摘要
本文對2021年度中國儲能技術(shù)的研究進展進行了綜述。通過對基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范三方面的回顧和分析，總結(jié)得出了2021年中國儲能技術(shù)領(lǐng)域的主要技術(shù)進展，包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池、鈉離子電池、超級電容器、新型儲能技術(shù)、集成技術(shù)和消防安全技術(shù)等。研究結(jié)果表明，中國儲能技術(shù)在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范方面均取得了重要進展，中國已經(jīng)成為世界儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究最活躍的國家，也已成為世界儲能技術(shù)研發(fā)和示范的主要核心國家之一。
關(guān)鍵詞： 儲能 ; 技術(shù) ; 進展
Abstract
Research and development progress on energy storage technologies of China in 2021 is reviewed in this paper. By reviewing and analyzing three aspects of research and development including fundamental study, technical research, integration and demonstration, the progress on major energy storage technologies is summarized including hydro pumped energy storage, compressed air energy storage, flywheel, lead battery, lithium-ion battery, flow battery, sodium-ion battery, supercapacitor, new technologies, integration technology, fire-control and safety technology. The results indicate that extensive improvements of China's energy storage technologies have been achieved during 2021 in terms of all the three aspects. China is now the most active country in energy storage fundamental study and also one of the core countries of technical research and demonstration.
Keywords： energy storage ; technology ; progress
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陳海生, 李泓, 馬文濤, 徐玉杰, 王志峰, 陳滿, 胡東旭, 李先鋒, 唐西勝, 胡勇勝, 馬衍偉, 蔣凱, 錢昊, 王青松, 王亮, 王星, 徐德厚, 周學(xué)志, 劉為, 吳賢章, 汪東林, 和慶鋼, 陸雅翔, 張雪松, 李泉, 索鎏敏, 郭歡, 俞振華, 梅文昕, 秦鵬. 2021年中國儲能技術(shù)研究進展[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2022, 11(3): 1052-1076
CHEN Haisheng. Research progress of energy storage technology in China in 2021[J]. Energy Storage Science and Technology, 2022, 11(3): 1052-1076
儲能是能源革命的關(guān)鍵支撐技術(shù)，是解決可再生能源大規(guī)模接入、提高電力系統(tǒng)和區(qū)域能源系統(tǒng)效率、安全性和經(jīng)濟性的迫切需要[1-3]。2021年，國家雙碳戰(zhàn)略的實施，大幅促進了儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國儲能實現(xiàn)了從商業(yè)化發(fā)展初期到規(guī)?；l(fā)展的轉(zhuǎn)變，總體上中國儲能的發(fā)展超出了業(yè)界預(yù)期[4]。一是支持儲能的政策不斷出臺，二是儲能系統(tǒng)的裝機大幅增加，三是多種儲能技術(shù)取得重要進展。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界都非常希望能有一篇綜述性文章對中國2021年儲能技術(shù)的研究進展進行全面地回顧和分析。
本文是受《儲能科學(xué)與技術(shù)》期刊邀請，依托中國化工學(xué)會儲能工程專委會和中國能源研究會儲能專委會的專家，擬對2021年中國的主要儲能技術(shù)的研究進展進行綜述，包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池、鈉離子電池、超級電容器和新型儲能技術(shù)等，希望能夠通過對儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范的回顧和分析，總結(jié)2021年中國儲能技術(shù)領(lǐng)域的主要進展，為儲能領(lǐng)域的研究生、科研工作者和工程技術(shù)人員提供參考。
本文共分15節(jié)，其中前言由陳海生撰寫，第1節(jié)抽水蓄能由陳滿、徐德厚、郭歡撰寫，第2節(jié)壓縮空氣儲能由徐玉杰、張新敬、王星撰寫，第3節(jié)儲熱儲冷由王志峰、王亮、張雪松撰寫，第4節(jié)飛輪儲能由胡東旭、周學(xué)志撰寫，第5節(jié)鉛蓄電池由唐西勝、吳賢章撰寫，第6節(jié)鋰離子電池由李泓、李泉、索鎏敏撰寫，第7節(jié)液流電池由李先鋒、馬文濤撰寫，第8節(jié)鈉離子電池由胡勇勝、陸雅翔、馬紫峰撰寫，第9節(jié)超級電容器由馬衍偉撰寫，第10節(jié)新型儲能技術(shù)由蔣凱、和慶鋼和俞振華撰寫，第11節(jié)集成技術(shù)由錢昊、汪東林、劉為撰寫，第12節(jié)消防安全技術(shù)由王青松、梅文昕、秦鵬撰寫，第13節(jié)綜合分析和第14節(jié)結(jié)論與展望由陳海生撰寫，全文由陳海生統(tǒng)稿。由于時間倉促，且作者水平有限，相關(guān)內(nèi)容如有不全面甚至謬誤之處，請各位讀者批評指正。
1 抽水蓄能
抽水蓄能具有儲能容量大、系統(tǒng)效率高、運行壽命長、響應(yīng)快速、工況靈活、技術(shù)成熟等優(yōu)點，是當(dāng)前大規(guī)模儲能的主流技術(shù)。2021年，在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動下，國家從規(guī)劃、政策等方面對抽水蓄能給予了引導(dǎo)和支持，我國抽水蓄能的發(fā)展迎來歷史性機遇，得到了飛速發(fā)展?？勺兯俪樗钅堋⒋笕萘砍咚^抽水蓄能、抽水蓄能與新能源聯(lián)合運行控制、海水抽水蓄能以及基于廢棄礦洞的抽水蓄能等技術(shù)成為研究重點。
1.1 基礎(chǔ)研究
針對變速機組的控制及運行問題，Gong等[5-6]提出了水泵工況啟動控制、低電壓穿越控制等方法，Chen等[7-8]提出了有功勵磁控制器與調(diào)速器協(xié)調(diào)控制、一次調(diào)頻控制策略和技術(shù)、有功無功快速控制等新方法。武漢大學(xué)與南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻公司[9-10]通過實證研究，量化了機組變速性能、出力性能、效率性能和壓力脈動性能共性指標(biāo)，揭示了可變速機組變速行為演化機理，闡明了變速運行壓力脈動“拐點”效應(yīng)，明晰了定揚程條件下變速入力調(diào)節(jié)的“遷移三角形”規(guī)律。
圍繞風(fēng)光等新能源與抽水蓄能結(jié)合發(fā)電的控制特性和系統(tǒng)優(yōu)化，Yao等[11]提出了可變速海水抽蓄電站與海上風(fēng)電聯(lián)合運行調(diào)度策略，優(yōu)化計算了海水抽水蓄能電站的最優(yōu)容量。楊森等[12]在粒子群萬有引力混合算法中引入混沌算法、慣性權(quán)重和改進步長因子，建立以經(jīng)濟效益最大化為目標(biāo)的風(fēng)-光-抽水儲能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。Xu等[13]針對不同的風(fēng)況(隨機風(fēng)、梯度風(fēng)和陣風(fēng))，從動態(tài)調(diào)節(jié)性能和互補特性的角度研究了抽水蓄能發(fā)電對間歇性風(fēng)電注入的調(diào)節(jié)能力。王玨等[14]建立了反映抽水儲能機組過渡過程和雙饋風(fēng)電機組特性的抽水儲能-風(fēng)電聯(lián)合系統(tǒng)模型，探究了有功功率跟蹤和功率平滑模式的動態(tài)響應(yīng)特性，并驗證抽水蓄能機組的功率調(diào)節(jié)補償性能。
圍繞水泵水輪機流動特性，Tao等[15]對水泵水輪機的不可逆流動能量耗散特性進行了可視化、跟蹤、量化和對比分析，指出有針對性地消除渦流、降低表面粗糙度和提高幾何流動適應(yīng)性有助于提高水泵水輪機的能量轉(zhuǎn)換效率。Zhang等[16]分析了水泵水輪機內(nèi)水流破壞和重組的全過程，提高了對水柱分離危險現(xiàn)象的認(rèn)識。Gao等[17]根據(jù)水泵水輪機的完整特性曲線，建立了雙饋抽水蓄能快速高精度模型。張金鳳等[18]以提高水泵水輪機泵工況的效率與揚程為目標(biāo)，用近似模型和改進PSO算法結(jié)合的方法對轉(zhuǎn)輪9個結(jié)構(gòu)參數(shù)進行全局尋優(yōu)。
針對廢棄礦井構(gòu)建抽水蓄能地下水庫的問題，張慶賀等[19]以常規(guī)抽水蓄能電站主要工程結(jié)構(gòu)為藍(lán)本，提出了淮南礦區(qū)沉陷區(qū)—地下洞室群抽水蓄能電站的構(gòu)建模型。卞正富等[20]研究了水文地質(zhì)與水化學(xué)特征及水循環(huán)過程對選址的影響，以及廢棄礦井地下空間巖體穩(wěn)定性和密閉性對運行的影響。Shang等[21]開展了廢棄煤礦地下空間改造為抽水蓄能電站的指標(biāo)評價體系研究，指出上下水庫的高差是影響最大的指標(biāo)，其次為上下水庫庫容。另外，趙海鏡等[22]綜合考慮寒冷地區(qū)抽水蓄能電站水庫最大冰厚的影響因素，利用實測資料采用多元回歸方法建立了我國北方抽水蓄能電站最大冰厚計算公式。
1.2 關(guān)鍵技術(shù)
我國大型抽水蓄能電站工程建設(shè)技術(shù)取得了長足進步。大型抽水蓄能電站地下洞室群、水力系統(tǒng)快速機械化施工技術(shù)成熟應(yīng)用，國產(chǎn)盾構(gòu)機在2020年首次實現(xiàn)在抽水蓄能電站成功應(yīng)用后，到2021年底已在8個抽水蓄能項目推廣應(yīng)用。
超高水頭、超大容量抽水蓄能機組設(shè)計制造安裝技術(shù)取得新突破，國內(nèi)單機容量最大(400 MW)700米級水頭的陽江抽水蓄能機組攻克了長短轉(zhuǎn)輪葉片與導(dǎo)葉匹配技術(shù)、雙鴿尾結(jié)構(gòu)磁極技術(shù)、磁軛通風(fēng)溝鍛件整體銑槽工藝、磁軛鴿尾槽預(yù)裝后整體銑槽工藝等新型制造和安裝技術(shù)，機組穩(wěn)定性指標(biāo)優(yōu)越，達到國際領(lǐng)先水平。
抽水蓄能電動發(fā)電機技術(shù)取得新突破，分?jǐn)?shù)極路比繞組技術(shù)在國內(nèi)首次成功應(yīng)用于黑龍江荒溝抽水蓄能電站，與常規(guī)繞組方式相比，可優(yōu)化電站電氣系統(tǒng)配置，改善發(fā)電電動機性能，定子繞組布局合理，提高定子線棒剛強度，機組安裝與維護更方便。
抽水蓄能機組安裝及調(diào)試技術(shù)也取得新進步，梅州抽水蓄能電站在機組施工過程中通過安裝調(diào)試措施優(yōu)化，創(chuàng)造了從項目開工至首臺機投產(chǎn)僅用時41個月的國內(nèi)抽蓄建設(shè)工期新紀(jì)錄。
1.3 集成示范
2021年全國共建設(shè)投產(chǎn)了敦化、荒溝、周寧、沂蒙、長龍山、梅州、陽江、豐寧8座抽水蓄能電站。敦化蓄能電站在國內(nèi)首次實現(xiàn)700米級超高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量抽水蓄能機組的完全自主研發(fā)、設(shè)計和制造，成功建設(shè)嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站首個瀝青混凝土心墻堆石壩；長龍山蓄能電站最大發(fā)電水頭(756 m)、機組額定轉(zhuǎn)速(5號6號機組600 r/min)、高壓鋼岔管HD值(4800 m×m)均為世界第一；黑龍江荒溝電站填補國內(nèi)空白的技術(shù)創(chuàng)新成果——“分?jǐn)?shù)極路比”繞組技術(shù)；沂蒙電站1號、2號機組投產(chǎn)發(fā)電，是首例高轉(zhuǎn)速“零配重”抽水蓄能機組；梅州蓄能電站主體工程創(chuàng)造了國內(nèi)抽水蓄能電站最短建設(shè)工期紀(jì)錄的同時，機組運行穩(wěn)定性在國內(nèi)首次實現(xiàn)了三導(dǎo)軸承擺度精度達到0.05 mm；陽江蓄能電站實現(xiàn)了40萬千瓦級單機容量、700 m高水頭抽蓄機組全自主化制造，電站水道是世界首條800 m級水頭的鋼筋混凝土襯砌水道；豐寧蓄能電站是世界裝機容量最大的抽水蓄能電站，在國內(nèi)首次引進使用變速機組技術(shù)。
南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻公司等多家單位建設(shè)了國內(nèi)外首臺完備的水-機-電-控制系統(tǒng)的可變速抽水蓄能動態(tài)特性實驗裝置，建設(shè)了變速抽水蓄能仿真平臺，實現(xiàn)了國內(nèi)可變速抽蓄技術(shù)的集成示范應(yīng)用，深入研究了10 MW級可變速海水抽水蓄能機組關(guān)鍵技術(shù)。
2 壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能技術(shù)具有儲能容量大、儲能周期長、系統(tǒng)效率高、運行壽命長、比投資小等優(yōu)點，被認(rèn)為是最具有廣闊發(fā)展前景的大規(guī)模儲能技術(shù)之一。2021年，我國壓縮空氣儲能技術(shù)取得了里程碑式的發(fā)展，在系統(tǒng)特性分析、壓縮機和膨脹機關(guān)鍵技術(shù)、10～100 MW集成示范等方面均取得重要進展。
2.1 基礎(chǔ)研究
在系統(tǒng)特性分析與優(yōu)化方法方面，Guo等[23]建立超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)各個部件的動態(tài)模型，研究系統(tǒng)的容腔效應(yīng)、熱慣性的影響規(guī)律，進而提出系統(tǒng)運行的控制方法，提升了系統(tǒng)的響應(yīng)特性。Chen等[24]通過對儲熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計使蓄熱式壓縮空氣儲能循環(huán)效率得到提升。通過調(diào)節(jié)運行參數(shù)，實現(xiàn)了蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)冷熱電三聯(lián)供。Dzido等[25]研究了液態(tài)空氣儲能中冷能的回收利用對系統(tǒng)性能的影響，研究發(fā)現(xiàn)不同的液化工藝流程及釋能壓力對系統(tǒng)循環(huán)效率存在影響。?損分析表明，系統(tǒng)?損最大的為節(jié)流損失。Guo等[26]通過理論分析得到了水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)的熱力學(xué)特性，研究得到水下壓縮空氣儲能系統(tǒng)的效率可達70.7%，降低部件?損的優(yōu)化順序為膨脹機前換熱器、膨脹機、壓縮機末級、低溫蓄熱罐。Chen等[27]研究了等溫壓縮空氣儲能的系統(tǒng)特性，系統(tǒng)循環(huán)效率最高可達76%。Mucci等[28]研究了小型壓縮空氣儲能系統(tǒng)性能，研究發(fā)現(xiàn)通過對壓縮機、膨脹機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、壓力閥門控制等方法，能夠提升系統(tǒng)效率并降低成本。
在壓縮機內(nèi)流特性與寬工況調(diào)節(jié)方面，Liang等[29]在對離心式壓縮機進行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合改進的二區(qū)模型和低稠度葉片擴壓器(LSVD)設(shè)計方法，完成了整體齒式(IGC)壓縮機第一級的氣動設(shè)計，多變效率可達91.0%。張丹等[30]研究了軸流式壓縮機動靜葉彎參數(shù)耦合特征對角區(qū)分離和激波的影響并進行優(yōu)化設(shè)計，使失速裕度提升了60.56%。Sun等[31-32]在壓縮機中引入濕壓縮方法，研究了該方法對壓縮機性能的影響特性及汽霧顆粒的運動規(guī)律，發(fā)現(xiàn)設(shè)計工況下壓縮機耗功可降低1.47%。孟沖等[33]發(fā)現(xiàn)采用進口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)可以使工作流量范圍擴大30.4%，壓比范圍擴大427.4%。 Guo等[34]實驗研究了可調(diào)導(dǎo)葉和可調(diào)擴壓器對壓縮機性能的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)二者聯(lián)合調(diào)節(jié)能夠使壓縮機效率最高提高1.2%，并獲得了聯(lián)合調(diào)節(jié)策略。
在膨脹機內(nèi)流特性與高效調(diào)節(jié)方面，Wang等[35]分析了壓縮空氣儲能閉式和半開式向心膨脹機內(nèi)部三維流場結(jié)構(gòu)，揭示了流動損失機理。孫冠珂等[36-37]對膨脹機進氣結(jié)構(gòu)內(nèi)部的二次流漩渦結(jié)構(gòu)開展了研究并揭示了流動損失機理。此外，現(xiàn)有研究也分別對膨脹機閉式葉輪輪蓋空腔間隙泄漏流[38-39]、輪背空腔泄漏流[40]、半開式葉頂間隙泄漏流[41]等開展分析，并提出了多元耦合流動控制方法[42]、葉片三維造型[43-44]、新型輪背空腔泄漏流密封結(jié)構(gòu)[45]、集氣室表面局部低粗糙度流動控制法[46]等流場優(yōu)化方法，有效提高了膨脹機效率。針對壓縮空氣儲能膨脹機非穩(wěn)態(tài)運行工況，劉祖煜等[47]對啟動過程下膨脹機內(nèi)部流動損失特性開展研究，揭示了其內(nèi)部通道分離渦與前緣渦演化規(guī)律。李輝等[48]研究了多級膨脹機級間耦合下膨脹機可調(diào)導(dǎo)葉內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)與損失特征。劉棟等[49]對多級再熱式向心渦輪第一、三級導(dǎo)葉開度采用聯(lián)調(diào)方式，發(fā)現(xiàn)該方法能夠擴大多級渦輪流量和總出功的調(diào)節(jié)范圍。
在蓄熱換熱器傳蓄熱特性方面，Liao等[50]和Li等[51]通過研究流量、壓力等對填充床蓄冷單元的影響，得到了優(yōu)化運行參數(shù)，同時利用液體透平回收超臨界空氣儲能過程的能量，使系統(tǒng)循環(huán)效率進一步提升10%。Zhang等[52]將壓縮熱與太陽能熱利用結(jié)合，構(gòu)建一種有封裝相變材料的級聯(lián)填充床梯級儲熱單元，實現(xiàn)了不同溫度熱能的梯級利用，使系統(tǒng)效率有所提升。液態(tài)空氣儲能中冷能的回收利用對系統(tǒng)性能具有重要的影響，通過構(gòu)建液體空氣儲能系統(tǒng)的多種結(jié)構(gòu)，采用多組分流體循環(huán)回收系統(tǒng)的冷能，可提升系統(tǒng)效率2.3%[53]。在液態(tài)空氣存儲罐中會液體分層現(xiàn)象，Heo等[54]根據(jù)液空溫度和其中氧成分濃度定義了分層發(fā)生的條件，評估了分層穩(wěn)定性比和穩(wěn)定性圖譜，利用液氣儲罐內(nèi)部分層的操作策略，可以最大限度地減少儲罐內(nèi)液氣的蒸發(fā)氣體。
在壓縮空氣儲能系統(tǒng)與其他系統(tǒng)耦合研究方面，F(xiàn)u等[55]將蓄熱式壓縮空氣儲能與有機朗肯循環(huán)耦合系統(tǒng)，將系統(tǒng)中多余的壓縮熱用來驅(qū)動有機朗肯循環(huán)，并采用變結(jié)構(gòu)實現(xiàn)壓縮與膨脹單元的壓力調(diào)節(jié)，使該系統(tǒng)的最大效率達70.5%。Alirahmi等[56]將壓縮空氣儲能與太陽熱能、海水淡化耦合構(gòu)成新型能源系統(tǒng)并分析其技術(shù)經(jīng)濟性，結(jié)果表明該系統(tǒng)可以提供電力調(diào)峰以及淡水系統(tǒng)的投資回報期為2.65年。Li等[57]開展了蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)全生命周期技術(shù)經(jīng)濟和環(huán)境優(yōu)化分析，較好評估了系統(tǒng)的度電成本及其對環(huán)境的影響，同時通過對壓縮空氣儲能系統(tǒng)全生命周期環(huán)境影響評估，得到各個環(huán)節(jié)折合CO2排放及能源與水消耗，獲得了其全生命周期環(huán)境影響特性。
2.2 關(guān)鍵技術(shù)
壓縮空氣儲能的關(guān)鍵技術(shù)主要包括壓縮機技術(shù)、蓄熱換熱器技術(shù)、膨脹機技術(shù)、系統(tǒng)集成與控制技術(shù)等。
2021年，中國科學(xué)院工程熱物理所依托國家能源大規(guī)模物理儲能研發(fā)中心建成了壓縮機實驗與檢測平臺，測試平臺系統(tǒng)壓力測量范圍0.5～110 bar (1 bar=0.1 MPa)，轉(zhuǎn)速測量范圍0～40000 r/min，功率測量范圍0～10 MW，具有開展單/多級壓縮機氣體動力學(xué)、力學(xué)性能、壓縮機與換熱設(shè)備的耦合特性、壓縮系統(tǒng)變工況控制規(guī)律、壓縮系統(tǒng)性能檢測以及特殊工質(zhì)壓縮機性能等功能。依托該實驗平臺，中國科學(xué)院工程熱物理所研制了10 MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)用10 MW級六級間冷離心式壓縮機(最大工作壓力10 MPa，效率為86.3%)、10 MW級四級再熱組合式透平膨脹級(最大入口壓力為7 MPa，效率為88.2%)、高效超臨界蓄熱換熱器(蓄熱量達68 GJ，蓄熱效率為97.3%)，并應(yīng)用于肥城10 MW鹽穴壓縮空氣儲能商業(yè)電站。
中國科學(xué)院工程熱物理所還攻克了100 MW級先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)的寬工況組合式壓縮機技術(shù)、高負(fù)荷軸流式膨脹機技術(shù)、高效蓄熱換熱器技術(shù)，以及系統(tǒng)集成與控制技術(shù)，研制出國際首套100 MW系統(tǒng)壓縮機、膨脹機和蓄熱換熱器，目前正在開展張家口示范系統(tǒng)的集成調(diào)試。
2.3 集成示范
2021年，壓縮空氣儲能示范項目取得了多個里程碑式的進展。中國科學(xué)院工程熱物理所于2021年8月在山東肥城建成了國際首套10 MW鹽穴先進壓縮空氣儲能商業(yè)示范電站，順利通過項目驗收，并正式并網(wǎng)發(fā)電商業(yè)運行，系統(tǒng)效率達到60.7%，創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。位于貴州畢節(jié)的集氣裝置儲氣10 MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)于2021年10月完成并網(wǎng)發(fā)電。江蘇金壇建設(shè)了60 MW/300 MW·h鹽穴壓縮空氣儲能示范項目，并于2021年10月開展了并網(wǎng)試驗。中國科學(xué)院工程熱物理所在張家口市建設(shè)的國際首套100 MW先進壓縮空氣儲能國家示范項目，已經(jīng)完成關(guān)鍵部件研制和系統(tǒng)集成安裝，并于2021年12月底順利并網(wǎng)，開始進入系統(tǒng)帶電調(diào)試階段，成為我國壓縮空氣儲能技術(shù)新的里程碑。
3 儲熱儲冷
儲熱儲冷技術(shù)具有規(guī)模大、成本低、壽命長等優(yōu)點，在電力、建筑、工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)存儲方式不同，儲熱儲冷技術(shù)可分為顯熱、潛熱和熱化學(xué)儲熱三類。2021年，我國學(xué)者在儲熱材料物性調(diào)控機理、儲熱換熱特性與強化、儲熱材料制備技術(shù)、系統(tǒng)控制與優(yōu)化技術(shù)、系統(tǒng)集成示范等方面，取得了重要進展。
3.1 基礎(chǔ)研究
在儲熱材料物性調(diào)控及其機理方面，形成從量子力學(xué)到牛頓力學(xué)，從納米尺度到宏觀的多尺度研究手段。基于第一性原理對物質(zhì)電子和晶格的熱運動規(guī)律進行研究，得到材料物性的調(diào)控方法；采用分子動力學(xué)對物質(zhì)原子體系行為進行研究，得到物質(zhì)的微觀熱物性機理，尤其是揭示了熱化學(xué)儲熱的核殼結(jié)構(gòu)[58]。在溫度對能壘的作用，材料原子間相互作用，熱作用下晶格振動和電子運動規(guī)律等的研究方面取得了較大進展。研究了新工質(zhì)和維持多孔物理吸附材料反應(yīng)活性和吸附循環(huán)熱穩(wěn)定性的方法；利用相圖理論發(fā)展了低熔點高分解溫度混合熔鹽的設(shè)計方法[59]。
儲熱換熱特性與機理方面，在相變材料中添加一維到三維的納米尺度高導(dǎo)熱材料，形成熱輸運通道和增加聲子傳輸能力。Tian等[60]開展了利用莫里定律的仿生儲熱換熱研究；Yao等[61]基于拓?fù)鋬?yōu)化方法獲得儲熱換熱器新結(jié)構(gòu)；Yu等[62]研發(fā)了熔鹽納米流體的比熱容提升和對流傳熱強化特性，熔鹽納米流體的比熱容提升和對流傳熱強化機理等；Lin等[63]研究了新型噴淋式填充床內(nèi)滲流流動及儲熱特性；文獻[64-66]研究了多種水合鹽類、糖醇類和石蠟類儲釋熱性能，并且開展多種復(fù)合強化、微膠囊化、翅片增強等方法研究；Chen等[67]研究了相變材料儲釋熱過程體積變化產(chǎn)生的縮孔縮松特征及其影響。Feng等[68]在吸附式儲熱儲冷方面、新工質(zhì)和維持多孔物理吸附材料反應(yīng)活性、吸附循環(huán)熱穩(wěn)定性等方面有較多研究。
3.2 關(guān)鍵技術(shù)
在儲熱儲冷材料制備技術(shù)方面，基于碳化硅、黑剛玉與高嶺土等材料研制出可在1100 ℃條件下安全使用的儲熱陶瓷顆粒材料[69]；在熔鹽儲熱材料方面，重點開展了低熔點二元熔鹽、低熔點高溫三元熔鹽體系研究[70]。Guo等[71]研發(fā)了堿金屬和堿土金屬的氯化物熔鹽體系，實現(xiàn)了700 ℃下氯化物熔鹽對316不銹鋼的腐蝕速率低于205.37 μm/年；還開展了復(fù)合相變、定形相變和仿生相變儲熱材料研究，提出了基于納米顆粒、多孔仿生陶瓷、共晶鹽體系的比熱容和熱導(dǎo)率協(xié)同提升方法，導(dǎo)熱系數(shù)可達116 W/(mK)[71]；在太陽能熱化學(xué)儲熱方面，韓翔宇等[72]開展了Co3O4/CoO等金屬氧化物反應(yīng)物體系和鈣基熱化學(xué)儲熱的動力學(xué)研究；Liu等[73]實現(xiàn)了太陽能直接驅(qū)動光熱轉(zhuǎn)換與熱化學(xué)儲熱一體化。
在儲熱儲冷裝置設(shè)計技術(shù)方面，賀明飛等[74]研究了大容量長周期跨季節(jié)儲熱，進行了蓄熱水體承重浮頂熱力耦合特性和逆斜溫層控制技術(shù)研究；Guo等[75]研究了土壤跨季節(jié)儲熱的傳蓄熱機理和結(jié)構(gòu)參數(shù)；Zhu等[76]和Liu等[77]研究了換熱器、熱管等相變儲冷儲熱強化技術(shù)，Chen等[78]開展了高效動態(tài)冰漿蓄冷換熱性能研究與性能優(yōu)化等。
在系統(tǒng)控制與優(yōu)化方面，研究人員[79-82]開展了儲熱儲冷應(yīng)用于太陽能熱發(fā)電、火電調(diào)峰、風(fēng)電消納、分布式能源系統(tǒng)等領(lǐng)域的能源系統(tǒng)設(shè)計、參數(shù)優(yōu)化和運行調(diào)控策略等方面研究；張涵等[83]研究了熱泵儲電、卡諾電池等以熱能和冷能存儲電能的新型儲能系統(tǒng)；林釀志等[84]和徐德厚等[85]開展了基于水體和土壤等方式的大容量長周期跨季節(jié)儲熱研究，建立了考慮技術(shù)經(jīng)濟性的儲熱供熱系統(tǒng)性能分析方法。
3.3 集成示范
在儲熱集成示范方面，2021年度在敦煌建成了采用熔鹽儲熱的50 MW線性菲涅爾式太陽能熱發(fā)電站，熱熔鹽溫度550 ℃，冷熔鹽溫度290 ℃，熔鹽儲熱可發(fā)電750 MW·h；在新疆哈密建成了50 MW熔鹽塔式光熱發(fā)電，采用熔鹽儲熱可實現(xiàn)12 h連續(xù)發(fā)電；在河北黃帝城建成1.06萬m3水體儲熱的太陽能儲熱采暖項目，在北京建立了50 kW/500 kW·h中低溫?zé)峄瘜W(xué)儲熱中試系統(tǒng)；在張家口建成100 MW亞臨界水蓄熱子系統(tǒng)應(yīng)用于100 MW先進壓縮空氣儲能系統(tǒng)；在張家口應(yīng)用水合鹽相變材料實現(xiàn)為冬奧會轉(zhuǎn)播中心供暖。江蘇金合公司己實現(xiàn)中高溫復(fù)合相變材料及其系統(tǒng)技術(shù)(450～750 ℃)的規(guī)?；瘧?yīng)用。
在儲冷集成示范方面，在北京環(huán)球影城建成三聯(lián)供系統(tǒng)耦合冰蓄冷系統(tǒng)，每年冰蓄冷系統(tǒng)“移峰填谷”的電量可達630萬 kW·h；北京用友軟件園采用冰儲冷技術(shù)，為18.5萬 m2建筑供熱供冷；相變儲冷材料、裝備和系統(tǒng)研究進展迅速，基于相變材料的冷鏈運輸技術(shù)已獲得應(yīng)用[84]。
4 飛輪儲能
飛輪儲能具有功率密度較高、充放電次數(shù)高、工作環(huán)境要求低、無污染等特點，在短時高頻領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。2021年，國內(nèi)飛輪儲能行業(yè)在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范方面均取得了重要進展。
4.1 基礎(chǔ)研究
基礎(chǔ)研究方面，國內(nèi)學(xué)者在飛輪材料、電機損耗、動力學(xué)及控制等方面取得進展。洛陽船舶材料研究所宋金鵬等[86]通過對復(fù)合材料進行拉伸性能試驗，建立了復(fù)合材料儲能飛輪力學(xué)模型。中國科學(xué)院工程熱物理研究所戴興建等[87]進行了高強合金鋼飛輪轉(zhuǎn)子材料結(jié)構(gòu)分析，表明了合金鋼飛輪的安全性和經(jīng)濟性。江蘇大學(xué)孫玉坤等[88]進行了高速永磁同步電機損耗分析與優(yōu)化，結(jié)果表明徑向分段和Halbach充磁方式均能大幅度降低永磁體渦流損耗。清華大學(xué)賈翔宇等[89]分析了接觸參數(shù)對儲能飛輪轉(zhuǎn)子碰摩行為的影響，為優(yōu)化系統(tǒng)接觸參數(shù)、提升系統(tǒng)穩(wěn)定性提供依據(jù)。哈爾濱工程大學(xué)任正義等[90]探究了接觸應(yīng)力對飛輪轉(zhuǎn)子動力特性的影響，結(jié)果表明不同的過盈量對轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)有很大的影響；同時還進行了剛性飛輪轉(zhuǎn)子-基礎(chǔ)耦合系統(tǒng)的徑向振動分析。西安電子科技大學(xué)Xiang等[91]探究了飛輪儲能系統(tǒng)充放電過程控制，提出了一種復(fù)合控制模型，以提高響應(yīng)速度和輸出電壓精度。
4.2 關(guān)鍵技術(shù)
關(guān)鍵技術(shù)方面，國內(nèi)學(xué)者的研究重點在大儲能量飛輪本體、高速電機和調(diào)節(jié)控制技術(shù)等方面。中國科學(xué)院工程熱物理研究所突破了大儲能量飛輪及高速電機關(guān)鍵技術(shù)，完成了500 kW/180 MJ飛輪儲能工程樣機方案設(shè)計及關(guān)鍵部件研制。武漢理工大學(xué)劉鳴等[92]進行了磁懸浮飛輪中位移檢測信號工頻干擾分析及消除研究，提出一種變步長算法進行濾波處理和擾動消除可達到實時消除工頻干擾的效果。陳仲偉等[93]基于雙饋電機驅(qū)動的飛輪儲能多功能柔性功率調(diào)節(jié)器(FPC)設(shè)計了一套勵磁控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動，適合于帶飛輪儲能的雙饋電機勵磁控制系統(tǒng)。沈舒楠等[94]為解決飛輪儲能用電機齒槽轉(zhuǎn)矩大，高速運行時鐵芯損耗高的問題，提出一種外轉(zhuǎn)子無鐵芯無軸承永磁同步電機，相較于傳統(tǒng)的有鐵芯電機運行穩(wěn)定性更好。由中海油新能源二連浩特風(fēng)電有限公司牽頭，中國科學(xué)院工程熱物理研究所、清華大學(xué)等單位參與的內(nèi)蒙古自治區(qū)重大專項“MW級先進飛輪儲能關(guān)鍵技術(shù)研究”完成了系統(tǒng)方案設(shè)計及工程樣機研制，預(yù)計將于2022年并網(wǎng)發(fā)電。
4.3 集成示范
集成示范方面，國內(nèi)多個示范項目在2021年取得了突破。華陽集團兩套單機600 kW全磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)成功下線，將用于深圳地鐵再生制動能量回收。由沈陽微控新能源技術(shù)有限公司承建的風(fēng)電場站一次調(diào)頻和慣量響應(yīng)的飛輪儲能應(yīng)用項目順利通過并網(wǎng)前驗收，該項目坐落于大唐國際阜新風(fēng)電場。國家能源集團寧夏電力靈武公司光火儲耦合22 MW/4.5 MW·h飛輪儲能項目開工，該項目是國內(nèi)第一個全容量飛輪儲能-火電聯(lián)合調(diào)頻工程，實現(xiàn)大功率飛輪單體工程應(yīng)用。國電投坎德拉(北京)新能源有限公司MW級飛輪儲能系統(tǒng)成功交付，該項目飛輪儲能系統(tǒng)規(guī)模為1 MW/200 kW·h，將應(yīng)用于霍林河循環(huán)經(jīng)濟的“源網(wǎng)荷儲用”示范項目大規(guī)?；旌蟽δ芟到y(tǒng)。
5 鉛蓄電池
鉛蓄電池的特點是技術(shù)成熟、成本低、安全可靠，但是放電功率較低、壽命較短，鉛蓄電池的研發(fā)主要集中于鉛炭電池，通過在負(fù)極添加高活性的碳材料，可以有效抑制部分荷電態(tài)下因負(fù)極硫酸鹽化引起的容量快速衰減，并可以提高電池的快速充放電能力。
5.1 基礎(chǔ)研究
如何平衡好碳材料的兩面性，使其既能改善負(fù)極孔結(jié)構(gòu)，抑制硫酸鹽化，提升大電流充電接受能力，充分發(fā)揮其延長電池壽命的優(yōu)勢，又能使負(fù)極保持較高的析氫過電位，抑制析氫失水的負(fù)面作用，是近幾年基礎(chǔ)研究的主要方向。目前研究主要包括碳材料對負(fù)極活性物質(zhì)的作用機理、電化學(xué)效應(yīng)、結(jié)構(gòu)特性，碳添加于負(fù)極活性物質(zhì)的工藝、高倍率部分荷電態(tài)性能等方面。中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)所陳遠(yuǎn)強[95-96]分別采用聚吡咯/炭黑復(fù)合材料和聚苯胺/木素復(fù)合膨脹劑，以改善負(fù)極析氫問題及不可逆“硫酸鹽化”問題，最終顯著提高了鉛酸電池的循環(huán)壽命，其中采用聚吡咯(PPy)/炭黑(CB)復(fù)合材料電池循環(huán)壽命可達7578次，比對照組的電池(負(fù)極只添加CB)提高了約109%。
5.2 關(guān)鍵技術(shù)
高電化學(xué)活性和鉛炭兼容的新型碳材料方面，開發(fā)了適用于硫酸環(huán)境、大孔和中孔結(jié)構(gòu)合理、高的比表面利用率和良好的離子電導(dǎo)性的新型碳材料，良好的鉛炭相容性，使負(fù)極具備較高的析氫過電位，抑制析氫失水的副反應(yīng)。
在寬溫區(qū)、超長壽命、高能量轉(zhuǎn)換效率、低成本的鉛炭儲能電池方面，開發(fā)了負(fù)極長循環(huán)配方技術(shù)，抑制硫酸鹽化。開發(fā)更耐腐蝕的正極板柵合金，提升正極耐腐蝕壽命，并改善合金表面氧化層，提高界面導(dǎo)電性。
在高電壓大容量系統(tǒng)集成技術(shù)方面，實現(xiàn)了電池系統(tǒng)電壓高于1500 V，單簇系統(tǒng)容量高于3 MW·h，系統(tǒng)能量轉(zhuǎn)換效率不低于90%。
在鉛炭儲能系統(tǒng)集成技術(shù)及智能管理技術(shù)方面，突破了充放電智能管理技術(shù)，使電池運行在合理的區(qū)間內(nèi)，并延長系統(tǒng)使用壽命。
5.3 集成示范
與鋰離子電池相比，鉛炭電池的充放電速度慢，一般需要6～8 h以上才能實現(xiàn)容量的有效利用，而且能量密度低。鉛炭電池在經(jīng)過幾年的快速發(fā)展后目前趨于沉寂，但安全性高、回收率高的特點使其在場地要求不高、有較長的充放電工作周期等場合仍然是有競爭力的儲能技術(shù)。2021年，中國鐵塔和中國聯(lián)通通過公開招標(biāo)，分別采購了1.097 GW·h和1.089 GW·h鉛酸鉛炭電池。2020年并網(wǎng)的雉城(金陵變)12 MW/48 MW·h鉛炭儲能項目已實現(xiàn)正式運行。
6 鋰離子電池
鋰離子電池具有儲能密度高、充放電效率高、響應(yīng)速度快、產(chǎn)業(yè)鏈完整等優(yōu)點，是最近幾年發(fā)展最快的電化學(xué)儲能技術(shù)。2021年，我國鋰離子電池技術(shù)在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)集成等方面均取得了一系列重要進展。
6.1 基礎(chǔ)研究
基礎(chǔ)研究方面，關(guān)鍵電池材料和固態(tài)電池設(shè)計是當(dāng)前研發(fā)的熱點。在關(guān)鍵電池材料方面，復(fù)旦大學(xué)Shi等[97]成功研制了高性能的纖維鋰離子電池，通過揭示纖維鋰離子電池內(nèi)阻隨長度的變化規(guī)律，構(gòu)建出可以編織到紡織品中的新型纖維聚合物鋰離子電池。北京大學(xué)Liu等[98]提出了LiNi α Mn β X γ O2(X為單個或多個元素?fù)诫s)無Co正極候選材料。中國科學(xué)院物理研究所Yue等[99]報道了溶解氣體CO2作為界面形成添加劑，在保證鹽包水電解質(zhì)的寬電化學(xué)穩(wěn)定性窗口的前提下，減小了鋰鹽濃度帶來的高成本問題。新型固態(tài)電解質(zhì)開發(fā)方面，中國科技大學(xué)Wang等[100]報道了Li2ZrCl6新型電解質(zhì)體系，成本較低，可以液相法制備。航天811所Gao等[101]研制出高電化學(xué)穩(wěn)定性低成本的Li3Zr2Si2PO12，離子電導(dǎo)率達到了3.59 ×10-3 S/cm (20 ℃)。吉林大學(xué)Chi等[102]研制了超薄、高離子電導(dǎo)、高穩(wěn)定性的鋰離子交換沸石X(LiX)固態(tài)電解質(zhì)膜(LiXZM)。這三類固態(tài)電解質(zhì)材料具有重要的應(yīng)用價值，對于推動固態(tài)電池的發(fā)展具有十分重要的意義。
6.2 關(guān)鍵技術(shù)
在關(guān)鍵技術(shù)方面，正負(fù)極材料、快充技術(shù)、半固態(tài)電池技術(shù)等是當(dāng)前技術(shù)研發(fā)的重點。在正極材料方面，從短期發(fā)展來看，高鎳主流材料為NCM811，隨著對能量密度要求的進一步提升，Ni88、Ni90、Ni92 等正極材料已實現(xiàn)研發(fā)和量產(chǎn)，Ni96等超高鎳產(chǎn)品(鎳含量≥90%)正在研發(fā)中。高鎳/超高鎳搭配硅碳新型負(fù)極，電芯的質(zhì)量能量密度達到了350～400 W·h/kg。在負(fù)極材料方面，納米硅碳負(fù)極材料實現(xiàn)了高首效、長壽命、低膨脹。在快充技術(shù)方面，蜂巢新能源宣稱通過革新鋰電池正負(fù)極、電解液等關(guān)鍵材料，可實現(xiàn)充電10 min，續(xù)航400 km。在半固態(tài)電池研發(fā)方面，蔚來發(fā)布了基于原位固態(tài)化技術(shù)的 150 kW·h的動力鋰電池技術(shù)，電芯能量密度達360 W·h/kg以上，使得搭載該電池的ET7轎車單次充電續(xù)航達到1000 km以上。北京衛(wèi)藍(lán)新能源與浙江鋒鋰開發(fā)的混合固液電解質(zhì)鋰離子儲能電池也達到了一萬次的循環(huán)壽命，并實現(xiàn)了100 kW·h的小型儲能系統(tǒng)的示范。
6.3 集成示范
在系統(tǒng)集成方面，無模組技術(shù)(CTP，cell to pack)與比亞迪刀片電池的推廣，實現(xiàn)了磷酸鐵鋰系統(tǒng)能量密度提升到150 W·h/kg以上，并兼顧安全性。寧德時代在晉江建設(shè)的36 MW/108 MW·h基于鋰補償技術(shù)的磷酸鐵鋰儲能電池壽命達到1萬次，在福建省調(diào)頻和調(diào)峰應(yīng)用方面取得了較好的應(yīng)用效果。此外，寧德時代推出了將鋰離子電池和鈉離子電池集成到同一系統(tǒng)中的解決方案。蔚來汽車發(fā)布了三元正極與磷酸鐵鋰電芯混合排布的新電池包(75 kW·h)，構(gòu)成雙體系電池系統(tǒng)，可實現(xiàn)低溫續(xù)航損失降低25%，也有望未來用于規(guī)模儲能系統(tǒng)。
7 液流電池
液流電池具有安全性高、壽命長、規(guī)模大等優(yōu)點，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。據(jù)美國DOE預(yù)計，在儲能時長為4～10 h的電網(wǎng)規(guī)模儲能方面，液流電池儲能技術(shù)將具有比較優(yōu)勢。2021年，我國在液流電池研發(fā)領(lǐng)域開展了卓有成效的工作，并取得了重要的進展。
7.1 基礎(chǔ)研究
探索開發(fā)低成本、高能量密度的長壽命液流電池新體系，對于實現(xiàn)液流電池未來可持續(xù)發(fā)展具有較為重要的意義[103]。國內(nèi)多家單位包括中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)、南京大學(xué)、西安交通大學(xué)、華南理工大學(xué)、西湖大學(xué)、中國科學(xué)院金屬所等開展了包括有機系、多電子轉(zhuǎn)移水系的液流電池新體系的開發(fā)工作。西湖大學(xué)Xu等[104]利用分子工程修飾了吩嗪類有機氧化還原電對，基于此電對所構(gòu)建的水系有機液流電池具有良好的穩(wěn)定性。除有機外，以中國科學(xué)院為代表單位開展高能量密度多電子轉(zhuǎn)移水系液流電池的開發(fā)工作，開發(fā)出包括鋅錳[105]、鋅碘[106]、鈦錳[107]等多個體系(鋅錳和鋅碘的研究是2020年及以前的)。中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所Li等[108-109]首次引入機器學(xué)習(xí)方法用于預(yù)測全釩液流電池成本和性能，并建立液流電池用多孔膜溶劑處理后的性能預(yù)測模型。盡管如此，以上體系仍存在許多關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題需要解決[110-111]。
7.2 關(guān)鍵技術(shù)
面對雙碳背景下新型電力系統(tǒng)對儲能的重大需求，2021年我國在液流電池領(lǐng)域技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域投入明顯增加。以中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司、北京普能公司為代表的單位在新一代高功率密度全釩液流電池關(guān)鍵電堆技術(shù)以及高能量密度鋅基液流電池等方面取得重要進展。開發(fā)出新一代可焊接全釩液流電池技術(shù)，較傳統(tǒng)全釩液流電池，其膜材料選擇可焊接多孔離子傳導(dǎo)膜，雙極板采用可焊接雙極板，實現(xiàn)電堆的高效、自動化集成，系統(tǒng)可靠性進一步提高，電堆成本降低40%；全釩液流電池的單個電堆功率超過50 kW，單個儲能標(biāo)準(zhǔn)模組的功率達到500 kW，有望繼續(xù)增加到1 MW，這為降低系統(tǒng)集成成本、進一步推進液流電池產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要的意義。此外其他體系包括鋅基液流電池和鐵鉻液流電池等也取得重要成果，相繼開展了相關(guān)應(yīng)用示范。
7.3 集成示范
近年來隨著電網(wǎng)側(cè)對大規(guī)模、高安全、長時儲能技術(shù)的需求急劇增加，吸引了大量研究單位和企業(yè)從事全釩液流電池產(chǎn)業(yè)化的開發(fā)。國內(nèi)完成了多個標(biāo)志性全釩液流電池儲能電站示范項目，其中，融科儲能兩套10 MW/40 MW·h網(wǎng)源友好型風(fēng)場項目投運，北京普能交付了一套光伏、儲能戶外實證實驗平臺國家光伏、儲能實證實驗平臺(大慶基地)的全釩液流電池儲能系統(tǒng)，大連200 MW/800 MW·h全釩液流電池儲能調(diào)峰電站一期工程完成主體工程建設(shè)，進入單體模塊調(diào)試階段。此外，近期國內(nèi)簽約落地多個100 MW級全釩液流電池電站，國電投集團襄陽100 MW/500 MW·h，中廣核100 MW/200 MW·h全釩液流電池儲能電站等。
8 鈉離子電池
鈉離子電池是最接近鋰離子電池的化學(xué)儲能技術(shù)，雖然在儲能密度、技術(shù)成熟度等方面同鋰離子電池還有差距，但由于其資源豐富、低溫性能好、充放電速度快等優(yōu)點，特別是隨著鋰資源問題熱度的提高，鈉離子電池得到了儲能領(lǐng)域的高度關(guān)注。2021年，我國鈉離子電池在基礎(chǔ)研究、技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化方面，均取得了快速發(fā)展。
8.1 基礎(chǔ)研究
正極、負(fù)極和電解質(zhì)材料作為鈉離子電池的關(guān)鍵材料是當(dāng)前基礎(chǔ)研究的熱點方向[112-113]。正極材料研究主要分為三類：一是層狀過渡金屬氧化物(Na x MO2)，其可逆比容量高達190 mA·h/g，平均放電電壓一般為2.8～3.3 V，制備方法簡單，是工程化開發(fā)的首選正極材料體系[114]，研究發(fā)現(xiàn)陰離子氧化還原的引入可進一步提升材料的比容量[115]；二是聚陰離子類化合物，其具有開放的鈉離子擴散通道，平均電壓高達3.7 V，最具代表性的為氟磷酸釩鈉，其可逆比容量約120 mA·h/g，可實現(xiàn)室溫規(guī)模合成[116]，是一類重要的候選正極材料；三是普魯士藍(lán)類正極材料，其優(yōu)點包括可低溫合成、平均電壓可達3.4 V，可逆比容量為100～160 mA·h/g，具有低成本化潛力，目前研究較多的為鐵氰化物類[117]，但該類材料結(jié)晶水難以去除，壓實密度較低，制備過程污染大、規(guī)?；瘧?yīng)用還面臨一定難度。
在負(fù)極材料方面，目前接近實用化的是硬碳材料。無定形碳基材料因資源豐富、綜合性能優(yōu)異，有望近期實現(xiàn)應(yīng)用[118-119]。零應(yīng)變鈦基材料也獲得廣泛關(guān)注，其中Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2的可逆比容量約110 mA·h/g，循環(huán)性能優(yōu)異[120]。其他合金和轉(zhuǎn)換類負(fù)極因體積形變較大，有機類負(fù)極因溶解等問題短期內(nèi)尚難以實現(xiàn)應(yīng)用[121]。
在電解質(zhì)方面，目前仍沿用鋰離子電池在有機溶劑中加入鹽和添加劑的配方，因鈉離子具有較低的溶劑化能，使得使用低鹽濃度電解液進一步降低電池成本成為可能[122-123]。此外，在正負(fù)極材料與電解質(zhì)間獲得離子傳輸性能好且電子絕緣的薄而致密的固體電解質(zhì)界面膜也是研究的熱點和重點[124]。
8.2 關(guān)鍵技術(shù)
中國科學(xué)院物理所、寧德時代、上海交通大學(xué)等單位長期致力于鈉離子電池技術(shù)研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，在正極、負(fù)極、電解質(zhì)等關(guān)鍵材料以及鈉離子電芯和應(yīng)用系統(tǒng)等方面取得多項研究成果。2021年，我國鈉離子電池單體電池和電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)方面取得了多項重要進展，包括低成本及高性能正負(fù)極核心材料制備放大技術(shù)、電解液/隔膜體系優(yōu)選技術(shù)、電芯安全可靠性設(shè)計技術(shù)、高安全、高倍率和寬溫電芯設(shè)計制造技術(shù)、電池正負(fù)極材料的評價技術(shù)、大圓柱及大方形鋁殼電芯的制造工藝技術(shù)、電池的安全性設(shè)計與評價技術(shù)、電池大規(guī)模篩選及成組技術(shù)等，并建立了失效分析數(shù)據(jù)庫。鈉離子電池的能量密度已達到145 W·h/kg；2C/2C倍率下循環(huán)4500次后容量保持率>83%[125-126]。2021年，中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源等企業(yè)建成了百噸級鈉離子電池正極、負(fù)極和電解液材料中試生產(chǎn)線，中科海鈉還正在建設(shè)千噸級負(fù)極材料生產(chǎn)線和電芯線。寧德時代(CATL)發(fā)布了鈉離子電池技術(shù)，該技術(shù)以普魯士白為正極、硬碳為負(fù)極，預(yù)計能量密度可達160 W·h/kg，引起儲能領(lǐng)域廣泛關(guān)注。
8.3 集成示范
2021年，在中國科學(xué)院A類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項大規(guī)模儲能關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用示范項目的支持下，中國科學(xué)院物理所與中科海鈉在山西太原綜改區(qū)推出了全球首套1 MW·h鈉離子電池光儲充智能微網(wǎng)示范系統(tǒng)，并成功投入運行。此次鈉離子電池示范系統(tǒng)的研制成功，以及寧德時代鈉離子電池技術(shù)的發(fā)布，標(biāo)志著我國鈉離子電池技術(shù)已走在了世界前列。中科海鈉、鈉創(chuàng)新能源、佰思格、眾鈉科技等鈉離子電池初創(chuàng)企業(yè)也順利完成其融資計劃，為鈉離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。
9 超級電容器
超級電容器是一種重要的功率型儲能器件，具有功率密度高、循環(huán)壽命長、充放電速度快等優(yōu)點，在智能電網(wǎng)、軌道交通、新能源汽車、工業(yè)裝備以及消費類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用市場。2021年，我國在超級電容器的基礎(chǔ)研究、單體制備技術(shù)、成組管控技術(shù)、系統(tǒng)集成與應(yīng)用等方面取得了重要進展。
9.1 基礎(chǔ)研究
電極材料、水系超級電容器、柔性超級電容器、金屬離子電容器等是目前超級電容器基礎(chǔ)研究的重點方向[127-128]。在電極材料方面，石墨烯或石墨烯復(fù)合材料仍然是研究的熱點。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)Wu等[129]利用電化學(xué)石英晶體微天平技術(shù)研究了溶劑化離子液體在單層石墨烯表面的電化學(xué)雙電層響應(yīng)機制。MXene作為一種新型二維過渡金屬碳化物，具有超高的導(dǎo)電性、高的理論比容量以及高本征密度等特點。天津大學(xué)Wu等[130]利用MXene水凝膠構(gòu)建柔性多孔膜實現(xiàn)高倍率致密儲能，在功率密度高達41.5 kW/L時，基于電極材料的能量密度仍能保持21 W·h/L，是目前文獻報道的水系對稱型超級電容器的最高值。金屬離子電容器包括鋰離子電容器、鈉離子電容器、鉀離子電容器和鋅離子電容器等，由于金屬離子電容器具有更高的能量密度被譽為是下一代超級電容器，備受研究人員關(guān)注。中國科學(xué)院電工研究所An等[131]提出了一種基于自蔓延高溫合成規(guī)模化制備石墨烯/碳復(fù)合材料的通用方法，通過正負(fù)極碳材料同時修飾石墨烯后比容量和倍率都得到提升，并基于此研制出1100 F軟包裝鋰離子電容器，基于器件質(zhì)量的能量密度高達31.5 W·h/kg，優(yōu)于目前已商業(yè)化的鋰離子電容器。
9.2 關(guān)鍵技術(shù)
在活性炭材料制備技術(shù)方面，河南大潮炭能科技公司等開發(fā)出木質(zhì)活性炭功能化定向調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)，圍繞活性炭有效孔結(jié)構(gòu)和表面活性中心定向調(diào)控，突破了水蒸氣梯級活化、熱解自活化、催化活化和氣氛介導(dǎo)綠色活化等關(guān)鍵技術(shù)。
在集流體技術(shù)方面，清華大學(xué)聯(lián)合中天科技等公司，建立了物理沉積鋁-氧化去除模板-梯度退火的泡沫鋁制備技術(shù)路線，搭建了國際首套連續(xù)沉積、一體化制備裝備與生產(chǎn)線，實現(xiàn)了寬幅達500 mm、厚度1～2 mm泡沫鋁的產(chǎn)線制備，在超級電容器、高功率鋰離子電池等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用前景。
在負(fù)極技術(shù)方面，中國科學(xué)院電工研究所Sun等[132]融合內(nèi)部短路預(yù)嵌鋰和電化學(xué)預(yù)嵌鋰，提出了一種新的電化學(xué)負(fù)極預(yù)嵌鋰方法可以大幅縮短預(yù)嵌鋰時間、提高預(yù)嵌鋰效率。復(fù)旦大學(xué)Yin等[133]開發(fā)出TiNb2O7與石墨復(fù)合的高功率負(fù)極，配合優(yōu)化的電解液技術(shù)，實現(xiàn)了-60～55 ℃全氣候溫區(qū)工作的鋰離子電容器。
9.3 集成示范
2021年，國網(wǎng)江蘇省電力有限公司自主研制的國內(nèi)首套變電站超級電容微儲能裝置在南京江北新區(qū)110 kV虎橋變電站投運，超級電容器由烯晶碳能電子科技無錫有限公司提供；西安合容新能源科技有限公司制備的超級電容器儲能系統(tǒng)應(yīng)用于連云港自貿(mào)區(qū)-直流電壓波動治理系統(tǒng)，該超級電容器儲能系統(tǒng)是國內(nèi)首次針對直流微網(wǎng)的應(yīng)用。此外，超級電容器在新能源交通領(lǐng)域也取得了示范應(yīng)用，由中國船舶重工集團公司設(shè)計研發(fā)的全國首艘超級電容新能源車客渡船下水試航，采用的上海奧威科技開發(fā)有限公司的超級電容器作為船舶動力電源。全球首批335 t智能無人魚雷車在大連華銳重工集團交付，項目采用了上海奧威科技研發(fā)生產(chǎn)的超級電容作為動力電源。
10 其他新技術(shù)
除以上儲能技術(shù)外，研究者們開展了多種儲能新概念、新材料和新體系的探索與研究，發(fā)展了系列儲能新體系，為規(guī)模儲能應(yīng)用提供了可能的技術(shù)選項。近年來，具有代表性的有液態(tài)金屬電池、多價金屬離子電池、水系電池等，這里做簡要介紹。
10.1 液態(tài)金屬電池
液態(tài)金屬電池采用液態(tài)金屬和熔融無機鹽作為電極和電解質(zhì)，具有長壽命、低成本、易放大等優(yōu)勢，在規(guī)模電力儲能應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊前景。近年來，液態(tài)金屬電池技術(shù)得到研究者的廣泛關(guān)注。針對傳統(tǒng)Sb基電極運行溫度高，材料利用率低的問題，2014年NATURE[134]報道了基于合金化電極設(shè)計思路的新型Li||SbPb電池體系，將工作溫度從700 ℃降至450 ℃，有效推動了液態(tài)金屬電池的實用化。2016年，華中科技大學(xué)Li等[135-136]提出了環(huán)境友好的Li||SbSn液態(tài)金屬電池新體系，揭示了液態(tài)合金電極的放電機制，設(shè)計實現(xiàn)了高電壓Li||TeSn體系[137]和高比能Li||Sb固液復(fù)合電池新體系[138]，實現(xiàn)了電極體系能量密度的重大突破(495 W·h/kg)。同時，西安交通大學(xué)與北京科技大學(xué)等團隊[139-140]在液態(tài)金屬電池創(chuàng)新材料體系等方面開展了系列研究，開發(fā)了Li||BiSb、Li||BiSbSn等液態(tài)金屬電池新材料體系。2018年以來，華中科技大學(xué)等單位在國家重點研發(fā)計劃項目“液態(tài)金屬儲能技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)研究”的支持下，研究團隊在電池特性與系統(tǒng)構(gòu)建方面開展了深入研究，建立多場耦合大尺寸液-液界面的動態(tài)特性模型，提出大容量電池界面穩(wěn)定調(diào)控技術(shù)，實現(xiàn)了電池容量從2 A·h到400 A·h的放大；開發(fā)了表面陶瓷金屬梯度化設(shè)計工藝，突破了液態(tài)金屬電池高溫密封絕緣關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了大容量電池的長效封裝；針對液態(tài)金屬電池低電壓、大電流特性，提出了雙等效電路融合模型，建立了包含模型參數(shù)與SOC作為可估計狀態(tài)的狀態(tài)空間方程，實現(xiàn)了液態(tài)金屬電池SOC的精準(zhǔn)估計[141-142]；在電池系統(tǒng)構(gòu)建方面，構(gòu)建了5.5 kW·h的電池組三維傳熱模塊耦合一維電化學(xué)模型[143]，實現(xiàn)了5 kW/18 kW·h液態(tài)金屬電池儲能系統(tǒng)，為液態(tài)金屬電池儲能技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展提供了支撐。
10.2 多價金屬離子電池
多價金屬離子電池主要包括了鎂、鋁和鋅離子電池等。這類電池充放電過程中的陽離子脫嵌伴隨著多個電子轉(zhuǎn)移，且鎂、鋁與鋅等元素在地殼中儲量豐富、成本低廉、清潔環(huán)保，在規(guī)模儲能領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景。
鎂離子電池方面，關(guān)鍵在于發(fā)展高性能、無腐蝕性、價格低廉的鎂離子電解液 [144]。青島能源所崔光磊等[145]以MgF2為前體，開發(fā)了非親核，無腐蝕性鎂離子電解液，實現(xiàn)了鎂硫電池的穩(wěn)定循環(huán)。進一步針對MACC體系中AlCl3與硫的親核副反應(yīng)導(dǎo)致電池不可逆的問題，清華大學(xué)張躍剛教授[146]將YCl3應(yīng)用于MACC體系，顯著提高了鎂硫電池的電化學(xué)循環(huán)穩(wěn)定性。
鋁離子電池方面，近年來國內(nèi)外多個研究團隊對正極材料(石墨、硫系、過渡金屬化合物、有機物等)、負(fù)極材料(金屬鋁、鋁基合金等)以及電解質(zhì)等進行了一系列研究[147]。其中，正極材料是制約鋁離子電池性能的關(guān)鍵。北京科技大學(xué)Sun等[148]利用石墨化碳紙正極，離子液體為電解液，實現(xiàn)了可逆性良好的高電壓(約2 V)新型鋁-碳電池。隨后，進一步發(fā)展了鋁-硫、鋁-硒、鋁-碲、鋁-過渡金屬硫族化合物等系列以及鋁離子固態(tài)電池，為實現(xiàn)超高容量提供了新途徑[149]。
鋅離子電池具有成本低廉、安全性好，特別是基于水溶液體系的鋅離子電池近年來備受研究者關(guān)注。水系鋅離子電池的正極材料主要包括錳基氧化物、普魯士藍(lán)衍生物、釩基氧化物、聚陰離子化合物等。負(fù)極方面，金屬鋅的枝晶問題以及溶解-沉積庫侖效率低嚴(yán)重限制了實際應(yīng)用?，F(xiàn)階段，抑制鋅枝晶生長的主要策略包括：構(gòu)建三維導(dǎo)電基底，調(diào)控鋅的成核與生長[146]；采用電解液添加劑延緩鋅枝晶的生長；設(shè)計高濃電解液，降低電解液與鋅離子的反應(yīng)活性，提高電極穩(wěn)定性等。
10.3 水系電池
水系電池是指基于水系電解液的電池的統(tǒng)稱。它是采用阻燃的水系電解液代替易燃易爆的有機電解液，具有高安全性、無毒環(huán)保、低成本等潛力，是近年研究的熱點。水系鋰離子電池、水系鈉離子電池，以及上文提到的水系鋅離子電池是目前研究的主要方向。目前，水系電池主要受到窗口電壓窄、電極副反應(yīng)導(dǎo)致循環(huán)穩(wěn)定性差等問題的限制，近年來研究者們對正、負(fù)極材料、電解液以及儲能機制等進行了大量研究。通過在石墨中鹵素的轉(zhuǎn)換-嵌入化學(xué)，構(gòu)建了 4 V級的水系鋰離子全電池，能量密度高達460 W·h/kg[150]；此外，通過電解液添加劑、新型鹽包水結(jié)構(gòu)[151]和水/有機共溶劑結(jié)構(gòu)[152]的水系電解液也實現(xiàn)了電化學(xué)窗口的拓寬，大大提高了能量密度和循環(huán)穩(wěn)定性；鋅負(fù)極方面，通過多孔結(jié)構(gòu)基底修飾[153]、原位SEI層保護[154]等方法可以實現(xiàn)鋅的無枝晶沉積和循環(huán)壽命的大幅提升。此外，華中科技大學(xué)開發(fā)了嵌入式儲鋅負(fù)極Na0.14TiS2、Cu2-xTe等，構(gòu)建了“搖椅式”水溶液鋅離子電池[149-150]，有望從機理上解決鋅枝晶問題[155-156]。
11 集成技術(shù)
2021年，隨著以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略的實施，儲能在整個電力系統(tǒng)中的戰(zhàn)略地位得到進一步凸顯，為了適應(yīng)其發(fā)展需求，儲能系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)也進入快速發(fā)展的階段。由于化學(xué)電池系統(tǒng)的復(fù)雜性，本文的集成技術(shù)主要指化學(xué)電池的集成技術(shù)，關(guān)于物理儲能的集成技術(shù)，相關(guān)文獻較少，本文暫不評述。
11.1 基礎(chǔ)研究
在PCS方面，1500 V集中式PCS成為市場主流產(chǎn)品，行業(yè)的研究主要方向為1500 V+液冷電池系統(tǒng)集成。為實現(xiàn)電池的精細(xì)化管理，集中式PCS+DC/DC方案和組串式PCS的系統(tǒng)優(yōu)化方案，甚至在電池簇內(nèi)部增加電力電子優(yōu)化設(shè)備的方案也是目前行業(yè)研究方向，但目前難點是需要在性能改善和系統(tǒng)成本增加之間取得平衡。除此之外，正在研究更高直流電壓等級的儲能系統(tǒng)集成方案，有望進一步提升能量和功率密度，提高系統(tǒng)循環(huán)效率，同時降低儲能系統(tǒng)成本。
在BMS方面，其主要功能是實時檢測儲能系統(tǒng)中電池的參數(shù)，進行電池狀態(tài)SOX(SOC/SOH/SOP/SOE等)計算，實現(xiàn)故障告警、保護和均衡管理等。目前BMS的研究主要集中在電池建模仿真和SOX算法。當(dāng)前電池模型研究以不同SOH階段與工況模式下的動態(tài)參數(shù)辨識與參數(shù)優(yōu)化為主流，通過多維信號采集以及歷史數(shù)據(jù)分析，動態(tài)調(diào)整電池參數(shù)，提升SOC的估計精度，在電池性能、安全與壽命中進行最佳尋優(yōu)。另外，結(jié)合云端大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺，開發(fā)云端BMS，以實現(xiàn)全生命周期下電池特性變化的精確控制。
從整個儲能系統(tǒng)的組成來看，EMS是整套控制系統(tǒng)的核心，其包括數(shù)據(jù)采集、網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控、能量調(diào)度和數(shù)據(jù)分析四個功能，主要用于儲能系統(tǒng)的能量控制和功率平衡維持，以保證系統(tǒng)的正常運行。為了實現(xiàn)毫秒級控制和響應(yīng)，多種快速響應(yīng)的總線架構(gòu)，比如EtherCAT，被廣泛應(yīng)用于監(jiān)控系統(tǒng)快速控制網(wǎng)。同時基于HTML5等技術(shù)開發(fā)的SCADA系統(tǒng)，針對儲能系統(tǒng)具備電芯級監(jiān)控和高速故障錄波功能，可以應(yīng)用大數(shù)據(jù)技術(shù)進行故障預(yù)測、功率預(yù)測、壽命分析，確保系統(tǒng)安全和合理收益。
11.2 關(guān)鍵技術(shù)
為了保障儲能系統(tǒng)全生命周期的安全性，需要從電芯本體、模組、插箱、電池簇、儲能系統(tǒng)逐級進行全面的系統(tǒng)設(shè)計，將熱管理系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)和消防管理系統(tǒng)聯(lián)動形成立體的預(yù)警系統(tǒng)。研發(fā)智能診斷技術(shù)，通過本地的海量級電芯級的電壓、電流、溫度及內(nèi)阻，PCS的歷史運行數(shù)據(jù)在線監(jiān)測和本地分析，實時對儲能系統(tǒng)的健康度進行大數(shù)據(jù)分析，通過智能算法提前偵測和發(fā)現(xiàn)病態(tài)電芯和異常部件，及時提供主動預(yù)警和提前介入運維，以保障儲能系統(tǒng)全生命周期的安全可靠運行。
通過將電池系統(tǒng)和PCS進行深度一體化設(shè)計，為儲能對新型電力系統(tǒng)的搭建提供支撐，主要包括有功快速響應(yīng)、滿無功支撐、一次調(diào)頻/二次調(diào)頻功能、電網(wǎng)黑啟動、獨立建網(wǎng)技術(shù)、電網(wǎng)異常下的低穿高穿頻率異常穿越技術(shù)、虛擬同步機技術(shù)實現(xiàn)對電網(wǎng)的慣量支撐、弱網(wǎng)接入技術(shù)等，解決新型電力系統(tǒng)中由于新能源滲透率提高帶來的慣量日益降低和電網(wǎng)穩(wěn)定風(fēng)險。
在已有成熟風(fēng)冷技術(shù)上引入高效智能溫控技術(shù)，通過液冷技術(shù)改善儲能系統(tǒng)的溫升和溫差控制精確度，降低溫度不一致導(dǎo)致的電芯間的不一致，延長電池系統(tǒng)循環(huán)壽命。相比傳統(tǒng)空調(diào)風(fēng)冷，液冷技術(shù)輔助能耗降低超過30%，循環(huán)壽命提升20%以上，集裝箱級別溫差控制在3 ℃以內(nèi)，能量密度和功率密度的提升進一步降低了系統(tǒng)的初始投資和運維成本。
11.3 集成示范
國家電投海陽100 MW/200 MW·h儲能電站項目，采用了高能量密度1500 V磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)，采用高效的智能能量管理系統(tǒng)及大數(shù)據(jù)運維管理體系，具有保護、控制、通信、測量等功能，可實現(xiàn)對儲能系統(tǒng)的全功能綜合自動化管理。三峽烏蘭察布新一代電網(wǎng)友好綠色電站示范項目，儲能系統(tǒng)規(guī)模70 MW/140 MW·h，該系統(tǒng)采用“防護消泄”四重安全設(shè)計理念，實現(xiàn)高效精準(zhǔn)預(yù)測、消防，實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運行。該項目建成投運后將對我國探索源網(wǎng)荷儲一體化實施路徑，促進儲能在大規(guī)模多場景中的深入應(yīng)用起到重要示范作用。
12 消防安全技術(shù)
化學(xué)儲能的安全性，一直是規(guī)模儲能領(lǐng)域關(guān)注的熱點和焦點問題之一。2021年，我國在化學(xué)電池火災(zāi)發(fā)生機理、滅火機理與規(guī)律、預(yù)警技術(shù)等方面，取得了一系列進展。
12.1 基礎(chǔ)研究
2021年，大型磷酸鐵鋰電池的安全性是鋰電池安全研究的重點。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位對磷酸鐵鋰電池的火災(zāi)危險性進行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)在不存在點火源的情況下，磷酸鐵鋰電池的熱失控過程一般不會燃燒，僅伴隨劇烈的產(chǎn)煙產(chǎn)氣行為。而在有點火源的情況下，即使0%SOC的電池仍會發(fā)生熱失控著火燃燒現(xiàn)象，電池在安全閥打開后會出現(xiàn)短暫的爆燃[157]。而隨著儲能電池容量的增加，電池廠家一般做成內(nèi)部兩個或多個卷芯，因此也出現(xiàn)了熱失控階段的兩個或多個熱釋放速率峰值?；鹧婵梢约铀贌崾Э氐陌l(fā)生，但對電池特征溫度的影響較小。與小型電池相比，大容量電池的最高表面溫度和標(biāo)準(zhǔn)化熱釋放速率峰值更小，表現(xiàn)出相對優(yōu)越的熱安全性[158]。
在大型磷酸鐵鋰儲能電池的滅火方面，多應(yīng)用全氟己酮(C6F12O)等新型絕緣氣體滅火劑，全氟己酮的施加可以高效降低電池的燃燒熱，有效地?fù)錅缌姿徼F鋰電池的火災(zāi)。但是全氟己酮的化學(xué)抑制效果在滅火劑用量較高時趨于飽和，針對全氟己酮的用量，學(xué)者基于滅火效果、降溫效果及體系毒性，提出了全氟己酮用量綜合篩選方法，在給定的實驗條件下其較優(yōu)的全氟己酮用量為2.9 g/W·h[159]。此外，由于氣體滅火劑較差的降溫效果，導(dǎo)致滅火劑用完后電池溫度仍有大幅回升，有復(fù)燃的隱患，因此學(xué)者們又從滅火劑施加方式上進行優(yōu)化，提出了一種全氟己酮間歇噴霧冷卻策略[160]，通過控制滅火劑施加的占空比(噴霧時間占噴霧周期的比例)，可比一次施加更有效地降低電池溫度，減少CO和CO2的產(chǎn)量并降低熱釋放速率，更加有效地?fù)錅缌姿徼F鋰電池的火災(zāi)，給定實驗條件下的占空比為55.4%時可獲得最佳噴霧效率。
12.2 關(guān)鍵技術(shù)
在熱管理技術(shù)方面，為了改善傳統(tǒng)單一熱管理手段，研究者們對換熱結(jié)構(gòu)[161]、系統(tǒng)能耗等方面進行改進，實現(xiàn)了熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化。與此同時，由于鋰離子電池高倍率充放電的應(yīng)用場景越來越廣泛，混合式的熱管理技術(shù)也成為了研究的熱點。這其中包括內(nèi)翅片與風(fēng)冷的結(jié)合[162-163]、液冷與熱管[164]等多種技術(shù)協(xié)同作用的混合式熱管理系統(tǒng)。
在預(yù)警技術(shù)方面，發(fā)展了多種機器學(xué)習(xí)算法，優(yōu)化了傳統(tǒng)的BMS預(yù)警與熱失控溫度預(yù)警信號處理算法[165]，降低了傳統(tǒng)預(yù)警方法的誤報率。監(jiān)測了負(fù)極析出的鋰與黏結(jié)劑反應(yīng)產(chǎn)生的氫氣，探索了基于氫氣的熱失控提前預(yù)警技術(shù)[166]。除此以外，還發(fā)展了耦合電池表面溫度、CO氣體濃度、VOC濃度及環(huán)境溫度的多信息融合的分級預(yù)警策略，實現(xiàn)了鋰離子電池?zé)崾Э匕l(fā)生15 min前預(yù)警，為熱失控防控提供應(yīng)急處置時間[167]。
在滅火技術(shù)方面，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)對傳統(tǒng)的滅火方式進行了改進，采用間歇噴霧模式[160]釋放滅火劑，不但降低了滅火劑用量而且提高了滅火效率。除此以外，新型的絕緣滅火劑如全氟己酮[159]、液氮[168]等也引起了研究者們的重視，發(fā)現(xiàn)這些絕緣滅火劑在鋰離子電池火災(zāi)中具有較好的應(yīng)用效果。
當(dāng)然，這三種技術(shù)并非獨立發(fā)展，有的學(xué)者甚至將這三種技術(shù)集成為一體化系統(tǒng)，實現(xiàn)了全溫度范圍內(nèi)的消防技術(shù)與該系統(tǒng)的輕量化與低成本，比如基于全氟己酮噴霧鋰離子電池?zé)峁芾砼c熱失控抑制的閉環(huán)系統(tǒng)[169]。
12.3 集成示范
上述關(guān)鍵技術(shù)在新建的儲能示范項目中得到推廣應(yīng)用。三峽新能源烏蘭察布源網(wǎng)荷儲示范項目投運，項目采用了多信息融合的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)和全氟己酮程控噴射技術(shù)。通過對鋰電池?zé)岚踩珷顟B(tài)進行持續(xù)監(jiān)測和及時抑制，防止電池火復(fù)燃的現(xiàn)象發(fā)生，從而實現(xiàn)長期抑制火情和系統(tǒng)降溫的效果。該消防技術(shù)還應(yīng)用于用戶側(cè)儲能系統(tǒng)，如連云港華樂合金集團有限公司儲能。程控噴射消防技術(shù)也走出國門，實現(xiàn)技術(shù)輸出，如青山集團印度尼西亞大K島55 MW/55 MW·h鋰電儲能系統(tǒng)的消防方案，也采用上述消防技術(shù)。
13 綜合分析
13.1 基礎(chǔ)研究
圖1給出了依據(jù)“Web of Science”核心數(shù)據(jù)庫，以“Energy Storage”為主題詞統(tǒng)計的2021年度中國機構(gòu)和學(xué)者關(guān)于儲能技術(shù)發(fā)表的SCI論文數(shù)。從圖中可以看出，2021年，中國機構(gòu)和學(xué)者共發(fā)表SCI論文11949篇，其中鋰離子電池、儲熱(包括儲冷)、超級電容器、鈉離子電池的SCI論文數(shù)超過1000篇，為當(dāng)前我國儲能領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的熱門方向?？傮w上化學(xué)儲能的SCI論文數(shù)明顯高于物理儲能。這主要是關(guān)于儲能材料的發(fā)表論文數(shù)非常高，達到4581篇，化學(xué)儲能的材料研究明顯比物理儲能活躍；同時，鋰離子電池、儲熱、超級電容器、鈉離子電池這四種儲能技術(shù)的材料研究也最為活躍。
圖2給出了依據(jù)“Web of Science”核心數(shù)據(jù)庫，以“Energy Storage”為主題詞統(tǒng)計的2021年度世界主要國家關(guān)于儲能技術(shù)發(fā)表的SCI論文數(shù)。從圖中可以看出，2021年，全世界共發(fā)表儲能技術(shù)相關(guān)SCI論文26510篇，其中中國、美國、印度、韓國、德國、英國和澳大利亞7個國家發(fā)表的論文數(shù)超過1000篇。中國機構(gòu)和學(xué)者共發(fā)表SCI論文11949篇，居世界第一位，遙遙領(lǐng)先于第二位美國的3336篇和第三位印度的2420篇，且超過了第二到第七位發(fā)表論文的總和，中國已經(jīng)成為全球儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究最活躍的國家。綜合分析當(dāng)今世界儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究先進國家的格局，基本上包含兩類國家：一類是美國、德國、英國和澳大利亞為代表的西方發(fā)達國家；第二類為中國、印度和韓國為代表的新興國家。在分項技術(shù)方面，在圖1所列出的所有單項技術(shù)，包括抽水蓄能、壓縮空氣、儲熱、飛輪、鉛電池、鋰離子電池、鈉離子電池、液流電池、超級電容器、液態(tài)金屬、金屬離子電池和水系電池，中國機構(gòu)和學(xué)者在2021年發(fā)表的SCI論文數(shù)均居世界第一。
圖3給出了依據(jù)“Web of Science”核心數(shù)據(jù)庫，以“Energy Storage”為主題詞統(tǒng)計的2010—2021年世界主要國家關(guān)于儲能技術(shù)發(fā)表的SCI論文數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果，2010年以來全世界共發(fā)表儲能技術(shù)相關(guān)SCI論文184248篇，其中中國、美國、印度、韓國、德國、英國、澳大利亞、意大利、日本和法國位列前10位，且這十個國家2010年以來發(fā)表的儲能相關(guān)SCI論文數(shù)均超過6000篇。從發(fā)展趨勢看，一方面，相比2010年，所有10個國家發(fā)表的儲能相關(guān)SCI論文數(shù)均大幅增加。比如美國從2010年的1223篇增加到2021年的3336篇，中國從2010年的684篇增加到2021年的11949篇。另一方面，這10個主要國家可以分為兩類：一類是美國、德國、英國、澳大利亞、意大利、日本和法國7個發(fā)達國家，它們的儲能相關(guān)SCI論文數(shù)大致經(jīng)歷了兩個時期，即從2010—2016年的快速增長期和2017年開始的基本穩(wěn)定期；第二類為中國、印度和韓國這三個新興國家，它們的儲能相關(guān)SCI論文數(shù)自2010年以來一直在增長，目前仍保持明顯的上升趨勢。第三方面，比較中美兩國的儲能相關(guān)SCI論文數(shù)可以看出，2010年中國的SCI論文數(shù)只有美國的50%左右，但到2013以后中國已超過美國成為全球儲能相關(guān)SCI論文數(shù)的第一大國，特別是2017年以后美國每年的儲能相關(guān)SCI論文數(shù)基本穩(wěn)定在3500篇左右，而中國同期每年發(fā)表的儲能SCI論文數(shù)仍然在大幅增長，從2017年的7074篇增加到2021年11949篇，這同中國政府和企業(yè)在“十二五”和“十三五”期間加大對儲能技術(shù)研發(fā)支持力度的情況是完全吻合的。
13.2 關(guān)鍵技術(shù)
表1給出了2021年中國儲能關(guān)鍵技術(shù)進展的總結(jié)。從表中可見，2021年我國主要儲能技術(shù)研發(fā)均取得了重要進展，綜合分析大致可以分為三類。
表1 2021年中國儲能技術(shù)與示范進展
13.3 集成示范
表1同時給出了2021年中國儲能集成示范進展的總結(jié)。從表中可見，2021年我國主要儲能技術(shù)的集成示范均取得了重要進展，綜合分析大致可以分為三類。
第一類為系統(tǒng)規(guī)模提升或者性能提升的集成示范，主要包括抽水蓄能、鋰離子電池、壓縮空氣儲能和儲熱儲冷等。第二類為驗證關(guān)鍵技術(shù)突破的集成示范，主要包括鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等。第三類為該類技術(shù)的首次集成示范，主要包括鈉離子電池、超級電容器等。
根據(jù)中國能源研究會儲能專委會/中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的不完全統(tǒng)計，截止到2021年底，中國已投運的儲能項目累計裝機容量(包括物理儲能、電化學(xué)儲能以及儲熱)達到45.75 GW，同比增長29%[1]。圖4給出了2021年我國新增儲能裝機容量，可見我國電力儲能裝機繼續(xù)保持高速增長，同比增長220%，新增投運規(guī)模達10.19 GW，其中，抽水蓄能規(guī)模最大，為8.05 GW；鋰離子電池排第二位，投運規(guī)模達到1.84 GW；壓縮空氣儲能新增投運規(guī)模大幅提升，達到170 MW，是其2020年底前累計規(guī)模的15倍；儲熱儲冷和液流電池裝機也分別新增100 MW和23 MW裝機規(guī)模。
如圖5所示，綜合分析各儲能技術(shù)2021年的新增裝機容量，各種儲能技術(shù)大致可以分為四個梯隊。第一梯隊為抽水蓄能，單機規(guī)模100 MW以上，占2021年全國儲能新增裝機的79%左右；第二梯隊為鋰離子電池、壓縮空氣儲能、液流電池、鉛蓄電池和儲熱儲冷技術(shù)，單機規(guī)?？蛇_10～100 MW，其中鋰離子電池新增裝機達到18%，未來有可能形成單獨的一個梯隊；第三梯隊為鈉離子電池、飛輪儲能和超級電容器，目前單機規(guī)模可以達到MW級，其中鈉離子發(fā)展受關(guān)注最多，經(jīng)過一段時間的發(fā)展有可能未來進入第二梯隊；第四梯隊為液態(tài)金屬、金屬離子電池和水系電池等新型儲能技術(shù)，需要進一步的研發(fā)，以盡早實現(xiàn)集成示范和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
圖6給出了2021年中國和世界儲能技術(shù)水平對比。從圖中可見，經(jīng)過“十二五”和“十三五”期間國家和產(chǎn)業(yè)的持續(xù)投入，中國儲能技術(shù)的水平快速提升，壓縮空氣儲能、儲熱儲冷、鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池和鈉離子電池技術(shù)已達到或接近世界先進水平；抽水蓄能、飛輪儲能、超級電容器和儲能新技術(shù)和世界先進水平還有一定的差距，但總體上差距在逐步縮小。
14 結(jié)論與展望
2021年，中國儲能技術(shù)在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范方面均取得了重要進展。這一年，中國機構(gòu)和學(xué)者發(fā)表SCI論文11949篇，居世界第一位，且遙遙領(lǐng)先于第二位美國，中國已經(jīng)成為全球儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究最活躍的國家。在關(guān)鍵技術(shù)和集成示范方面，各主要儲能技術(shù)也均取得重要進展，中國已成為世界儲能技術(shù)研發(fā)和示范的主要核心國家之一。
（1）物理儲能方面：在抽水蓄能方面，我國在超高水頭、超大容量抽水蓄能電站施工建設(shè)、設(shè)計制造、安裝調(diào)試等方面實現(xiàn)跨越式發(fā)展。在定速抽水蓄能技術(shù)方面實現(xiàn)了從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變，達到了世界領(lǐng)先水平；在變速抽水蓄能技術(shù)方面，我國仍處于探索研究階段，目前雖然取得了一些成果，和國外技術(shù)尚有較大差距。
在壓縮空氣儲能方面，我國在10～100 MW壓縮空氣儲能系統(tǒng)方面取得了多個里程碑式的進展。特別是中國科學(xué)院工程熱物理所的張家口國際首套100 MW先進壓縮空氣儲能國家示范項目并網(wǎng)帶電調(diào)試，標(biāo)志我國在壓縮空氣儲能領(lǐng)域已達到國際引領(lǐng)水平。
在儲熱儲冷方面，雙碳戰(zhàn)略對儲熱提出了更多需求。高溫熔鹽儲熱、大容量跨季節(jié)儲熱和儲冷、熱泵儲熱/卡諾電池以及各種化學(xué)儲熱是當(dāng)前儲熱研究的熱點。
在飛輪儲能方面，今年大容量功率型飛輪儲能的自主研發(fā)取得了階段性進展，縮小了與國際先進水平的差距，為將來10 MW級及以上功率等級的飛輪陣列儲能示范電站建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。
（2）化學(xué)儲能方面：在鉛蓄電池方面，技術(shù)研發(fā)主要集中于鉛炭電池，通過在負(fù)極添加高活性的碳材料，有效抑制負(fù)極硫酸鹽化引起的容量快速衰減，提高電池的快速充放電能力。
在鋰離子電池方面，我國在正負(fù)極材料、快充技術(shù)、固態(tài)電池技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)取得重要突破，鋰補償技術(shù)、無模組技術(shù)和刀片電池技術(shù)是今年的技術(shù)進展亮點。
在液流電池方面，全釩液流電池為當(dāng)前液流電池主流技術(shù)，解決全釩液流電池的規(guī)?；?、成本、效率等問題，是當(dāng)前研究的重點，同時也在積極探索鋅溴液流電池、鐵鉻液流電池等新體系。
在鈉離子電池方面，作為最接近鋰離子電池的電池技術(shù)，我國在鈉離子電池基礎(chǔ)研究、技術(shù)水平和集成示范方面均取得重要進展，已處于國際領(lǐng)先地位。
在超級電容器方面，我國在關(guān)鍵材料、單體技術(shù)、成組管控、系統(tǒng)集成與應(yīng)用和使役性能進行了全鏈條技術(shù)攻關(guān)，并實現(xiàn)在規(guī)模儲能領(lǐng)域的示范。
在新型儲能技術(shù)方面，研究重點在于液態(tài)金屬電池、多價金屬離子電池和水系電池的材料研究，相關(guān)單體、模組和系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)還需進一步深入研究。
（3）集成與安全方面：在集成技術(shù)方面，大容量儲能電站的集成、運行和控制技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，但隨著儲能規(guī)模的擴大，PCS/BMS/EMS的融合技術(shù)、云端運維和管理技術(shù)、遠(yuǎn)程智能安全監(jiān)控等技術(shù)將進一步發(fā)展和應(yīng)用。
在消防安全技術(shù)方面，標(biāo)準(zhǔn)制定、消防監(jiān)管、質(zhì)量管控、技術(shù)研究等方面都得到了前所未有的加強，多信息融合的監(jiān)測預(yù)警技術(shù)和全氟己酮程控噴射技術(shù)等新技術(shù)得到示范應(yīng)用。
展望2022年，中國儲能有望保持規(guī)?；l(fā)展的良好態(tài)勢。在國家雙碳戰(zhàn)略的持續(xù)推動下，儲能政策將繼續(xù)向好。中國儲能技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒂型^續(xù)“加速跑”，基礎(chǔ)研究將繼續(xù)保持國際最活躍國家地位，抽水蓄能、鋰離子電池、壓縮空氣、液流電池、鈉離子電池等多種技術(shù)將快速發(fā)展，百兆瓦級大規(guī)模集成示范項目將成為常態(tài)，儲能領(lǐng)域大概率將迎來又一個快速發(fā)展的一年。
