磷、钠、硫和锌属于这一类。相比之下，从全球资源的角度来看，钴、锂、镍和钒是电化学储能的潜在关键元素。此外，仅全球资源基础的规模是不够的，难以保证给定元素的充足供应，还必须考虑可以经济地提取多少元素以及消耗（或生产）多少元素，而两者都会随着时间而变化。“静态耗竭指数”是储量与年产量的比值。一般来说，这个数字的稳定性表明，新的可开采储量已经随着产量的变化而发展。

然而，随着时间的推移而减少或增加，表明市场存在波动的可能性。图2.9绘制了几个关键要素随时间（以五年为增量）相对于最大生产国供应比例的静态消耗指数。它表明，与钢（即锰、镍）、锌和铅相关的元素的消耗指数在过去20年中一直相对稳定（图2.9a），而静态消耗指数和锂的供应集中度、钴和钒的挥发性更强（图2.9b）。特别是，钴的生产地点在地理上变得更加集中，钴的静态消耗指数随着时间的推移而下降。

图 2.9 电池原材料资源使用的静态指标

表2.3提供了有关当前生产水平以及储量和资源规模估计以及储量与产量和资源与产量比率的更详细信息。锂和钒的这些比率明显大于钴和镍，这表明前两种元素的供应可能比后两种元素的供应受到的限制更少。来自历史实例和模型的证据表明，随着生产从已证实的储备转移到目前开采经济或不经济的原材料资源，价格可能会显著上涨。

表2.3 20204年锂、钴、镍和钒的全球年产量、世界储量和资源量

评估材料可用性风险的另一个相关指标是地缘政治供应集中度。对于考虑的这组元素，研究团队使用赫芬达尔-赫希曼指数(HHI)估计地缘政治供应集中度。另一个相关指标是一种材料是作为主要产品还是作为副产品开采的，意味着它是在提取另一种材料的过程中开采和生产的。作为副产品材料的一个潜在含义是，价格上涨对供应几乎没有影响，因为供应受载体金属的市场动态支配。此外，围绕副产品储量和资源的数据可能不太具有指示性，因为开发该元素的完整清单的动力可能较小。在这项研究感兴趣的元素中，锂和镍主要作为主要产品开采，而钴和钒可能作为与另一种载体金属相关的副产品开采，尽管副产品的比例会因矿床而异。

基于这一初步评估，研究团队根据与这项研究的相关性进一步调查了几种材料。其中包括锂、钴和镍，因为它们与锂离子电池相关，锂离子电池是安装最广泛的电池储能技术。还包括钒，因为它是最广泛部署的液流电池的技术基础。考虑到不同电池化学成分的“材料强度”，在潜在需求的背景下评估这些材料。最后，鉴于目前对磷酸铁锂(LFP)电池的兴趣，对磷进行了评论，尽管全球磷资源非常丰富。

2.7.2 将筛选金属的供需联系起来

（1）技术材料强度

材料强度对于电池来说是为所需物质的质量储存一定量的能量，而这是衡量任何技术材料要求的基本指标。材料随着技术的成熟，强度会发生变化，这是在研究分析中必须考虑的一个因素。

电极用“NMC-xyz”表示，其中“xyz”给出的数字分别代表镍、锰和钴的相对摩尔分数。NMC-111属于镍锰钴氧化物(NMC)电池化学成分，其中包含钴、镍、铝和锰的组合。

在锂离子电池的情况下，负极通常是石墨和电解质通常是含有锂盐的有机液体。研究团队专注于正极，它通常由LiMO2族中的层状氧化物组成（其中M代表过渡金属和其他金属）。本文重点介绍目前广泛使用的锂离子正极，NMC-622是近年来出现的，NMC-811出现在锂离子电池的发展路线图中。为了适应这些比率的演变，表2.4提供了所有这三种NMC电池配方的三种受限元素（锂、钴和镍）的材料强度估计值。

表2.4 材料强度

表2.5美国到2050年部署100TWh锂离子电池所需材料的产量

与锂离子电池相比，钒氧化还原液流电池材料强度（目前约为3.40kg/kWh）预计将相对稳定。随着时间的推移，研究团队探讨了这些材料强度对部署的影响。

美国可能需要部署100TWh储能系统，使该国电力部门到2050年实现完全脱碳的目标。

电池储能系统将提供多少储能容量尚不确定，鉴于不同储能技术之间可能存在的竞争以及其他因素，例如使可再生能源供需匹配的挑战、输电网络规模的成功扩展以及储能系统成本的变化。预计对基于电网的储能系统的大量额外需求将来自海外，并且在更大程度上来自电动汽车中的电池。总之，这份报告得出的结论是，估计美国到2050年累计部署100TWh储能系统的目标值是合理的。

随着需求的预期增长，钴开采和加工的这种地域集中在短期内会产生供应风险。从收入的角度来看，另一个挑战是钴提取的性质。钴作为镍和铜提取的副产品被开采，这意味着钴价格上涨并不一定会推动供应增加。根据一些调查，到2030年，全球对钴的需求将超过目前的精炼能力的300%以上。

如果美国在未来30年（即到2050年）对电池储能系统的需求接近100TWh，那么不能只依赖于钴为主的电池。预计未来钴的来源将在地理上变得更加多样化，并且在未来十年中，钴将更经常地作为镍的副产品被开采。然而，为了满足未来的需求，需要持续投资来开发精炼钴的供应和二次回收方法。

研究团队需要了解的问题是，是否可以获得足够数量的锂、钴、镍或钒来创建和部署电网规模的电池储能系统。回答这个问题的一种传统方法是计算在目前的生产速度下，需要多少年才能提供足够的元素来制造足够的电池（例如100TWh）。这个数量很容易从表2.4中的材料强度数据和表2.3中的生产数据中计算出来。因此，表2.5中给出锂离子电池具有不同的NMC组成比。

然而，需要注意的是，这种方法无法考虑到由于缺乏需求而不是其他因素，目前的材料产量相对于资源规模可能很小，因此未来的产量可能会增加因需求增加而大幅上涨。

评估材料供应限制的另一种更灵活和动态的方法是计算满足需求所需的生产复合年增长率(CAGR) 。对于不同的电池，假设2050年的能量容量目标是给定的。图2.10～图2.13显示了锂、钴、镍和钒的复合年增长率(CAGR)到2050年达到综合部署的指定目标。假设生产开始于2020年并以恒定的复合年增长率增长。这些图表简单地显示了可变电池成分（对于锂离子电池）的影响以及与其他应用的竞争。例如，在图2.10中，不同颜色的条带用于显示所需的复合年增长率如何随着关于用于电池生产的新产品比例的不同假设而变化（假设为常数，例如25%、50%和100%）。锂离子组件元素的彩色条带的宽度显示所需的产量增长如何取决于NMC成分的不同选择，假设镍、锰和钴的比例范围为6:2:2至8:1:1。图表上的垂直条给出了估计的全球总资源（基于2020年的估计）施加的能量容量限制，假设100%的元素专用于电池生产。最后，图表左轴的直方图给出了1970年至2020年之间的数量，在此期间，相关元素的平均复合年增长率(CAGR)对应于值在纵轴上。对这些数字的仔细研究揭示了有多么显著（也许不切实际）锂、钴、镍和钒的产量必须增长，以支持电化学储能容量的部署，例如到2050年达到100TWh。

图2.10 到2050年锂离子的部署的复合年增长率(CAGR)

在此处包含的元素中，在可能对10～100TWh左右的电池部署中，锂具有最乐观的供应前景。锂的生产主要针对电池（2020年锂产量的71%）；近年来锂产量快速增长，对全球资源的估计也急剧增加，从2010年的3300万吨增加到2020年的8600万吨。所有这些发展都有利于未来锂生产的快速扩张。钴的生产情况如图2.11所示。如果NMC-622是主要的锂离子电池化学成分，则资源限制刚好超过支持100TWh部署所需的资源限制。如果使用所有新开采的钴，产量需要以略高于10%的复合年增长率增长，远高于历史平均水平，以满足到2050年部署100TWh的相关需求。然而与锂相比，美国消耗的钴几乎有一半用于高性能合金，这一应用可能不会轻易被电池需求取代。近年来，钴产量适度增长（从2010年的8.8万吨到2020年的14万吨），估计全球资源量（从2010年的15吨到2020年的25吨，不包括海底矿床）也是如此。但钴的生产高度集中在刚果（2020年占世界钴产量的70%），并且主要作为铜或镍生产的副产品生产。

图2.11 到2050年锂离子部署的钴复合年增长率(CAGR)

由于这些原因，研究团队将钴视为NMC锂离子电池部署的一个关注元素。

对于镍，图2.12表明生产的复合年增长率在3.9%（对于具有NMC-622成分的锂离子电池）和4.4%（对于具有NMC-811成分的锂离子电池），持续了30年（即从2020年到2050年），如果增加的镍产量100%用于电池生产。与其相反，如果50%或25%的新生产镍用于锂离子电池，则NMC-622或NMC-811所需的复合年增长率将跃升至6.2%～6.7%或6.7%～8.8%。左侧直方图显示了镍生产20年平均复合年增长率的历史数据；它显示了5%的历史最高复合年增长率。因此，例如，如果25%的镍生产用于具有NMC-811成分的锂离子电池，则所需的9.5%的复合年增长率将超过过去50年观察到的最高20年复合年增长率约两倍。目前镍的主要用途是生产不锈钢和其他高性能钢合金（约占国内产量的85%），因此不太可能在镍生产的一小部分可以迅速转向电池部署。镍的生产显示了过去50年中最低且变化最小的复合年增长率（图2.12）。2010年至2019年间，世界镍资源的生产量稳定在130吨，其中镍含量超过1%。全球资源库存在2020年跃升至300吨——主要是因为目前的估计包括镍含量低至0.5%的矿石，基于以下事实：从质量较差的矿石中经济地提取镍现在被认为是可行的。镍广泛分布于世界各地，这表明政治供应中断的风险相对较小。

图2.12 到2050年锂离子部署的镍复合年增长率(CAGR)

到2050年部署钒氧化还原液流电池(VRFB)的目标值，如图2.13所示。在图中在1～10TWh范围内，这低于锂离子电池的部署目标。铌可能会替代目前在钢合金中使用的钒，这将使专门用于钒氧化还原液流电池（VRFB）的钒产量比例扩大。尽管过去50年的产量有所波动，但过去10年全球钒资源的估计值一直稳定在每年63吨左右，显示出比此处考虑的其他元素更大的历史复合年增长率（图2.13）。因为钒几乎总是作为副产品生产，钒的生产可能会受到前面提到的经济限制。此外，引用的钒资源可能会低估可用供应量。尽管资源限制似乎会阻止钒氧化还原液流电池（VRFB）部署超过数十太瓦时的储能容量，但资源和观察到的镍复合年增长率(CAGR)似乎会阻止部署在范围内的1～10TWh范围内。鉴于钒生产的分散性以及钒目前作为副产品生产的事实，研究团队认为它是镍复合年增长率(CAGR)部署的一个关注因素。

关键性框架从三个维度量化材料可用性：中长期供应风险、环境影响以及供应限制脆弱性。与特定产区相关的政治和社会风险包含在供应风险中，其中包括地缘政治稳定性以及社会和监管指数等因素。世界银行编目的全球治理指标包括六个治理维度，包括问责制、无暴力、政府有效性、监管质量、法治、腐败控制。在2019年，全球72%的钴来自刚果民主共和国。相比之下，印度尼西亚占2019年镍提取量的33%。

与锂、钴、镍和钒相比，研究团队还对新兴电池储能技术中的三个关键元素（铁、硫和锌）进行了复合年增长率分析。

这些技术包括磷酸铁锂电池（LFP）、铁-空气、锌-空气、锂硫电池、钠硫电池和硫空气液流电池。与铁-空气电池相比，磷酸铁锂电池中铁的材料强度要低6倍。但无论哪种情况，目前全球铁的产量很高。

到2050年达到100TWh部署储能系统所需的生产复合年增长率低于1%。钠的材料强度同样因技术而异（从锂硫电池的28万吨/TWh到高温钠硫电池的90万吨/TWh，到硫空气液流电池的3,200万吨/TWh），但相应的复合年增长率保持在1%～2%以内。另一方面，锌的限制仅略低于镍：如果100%的新锌产量用于锌空气电池，到2050年达到100TWh部署容量的复合年增长率约为10%。

本章的其余部分将探讨回收利用对关键材料的影响可用性，并提供有关这三个关键元素（即钴、镍和钒）的更多详细信息，并简要描述了磷的供应问题，因为公开文献中一直在讨论该元素在一段时间内的可用性。

2.7.3 电池回收的潜在影响

回收和再利用在多大程度上可以改善未来几十年大规模电池部署的材料需求和潜在供应限制，这是一个未知数。基于物质流建模，在电网规模储能系统需求呈指数增长的背景下，电网规模的电池的回收不太可能显著缓解对关键材料的需求。同样，由于电动汽车电池需要使用一一段时间才能退役，因此在2040年之前，回收和再利用电动汽车电池用于电网应用不太可能对电网规模锂离子电池部署的材料可用性限制产生重大影响，即使在电动汽车高增长的情景。在部署趋于平稳之后，电池回收措施在本世纪下半叶可能变得更加重要，但该时间框架在很大程度上超出了这份报告的分析窗口。

从大约2040年开始，不同的再利用途径可以显著降低电网规模电池部署的关键材料风险。电动汽车中达到其使用寿命的电池原则上可以改装用于电网规模的储能应用，这些应用可以适应比电动汽车应用中可接受的更低的效率和可能更低的可靠性。由于电动汽车中的电池部署预计将显著超过电网应用的部署，因此重复使用电动汽车电池可以满足电网规模储能部署的很大一部分需求。

由于分析这些权衡涉及许多挑战，回收和再利用的成本效益权衡仍不清楚。制定电池回收策略本身就具有挑战性，无论最终目标是再利用还是回收。电池回收的挑战源于缺乏信息（特别是关于评估和管理处于各种“健康状态”的电池），以及需要标准化以安全有效地通过回收系统处理电池，以便责任和责任问题得到解决。明确且始终如一的处理。例如，由于相关的安全隐患，运输电池的成本很高。新兴技术的发展可能允许在监管链的早期更有效地监控电池组的健康状况，以确定电池组是否应该重复使用或重新利用。其他与政策相关的讨论涉及扩大生产者对收集和运输电池到再利用商或回收商的成本的责任。

电动汽车采用的电池的性能差异很大，未来将如何发展存在不确定性，包括电池化学成分、外形尺寸、电池组内的电池配置和电池组连接工艺——所有这些都会影响电动汽车电池在电池储能系统的应用。如果电池制造供应链没有更大程度的标准化，实现成本效益回收的障碍将是巨大的。

因此，与其他形式的回收相比，功能再利用的技术要求和经济性应该进行研究，以期在2040年后的时间框架内需要管理大量报废电动汽车电池。美国现有电池回收和再利用市场的有限状态凸显了明确分析的必要性。目前，许多退役电池被运往具有更发达市场的地区，用于电池回收和再利用电池以用于电网服务。

2.7.4 有关材料的详细信息

本节提供了有关钴、镍和钒（前几节中确定的三种关注材料）供应风险的更多详细信息，并提供了对磷供应的一些观察。即使是元素形式，美国在这些元素的供应中也有很大一部分依赖进口：钴占76%，镍占50%，钒占96%。美国制造业的供应风险取决于国外供应中断的可能性、承受此类中断的能力以及制造商对外国供应的依赖。在确定的三个关键元素中，钴的供应风险最大，其次是钒和镍。

（1）钴

世界上钴的主要供应地在地理上高度集中，大约70%的钴是在刚果民主共和国。对于综合硫化物生产商而言，冶炼硫化物精矿以生产铜需要对新的硫化物发现进行投资（这些发现本身有很长的发展轨迹）。从红土矿石中湿法冶金回收镍或作为硫酸盐的附加物是有潜力的，但经济性具有挑战性。如果需求增加导致钴价格上涨，那么来自钴和钴副产品的收入流可能会抵消矿山的运营成本。从镍生铁来源获得电池级镍的颠覆性替代方案也存在潜力。

（2）钒

地壳中钒的储量普遍较高，目前的产量远低于已知资源。基于其3.40kg/kWh的材料强度（对于VRFB），其储量也超过了潜在的供应需求。

然而，其挑战在于钒是分散的并以多种不同的形式存在。此外，大量工业和燃烧废物含有钒，包括煤灰和炉渣。钒的回收利用并不经济，钒作为副产品仅用于少数用途（以钒铁为主），并且仅在少数几个国家（包括中国、南非和俄罗斯）生产。因此，需要大量努力来扩大生产更多钒所需的技术和基础设施。在钒的回收和精炼方面付出了巨大的努力；此外，电化学储能应用所需钒的质量和纯度与冶金级钒没有显著差异。一旦需求和兴趣足够高，在研究团队相信物理资源的可用性和技术流程可以允许大规模获取钒。但目前的产量很低，因此支持大规模部署所需的复合年增长率将具有挑战性。

（3）磷

虽然研究团队没有对磷进行详细的材料分析，但这种元素值得进一步评论。

鉴于磷在磷酸铁锂（LFP化）电池中的潜在应用，全球磷酸盐在储量方面不会枯竭。假设磷酸铁锂电池的材料强度为0.38kg/kWh，一年的全球磷产量可支持50TWh的磷酸铁锂电池容量。目前，磷的主要用途是化肥，而这种用途仍将占主导地位。然而，人们担心用于化肥生产的磷的区域供应情况，这可能导致粮食安全问题，特别是在人口众多的地区依赖少数富磷生产国的国家（如印度和巴西）。其供应相当集中，并且随着时间的推移可能会变得更加集中；目前，85%的储量分布在五个国家：摩洛哥、中国、阿尔及利亚、叙利亚和南非（摩洛哥的储量最大）。磷元素释放到环境中也存在重大的环境问题，这可能导致土地应用引起的直接营养化、汇集积累的长期释放以及氮磷-碳平衡的变化。

2.7.5 材料分析的见解

在此次研究中考虑的较高部署率下，生产所需的增加钴、镍、锂和钒等关键电池元素的增长率等于或超过历史最高增长率。这意味着在现有基础设施之外扩大开采、选矿和精炼设施。这也意味着额外的供应链转变。例如，预计未来十年将有更多钴来自镍资源。对于锂，直接提取等其他途径可能会变得具有成本竞争力。

在呈指数增长的部署轨迹的背景下，回收不会显著地改善材料的供应限制。然而，从大约2040年开始，通过回收或重新利用来管理电动汽车二次电池的战略势在必行。虽然由于涉及的复杂性，回收和再利用的成本效益权衡仍然很不清楚，但现在开始解决这些问题很重要。特别是，美国必须确定是否希望在电池制造、回收或再利用方面培育具有竞争力的国内产业。

最后，快速扩大到这项研究中考虑的高水平储能部署将需要对电池技术的资源提取进行更有效的管理，包括更有效地努力解决采矿和选矿对环境和社会的影响。

2.8 结论和要点

本章考虑目前处于技术成熟度(TRL)或更高级别的闭环的电化学储能技术。研究团队评估了技术优势和劣势、成本和性能指标以及未来开发不同类别的可充电电池的机会，这些电池具有巨大的电网储能潜力。研究团队还考虑了可能影响支撑许多这些技术的元素的成本和可用性的材料资源限制。尽管很重要，但并未详细考虑供应链、制造和电池回收或报废处置方面可能出现的创新。本节的其余部分总结了本章关于电化学存储技术的主要内容，对于研究团队考虑的四种特定类别的电池（即锂离子电池、氧化还原液流电池、金属-空气和其他封闭结构的电池）和材料可用性。

（1）电化学储能技术

•与热储能或机械储能技术相比，电化学技术具有高能量密度，只有化学储能才能超越。电池储能系统通常为给定区域提供更多电力，面临更少的选址限制，其设计更简单，并且可以在较小的规模（kW到MW）上达到同等的规模经济。

•由于能量密度、功率密度和效率的良好组合，锂离子电池非常适合短时电网储能应用。然而，其他电池化学成分（例如液流电池或金属-空气电池）本质上具有较低的材料成本，并允许更灵活地调整能量与功率，这使得它们对新兴的长时储能应用越来越有吸引力。

•锂离子电池的制造模式已经成熟，现在的发展速度比过去二十年放缓。不太成熟的电池化学成分（例如液流电池或金属-空气电池）的制造方法还没有发展成熟，但有可能实现显著降低的成本。

•锂离子电池的发展已经并将继续受益于该技术在电动汽车和移动设备中的广泛应用，以及就像在固定储能系统中一样。这项研究中考虑的电池储能技术不太多样化，这可能会导致技术学习曲线变慢。

•世界各国快速部署电池，主要用于电动汽车，其次是用于电网规模的储能系统，这将需要以远远超过历史平均水平的速度增加某些关键电池元件的产量。扩大这些关键元素的生产规模的限制已经存在，并且可能会持续存在，这将对技术开发路径产生影响。

对于这项研究中考虑的任何电池技术，都存在很大的成本差异用于部署电网侧储能系统。研究团队预计将具有持续的成本优势。

（2）锂离子电池

•锂离子电池在能量密度、功率密度和往返效率方面表现出色。之间目前可大规模部署的电化学技术，锂离子电池可提供最高的能量和功率输出。

•便携式电子产品和电动汽车应用历来推动锂离子电池的增长和部署。然而，与电网规模的储能相比，这些应用需要更小的系统、更低的寿命要求和更高的成本容忍度。尽管如此，作为一项现有技术，在过去十年中，锂离子在电网存储应用中的部署比任何其他电池技术都更广泛（尽管电力部门的电池总装机容量仍不到抽水蓄能装置的1%）。.

•尽管电池组件的成本（包括最重要的活性电极材料的成本）为锂离子成本设定了底线，但锂离子电池继续向需要较低浓度资源受限元素的化学物质发展，例如如钴和镍，或完全避免使用这些元素。此外，电网储能应用对能量密度不太敏感这一事实促进了使用更多地球丰富元素（如锰、铁、磷、硅和硫）的电池产品的开发和应用。因此，对于所有应用，锂离子电池的成本预计将会继续下降，而锂将成为成本和供应方面的限制因素。

•锂离子电池的循环寿命和日历寿命正在改善，但目前太低，无法为某些电网应用提供可接受的投资回报。该技术在放电持续时间更长、频率更低和难以预测的应用中仍然面临挑战。

•液流电池将功率和能量进行解耦，在扩展到更大的系统和更长的持续时间方面具有优势。虽然这种形式的化学成分范围很广，但钒液流电池代表了最先进的技术，因为它们具有相对较高的能量密度、较低的维护成本和较长的使用寿命。钒液流电池占迄今为止安装的大部分液流电池，但部署规模受到钒成本上涨的挑战。这种液流电池的作用最终可能会受到钒的成本和可用性的限制。

•目前，液流电池领域正在探索除钒以外的许多化学物质，特别是那些利用由低成本和高丰度前体制成的活性物质的化学物质。这样的系统可能对显著降低系统成本至关重要，从而促进液流电池的更广泛部署。然而，迄今为止，尚未确定原型系统（即那些能够满足成本和性能指标同时实际可运行20多年的储能系统）。

•如今，液流电池仍然是一种新兴技术。加强创新渠道以加速从发现科学到供应链和制造开发到示范的进程，同时利用技术进步和从相邻领域（例如聚合物电解质燃料电池、锂离子电池）汲取的经验教训，可以快速改进性能和随之而来的成本降低。

（3）金属-空气电池

•用于电网规模储能系统的金属-空气电池基于地球上丰富的金属，如锌、铁和铝，并使用水性电解质。因此，材料成本和相关的系统级能源成本很低。然而，金属-空气电池通常比锂离子电池和液流电池具有更高的电力成本和更低的往返效率。这些特性使金属-空气电池对涉及长放电周期和不经常使用的应用具有吸引力。

•提高金属-空气电池性能和降低成本的途径包括空气电极性能和成本的进步，以及使用低成本金属电极的能力。在这些系统中，锌-空气电池是最成熟的电池，而铁-空气电池正在引起新的兴趣。与大多数电池技术一样，金属-空气电池在公用事业规模中的耐用性尚未得到证明。

（4）其他电池

•铅酸电池和钠硫电池都在很大程度上被锂离子电池取代。铅酸电池的安装成本与锂离子电池相似，但循环寿命和日历寿命比锂离子电池要短。铅酸电池确实提供了成熟完善的回收基础设施的好处。铅酸电池的主要改进将是在更大的放电深度上增加循环寿命。高温钠硫电池面临的主要挑战是与锂离子电池以及考虑电网规模的大多数其他电池相比，它们的成本更高。

（5）材料可用性

•按照电网规模储能系统和电动汽车的预期部署速度，钴、镍、锂和钒等关键电池元素的生产必须以等于或超过历史增长率的速度增长。用于提供储能系统的电池的材料可用性将受到电动汽车对在这两种应用中具有竞争力的电池的需求的影响。这意味着必须扩大当前的提取、选矿和精炼基础设施，以及供应链的转变。例如，预计未来将有更多钴来自镍矿。对于锂，其他提取途径可能具有成本竞争力。

•回收用于电网规模的储能系统的电池不会显著缓解材料供应任何指数增长的部署轨迹的限制。然而，在接下来的十年，包括回收在内的电动汽车电池的报废管理策略将很快变得必要——不仅是为了维护和重新部署储能技术，而且也是为了满足随着从主要来源开始趋于平稳。

•需要开发钒资源，以便能够在电网应用中以与锂离子电池相当的规模部署钒液流电池。对未来大规模使用这项技术的供应担忧主要是由于钒目前主要作为分散废物来源的副产品开采。

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