本文選自中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2023年第6期
作者：潘新慧，陳人杰，吳鋒
來(lái)源：電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展研究[J].中國(guó)工程科學(xué),2023,25(6):225-236.
編者按
電化學(xué)儲(chǔ)能是解決可再生能源高比例消納的重要手段，是促成“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵裝置。作為新型儲(chǔ)能的主流技術(shù)、未來(lái)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的核心技術(shù)，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)亟需深入發(fā)展方可適應(yīng)儲(chǔ)能規(guī)模快速增長(zhǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)更為復(fù)雜所帶來(lái)的挑戰(zhàn)。
中國(guó)工程院吳鋒院士研究團(tuán)隊(duì)在中國(guó)工程院院刊《中國(guó)工程科學(xué)》2023年第6期發(fā)表《電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展研究》一文。文章從需求背景、發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)及挑戰(zhàn)等角度開(kāi)展電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的研究綜述，進(jìn)而研判相應(yīng)技術(shù)體系的構(gòu)建重點(diǎn)、提出行業(yè)發(fā)展建議，以期為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建、儲(chǔ)能行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等研究提供基礎(chǔ)參考。
一、前言
化石能源資源短缺、能源結(jié)構(gòu)不合理、環(huán)境污染嚴(yán)重等問(wèn)題，成為制約經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。電化學(xué)儲(chǔ)能是支撐能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)之一，相應(yīng)產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于新能源汽車、數(shù)據(jù)中心、通信基站、重大裝備、儲(chǔ)能電站等，成為構(gòu)建電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)裝備、促進(jìn)節(jié)能提效的重要依托?！丁笆奈濉毙滦蛢?chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》（2022年）提出，加強(qiáng)儲(chǔ)能技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略性布局，積極實(shí)施新型儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)支持政策。相關(guān)行業(yè)政策將促進(jìn)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)大調(diào)整、引導(dǎo)新型儲(chǔ)能行業(yè)加速布局、助力綠色低碳轉(zhuǎn)型。
近年來(lái)，我國(guó)作出了構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、加快規(guī)劃建設(shè)新型能源體系的戰(zhàn)略部署，這是能源電力轉(zhuǎn)型的必然要求、實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑。電化學(xué)儲(chǔ)能是新型電力系統(tǒng)的重要組成部分、解決可再生能源間歇性和不穩(wěn)定性的重要手段，也是涉及“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”協(xié)調(diào)運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)；具有調(diào)節(jié)速度快、布置靈活、建設(shè)周期短、環(huán)境友好等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，有助于解決可再生能源發(fā)電的不連續(xù)、不可控問(wèn)題，保障電力系統(tǒng)持續(xù)穩(wěn)定輸出電能，更大程度上替代化石燃料發(fā)電，克服傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)組不能快速切換爬坡方向、易反調(diào)的缺陷。中國(guó)能源研究會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì) / 中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟的全球儲(chǔ)能項(xiàng)目庫(kù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，2022年我國(guó)新增投運(yùn)電力儲(chǔ)能項(xiàng)目的裝機(jī)規(guī)模突破15 GW，同比增長(zhǎng)114%；其中，新型儲(chǔ)能的新增規(guī)模達(dá)到7.3 GW/15.9 GW·h，功率規(guī)模、能量規(guī)模分別同比增長(zhǎng)200%、280%?？稍偕茉吹目焖侔l(fā)展及其在電力系統(tǒng)中的不斷滲透，為電化學(xué)儲(chǔ)能的規(guī)?；l(fā)展確定了基礎(chǔ)。
當(dāng)前，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的電力系統(tǒng)應(yīng)用研究已有開(kāi)展。在用戶端，電化學(xué)儲(chǔ)能價(jià)值明確。在用電量大、具有明顯電價(jià)差的工業(yè)企業(yè)或工業(yè)園區(qū)，配置儲(chǔ)能可以平抑尖峰負(fù)荷、降低用電基本容量、節(jié)省電費(fèi)支出；在第五代移動(dòng)通信（5G）基站上配置儲(chǔ)能裝置，通過(guò)閑時(shí)充電、忙時(shí)放電來(lái)實(shí)現(xiàn)電力供需的“削峰填谷”；在能耗高、需要不間斷供電的數(shù)據(jù)中心，儲(chǔ)能可提高供電可靠性，通過(guò)“削峰填谷”、容量調(diào)配來(lái)提高設(shè)備運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性；在微電網(wǎng)配置儲(chǔ)能，可緩解對(duì)電網(wǎng)的超負(fù)荷需求，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)系統(tǒng)配置優(yōu)化。然而，隨著儲(chǔ)能市場(chǎng)規(guī)模快速增長(zhǎng)、儲(chǔ)能系統(tǒng)趨于復(fù)雜，電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)在關(guān)鍵材料、制備工藝、系統(tǒng)集成等方面面臨著諸多新問(wèn)題與新挑戰(zhàn)?，F(xiàn)有研究側(cè)重于材料修飾改性、器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化等，而對(duì)器件與系統(tǒng)的有效匹配、多尺度構(gòu)效關(guān)系等關(guān)注不足。
構(gòu)建清潔低碳、安全高效的新型儲(chǔ)能體系，深入探討電化學(xué)儲(chǔ)能電池在示范應(yīng)用過(guò)程中的技術(shù)壁壘，極具迫切性。為此，文章從需求背景、發(fā)展現(xiàn)狀、趨勢(shì)及挑戰(zhàn)等角度開(kāi)展電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的研究綜述，進(jìn)而研判相應(yīng)技術(shù)體系的構(gòu)建重點(diǎn)、提出行業(yè)發(fā)展建議，以期為新型電力系統(tǒng)構(gòu)建、儲(chǔ)能行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展等研究提供基礎(chǔ)參考。
二、電化學(xué)儲(chǔ)能發(fā)展的需求背景
隨著電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)成熟度的提高，儲(chǔ)能電池應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)一步拓寬。從電力系統(tǒng)的角度看，主要應(yīng)用分為電源側(cè)、電網(wǎng)側(cè)、用戶側(cè)三大場(chǎng)景。
（一）電源側(cè)儲(chǔ)能
電源側(cè)儲(chǔ)能的應(yīng)用需求規(guī)模最大，包括改善能源涉網(wǎng)特征、參與輔助服務(wù)、優(yōu)化潮流分布并緩解堵塞、應(yīng)急救援等細(xì)分方向；重在維持電網(wǎng)的平衡需求，減少棄風(fēng)棄光，確保風(fēng)、光發(fā)電的順利并網(wǎng)。典型的應(yīng)用場(chǎng)景是高比例可再生能源電力系統(tǒng)中的“削峰填谷”。近年來(lái)，風(fēng)能、太陽(yáng)能、生物質(zhì)能、海洋能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉传@得快速發(fā)展，以不斷提高非化石能源的消費(fèi)比重。根據(jù)《中國(guó)能源統(tǒng)計(jì)年鑒2022》《中國(guó)礦產(chǎn)資源報(bào)告2022》數(shù)據(jù)，我國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量占比由2020年的42.5%上升至2022年的49.6%。預(yù)計(jì)2025年的可再生能源發(fā)電裝機(jī)占比將超過(guò)50%?？稍偕茉吹目焖侔l(fā)展，離不開(kāi)儲(chǔ)能裝備在電力系統(tǒng)中的有效配合。
2022年，我國(guó)投運(yùn)的電化學(xué)儲(chǔ)能電站項(xiàng)目共有472個(gè)，總功率為18.59 GW，總能源為14.05 GW·h（同比增長(zhǎng)146.48%）。新疆維吾爾自治區(qū)喀什市莎車縣建設(shè)了國(guó)內(nèi)最大的電化學(xué)儲(chǔ)能電站（800 MW光伏+200 MW/800 MW·h儲(chǔ)能一體化），電站采用了磷酸鐵鋰電池和先進(jìn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)控制技術(shù)，每年可發(fā)電2.92×108 kW·h，減少CO2排放2.3×105 t；位于河北省張家口市張北縣的國(guó)家風(fēng)光儲(chǔ)輸示范工程一期和二期，安全運(yùn)行超3000 d，綠色電能累計(jì)輸出接近8000 GW·h，有效化解了新能源發(fā)電穩(wěn)定性與輸電安全性方面的瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了新能源出力狀態(tài)的全方位預(yù)測(cè)、控制及監(jiān)控。
（二）電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能
電網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能需求主要源自提升電力系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)能力與安全穩(wěn)定水平、提高電網(wǎng)供電能力與應(yīng)急供電保障質(zhì)量、延緩輸變電升級(jí)改造投資。在配電網(wǎng)中，儲(chǔ)能可補(bǔ)充電力供應(yīng)不足，治理配電網(wǎng)薄弱地區(qū)的“低電壓”或分布式能源接入后引起的“高、低電壓”問(wèn)題，解決季節(jié)電荷、臨時(shí)用電不符合增容擴(kuò)建條件下的配網(wǎng)供電需求。江蘇省昆山市儲(chǔ)能電站工程是全球單體容量最大的電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能電站，有效克服了負(fù)荷峰谷差連年加大的局面，減輕了本地新能源規(guī)?；⒕W(wǎng)給電網(wǎng)安全運(yùn)維造成的沖擊，平抑了風(fēng)電和光伏發(fā)電的出力波動(dòng)，增強(qiáng)了電網(wǎng)對(duì)可再生能源的消納能力。
數(shù)據(jù)中心用電是另一類代表，涉及應(yīng)急電源、常用電源，電化學(xué)儲(chǔ)能在這兩方面均起到穩(wěn)定供電的作用。百度云計(jì)算（陽(yáng)泉）中心項(xiàng)目采用了綠色低碳數(shù)據(jù)系列節(jié)能技術(shù)，由分布式鋰電池備電系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的鉛酸電池備電系統(tǒng)；當(dāng)市電異常時(shí)，分布式鋰電池備電系統(tǒng)通過(guò)直流母線為服務(wù)器供電，起到后備電源功能；服務(wù)器機(jī)柜上線后，供電效率高達(dá)99.5%，節(jié)省機(jī)房面積超過(guò)25%，節(jié)約電量約為400 MW·h/a。華為數(shù)字能源技術(shù)有限公司提出的Smart DC低碳綠色數(shù)據(jù)中心解決方案中，采用磷酸鐵鋰電芯配合致密電池封裝技術(shù)構(gòu)建智能鋰電裝置，占地面積和裝置質(zhì)量均為鉛酸電池方案的1/3，顯著減少運(yùn)輸過(guò)程的碳排放。
（三）用戶側(cè)儲(chǔ)能
用戶側(cè)儲(chǔ)能需求主要指與工商業(yè)、戶用等分布式電源配套或獨(dú)立工作的儲(chǔ)能電站應(yīng)用，以滿足電力自發(fā)自用、終端用戶的峰谷價(jià)差套利、容量費(fèi)用管理、電能質(zhì)量提升、降低電價(jià)以及新能源汽車充電時(shí)負(fù)荷平滑、供電可靠性保障等需求。江蘇省張家港市海螺水泥廠儲(chǔ)能電站工程總?cè)萘繛? MW/32 MW·h，其中儲(chǔ)能系統(tǒng)采用了電力價(jià)差、“削峰填谷”等措施來(lái)減少電力消耗成本，將傳統(tǒng)沉沒(méi)成本轉(zhuǎn)化為創(chuàng)造收益的電力投資。電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池作為用戶側(cè)分散式新型儲(chǔ)能裝置，以充 / 換電基礎(chǔ)設(shè)施為“橋梁”參與需求側(cè)響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)與電網(wǎng)的實(shí)時(shí)互動(dòng)，發(fā)揮負(fù)荷“削峰填谷”作用，從而支持構(gòu)建新型電力系統(tǒng)、促進(jìn)實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)。2008年北京奧運(yùn)會(huì)上僅有601輛新能源汽車投入使用，同期鋰離子電池產(chǎn)業(yè)處于初創(chuàng)期和積累期，產(chǎn)品類型單一、技術(shù)穩(wěn)定性不佳、政策支持力度不足。隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展，能源需求量逐年提高，新能源汽車產(chǎn)量規(guī)?？焖僭鲩L(zhǎng)，動(dòng)力電池產(chǎn)業(yè)也從導(dǎo)入期轉(zhuǎn)向成長(zhǎng)期，裝備制造技術(shù)更加成熟，產(chǎn)品綜合性能穩(wěn)步提升。實(shí)踐表明，新能源汽車有望替代傳統(tǒng)燃油車，從而減少化石燃料消耗、控制城市空氣污染。
在軍事裝備領(lǐng)域，微型無(wú)人偵察機(jī)、單兵化智能作戰(zhàn)系統(tǒng)、無(wú)人水下航行器、潛艇等都需要高比能二次電池提供能量，且相應(yīng)需求的技術(shù)指標(biāo)要求越來(lái)越高。例如，美國(guó)軍隊(duì)使用BB-2590型鋰離子電池代替BB-390鎘鎳電池，新電池的工作時(shí)間>30 h，顯著延長(zhǎng)了單兵裝置的使用時(shí)間，獲得作戰(zhàn)人員的好評(píng)；英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、意大利等國(guó)家也將鋰離子電池單兵電源列入單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)發(fā)展計(jì)劃。英國(guó)BAE系統(tǒng)公司研制的多用途潛航器，將動(dòng)力電源更換為可工作24 h的鋰離子電池，顯著提高了探雷、滅雷的作業(yè)效率。此外，電化學(xué)儲(chǔ)能對(duì)航空航天領(lǐng)域的新裝備發(fā)展起到支撐作用。
三、電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
（一）戰(zhàn)略布局日漸完善
在新一輪能源革命的驅(qū)動(dòng)下，各國(guó)高度重視電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，主要從原料端、制造端、應(yīng)用端開(kāi)展戰(zhàn)略布局。
1. 原料端
各國(guó)關(guān)注電池原材料的供應(yīng)鏈穩(wěn)定性，制定了電池關(guān)鍵材料的安全供應(yīng)舉措。歐盟為降低供應(yīng)材料風(fēng)險(xiǎn)，將金屬材料、礦產(chǎn)材料作為“綠色歐洲”的關(guān)鍵要素，2011年首次發(fā)布關(guān)鍵材料原料清單，將14種具有重大經(jīng)濟(jì)和戰(zhàn)略價(jià)值的原材料納入清單；每3年更新一次清單，及時(shí)反映生產(chǎn)、市場(chǎng)、技術(shù)等動(dòng)態(tài)。2018年，歐盟實(shí)施“地平線2020”計(jì)劃項(xiàng)目，發(fā)布了《歐盟原材料2050愿景與科技和創(chuàng)新路線圖》，強(qiáng)調(diào)關(guān)鍵原材料的可持續(xù)供應(yīng)。美國(guó)高度重視關(guān)鍵礦物清單，將關(guān)鍵礦產(chǎn)材料增加到50種（與電池相關(guān)的有15種）；發(fā)布的《國(guó)家鋰電藍(lán)圖（2021—2030年）》，涉及鋰、鈷、鎳等電池關(guān)鍵材料的獲取和替代品研發(fā)，鋰電產(chǎn)業(yè)發(fā)展，鋰電池回收利用等。日本更新了《蓄電池產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略》，將電池金屬材料等列為高風(fēng)險(xiǎn)礦種，制定了趕超競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的新一代電池技術(shù)市場(chǎng)發(fā)展舉措。英國(guó)、日本建立了國(guó)家貿(mào)易伙伴關(guān)系，鼓勵(lì)各自企業(yè)投資海外多元化供應(yīng)鏈，確保電池產(chǎn)業(yè)原材料的全球戰(zhàn)略儲(chǔ)備。韓國(guó)提出加強(qiáng)政府間合作等舉措，增強(qiáng)電池材料礦物的穩(wěn)定供應(yīng)能力。
我國(guó)是關(guān)鍵礦產(chǎn)材料的消費(fèi)大國(guó)且對(duì)外依賴度較高，已將關(guān)鍵礦產(chǎn)高效利用納入《科技支撐碳達(dá)峰碳中和實(shí)施方案（2022—2030年）》，“戰(zhàn)略性礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用”“循環(huán)經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵技術(shù)與裝備”等科技重點(diǎn)專項(xiàng)；組織實(shí)施《戰(zhàn)略性礦產(chǎn)找礦行動(dòng)（2021—2035年）》，加大對(duì)鋰、鈷、鎳、離子型稀土等關(guān)鍵礦產(chǎn)的找礦投入，推進(jìn)勘查礦種的結(jié)構(gòu)調(diào)整和布局優(yōu)化。
2. 制造端
美國(guó)較早成立了儲(chǔ)能聯(lián)合研究中心，制定了“電池500”計(jì)劃。美國(guó)能源部發(fā)布的《儲(chǔ)能大挑戰(zhàn)路線圖》（2020年）提出，在儲(chǔ)能技術(shù)制造方面積極開(kāi)展行動(dòng)，梳理相應(yīng)的技術(shù)障礙和關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)，通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新降低制造成本，制定系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，2030年實(shí)現(xiàn)本土的儲(chǔ)能技術(shù)、設(shè)備開(kāi)發(fā)與制造能力全面滿足自身市場(chǎng)需求?！稓W洲儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展路線圖》（2017年）提出，組建歐洲電池聯(lián)盟、歐洲技術(shù)與創(chuàng)新平臺(tái)“電池歐洲”，推進(jìn)“電池2030+”聯(lián)合計(jì)劃，開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證涉及多物理量的多尺度模型，實(shí)現(xiàn)未來(lái)電芯制造過(guò)程的智能化。韓國(guó)制定的《2030二次電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略》（2021年）提出，研發(fā)新一代電池技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全固態(tài)電池、鋰硫電池、鋰金屬電池的商業(yè)化；設(shè)立了電池研發(fā)政府創(chuàng)新基金，重點(diǎn)扶持中小企業(yè)的電池研發(fā)項(xiàng)目，推動(dòng)電池關(guān)鍵材料、器件及裝備的規(guī)?；a(chǎn)。
我國(guó)高度重視儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，發(fā)布了《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃（2016—2030年）》《中國(guó)制造2025》《“十四五”新型儲(chǔ)能發(fā)展實(shí)施方案》等政策文件，支持鈉離子電池、無(wú)鈷電池、刀片電池、無(wú)模組電池包（CTP）集成等電池技術(shù)的創(chuàng)新突破。
3. 應(yīng)用端
2016年，美國(guó)發(fā)布了投資稅收減免政策：先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)可申請(qǐng)投資稅收減免，通過(guò)獨(dú)立部署、并入微網(wǎng)或可再生能源發(fā)電系統(tǒng)等形式運(yùn)行。在補(bǔ)貼方面，自發(fā)電激勵(lì)計(jì)劃（SGIP）是美國(guó)歷時(shí)最長(zhǎng)的分布式發(fā)電激勵(lì)政策，以鼓勵(lì)用戶側(cè)分布式發(fā)電；儲(chǔ)能被納入SGIP的支持范圍，可獲得2美元/W的補(bǔ)貼支持。韓國(guó)分別為電池關(guān)鍵材料研發(fā)、基礎(chǔ)設(shè)施投資提供50%、20%的減稅額度，2025年電池儲(chǔ)能有望達(dá)到60 GW·h，2030年擬占據(jù)全球市場(chǎng)40%的份額。日本重點(diǎn)布局全固態(tài)鋰離子電池、超越鋰離子的新型電池研發(fā)項(xiàng)目，通過(guò)《經(jīng)濟(jì)安全保障推進(jìn)法》（2022年）明確了對(duì)蓄電池的支持措施（補(bǔ)貼電池工廠設(shè)備投資的1/3）。
我國(guó)新型儲(chǔ)能技術(shù)到2030年將全面實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化發(fā)展，關(guān)鍵技術(shù)自主可控，商業(yè)模式和標(biāo)準(zhǔn)體系健全，與電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)深度融合。
（二）關(guān)鍵材料不斷突破
發(fā)展高性能關(guān)鍵材料是升級(jí)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的重要基礎(chǔ)，也是解決化石能源危機(jī)和環(huán)境污染、支持“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑。電芯是電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，其構(gòu)成主要包括正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜、其他非活性材料等。
1. 正極材料
正極材料結(jié)構(gòu)及其組成是直接決定電池能量密度的關(guān)鍵因素，在保證電池的可逆容量方面起著重要作用。正極材料的改性手段主要有表界面工程、體相摻雜、形貌控制等。
鋰離子電池這一技術(shù)路線發(fā)展得最為成熟，主流的鋰離子電池正極材料有高鎳低鈷或無(wú)鈷三元正極材料、尖晶石型高壓鎳錳酸鋰正極材料、富鋰錳基層狀正極材料、橄欖石型磷酸鐵鋰正極材料等。在電極材料改性方面，采用微觀結(jié)構(gòu)優(yōu)化、表面改性相結(jié)合的方法，顯著提升了高鎳材料（Li(Ni0.93Co0.03Mn0.03Al0.01)O2）正極的循環(huán)穩(wěn)定性（循環(huán)次數(shù)達(dá)4000周，容量保持率達(dá)79.2%）。表面包覆的F和體相摻雜的Sb，在正極材料表面形成穩(wěn)定堅(jiān)固的正極 – 電解質(zhì)層，能夠有效抑制材料的性能衰退。重慶理英新能源科技有限公司采用超薄納米層表面修飾、優(yōu)勢(shì)晶面可控生長(zhǎng)、分級(jí)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等技術(shù)開(kāi)發(fā)的鋰離子電池產(chǎn)品，比容量為300 mA·h/g，表現(xiàn)出高放電容量、高壓實(shí)密度、優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性，優(yōu)于市場(chǎng)同類產(chǎn)品。常州鋰源新能源科技有限公司研制的新型球狀磷酸鐵鋰正極材料，在-20 ℃條件下放電容量保持率從55%提升到85%，在-40 ℃條件下放電容量保持率從接近0提升到57%，是鋰離子電池產(chǎn)品的重大技術(shù)突破。
鈉離子電池這一技術(shù)路線尚處于演進(jìn)過(guò)程中。按照材料成分劃分，鈉離子正極材料主要有層狀氧化物、普魯士藍(lán)類似物、聚陰離子等。層狀氧化物材料具有制備方法簡(jiǎn)單、比容量大、電壓高等優(yōu)點(diǎn)，是工程化開(kāi)發(fā)的優(yōu)選材料，但存在結(jié)構(gòu)相變復(fù)雜、循環(huán)壽命偏短等問(wèn)題。2014年，研究人員首次發(fā)現(xiàn)Cu2+/ Cu3+氧化還原電對(duì)在鈉離子氧化物中具有活性，據(jù)此設(shè)計(jì)了一系列不含Ni/Co、空氣穩(wěn)定性良好、成本較低的氧化物正極材料。2020年，中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究團(tuán)隊(duì)受鋰離子電池高比能三元正極材料（LiNixCoyMn1-x-yO2）的啟發(fā)，采用價(jià)格低廉的Fe替代有毒且昂貴的Co，制備出一系列富Ni的O3-Na[NixFeyMn1-x-y]O2氧化物正極材料；相關(guān)材料在2~4.2 V電壓范圍內(nèi)表現(xiàn)出190 mA·h/g的高可逆比容量，組裝的鈉離子全電池可提供345 W·h/kg的高比容量。2022年，研究人員基于界面工程策略，采用生物質(zhì)裂解氣體電解質(zhì)、有序碳涂層集流體、層狀氧化物正極，制備了具有協(xié)同界面的高比能鈉電池；組裝的安時(shí)級(jí)鈉電池能量密度高于200 W·h/kg，明顯優(yōu)于常規(guī)磷酸鐵鋰 / 石墨鋰電池的平均水平（180 W·h/kg）。除了層狀氧化物正極材料以外，聚陰離子正極、普魯士藍(lán)正極也是富有潛力的關(guān)鍵材料類型。
新型體系電池的技術(shù)路線尚處于研發(fā)期。相比鋰離子電池，鋰硫電池具有能量密度高、成本低廉、環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，但其倍率性能、循環(huán)性能、安全性能較差，相較商業(yè)化要求仍有明顯差距。北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)率先提出采用輕元素、多電子、多離子反應(yīng)體系實(shí)現(xiàn)電池能量密度跨越式提升的發(fā)展策略，打破了單電子反應(yīng)（n=1）的思維定勢(shì)?；谀栙|(zhì)量輕、具有多電子反應(yīng)的活性電極材料，設(shè)計(jì)了高能量密度電池的系列樣品。針對(duì)硫正極電子導(dǎo)電性差、體積變化劇烈以及充 / 放電過(guò)程中易產(chǎn)生“穿梭效應(yīng)”等問(wèn)題，設(shè)計(jì)了具有三維多孔層狀結(jié)構(gòu)的碳 / 硫復(fù)合材料、具有核殼結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物 / 硫復(fù)合材料，構(gòu)建了三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)和Li+擴(kuò)散的多孔通道，使材料比容量>1300 mA·h/g，是商用鋰離子電池正極的8~10倍。針對(duì)活性物質(zhì)流失、影響電極穩(wěn)定性的問(wèn)題，采用納米限域、聚合物包覆等技術(shù)來(lái)抑制活性物質(zhì)的溶解流失，使循環(huán)壽命達(dá)到原有電極的5倍。通過(guò)雙“費(fèi)歇爾酯化”反應(yīng)得到的橢球形微米碳結(jié)構(gòu)正極材料，顯著提高了正極材料單位面積載硫量，相應(yīng)電池的能量密度達(dá)到651 W·h/kg。
2. 負(fù)極材料
負(fù)極材料是電池器件的重要組成部分。國(guó)家“十三五”重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目對(duì)鋰離子電池的基礎(chǔ)前沿研究及產(chǎn)業(yè)化等均提出了具體指標(biāo)要求，如新型鋰離子電池樣品能量密度>400 W·h/kg、電池單體能量>300 W·h/kg。石墨負(fù)極的比容量?jī)H為372 mA·h/g，憑借石墨負(fù)極材料容量無(wú)法達(dá)到相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。硅基材料具有理論容量高（4200 mA·h/g）、環(huán)境友好、儲(chǔ)能豐富等優(yōu)點(diǎn)，被視為下一代高能量密度鋰離子電池的負(fù)極材料類型。
硅基負(fù)極材料是替代傳統(tǒng)石墨材料的主要技術(shù)路線，但在嵌 / 脫鋰過(guò)程中會(huì)發(fā)生顯著的體積膨脹效應(yīng)，因膨脹導(dǎo)致的不穩(wěn)定固體電解質(zhì)膜將造成循環(huán)穩(wěn)定較差、容量衰減嚴(yán)重。南方科技大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)提出了一種多級(jí)碳結(jié)構(gòu)策略，使用熱化學(xué)氣相沉積方法將垂直石墨烯片錨定在亞微觀分散的Si-C復(fù)合納米球表面并進(jìn)一步嵌入碳基質(zhì)；形成的三維導(dǎo)電和魯棒網(wǎng)絡(luò)，顯著提高了電導(dǎo)率，有效抑制了硅的體積膨脹，增強(qiáng)了電荷傳輸和電極材料的穩(wěn)定性，使電池表現(xiàn)出卓越的快速充電能力。天津大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了將金屬銅引入化學(xué)氣相沉積過(guò)程的方法，構(gòu)建了具有良好化學(xué)鍵合作用的共價(jià)包覆微米硅結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了微米硅負(fù)極穩(wěn)定循環(huán)的鋰儲(chǔ)存。中國(guó)科學(xué)院物理研究所研究團(tuán)隊(duì)針對(duì)Si-C復(fù)合負(fù)極的電化學(xué)和膨脹行為研究需求，提出了一種耦合的機(jī)械 – 電化學(xué)模型，在未來(lái)高能量密度、高安全性電池設(shè)計(jì)方面具有良好應(yīng)用前景。針對(duì)硅基材料開(kāi)展的一系列摻雜、包覆、復(fù)合、造孔、納米結(jié)構(gòu)等工作，有效緩解了嵌 / 脫鋰的體積變化，顯著提升了循環(huán)性能和導(dǎo)電性。
碳基材料逐漸成為鈉離子電池的主流材料類型，相關(guān)研究集中在石墨類材料、無(wú)定型碳材料、納米碳材料。石墨類負(fù)極材料具有完整的層狀結(jié)構(gòu)，但鈉離子難以嵌入到石墨層間，不易與碳原子形成穩(wěn)定的化合物。硬碳材料相比石墨材料普遍具有更好的儲(chǔ)能性能，但較多采用的生物質(zhì)或人工合成樹(shù)脂前驅(qū)體，具有成本較高、產(chǎn)碳率偏低的劣勢(shì)。軟碳具有更為有序的結(jié)構(gòu)、更少的缺陷、更短的層間距，但比容量遠(yuǎn)低于硬碳。為了提高碳基材料的產(chǎn)碳效率并降低制備成本，發(fā)展了多類鈉離子儲(chǔ)存機(jī)制，如“插層 – 填孔”“吸附 – 插層”“吸附 – 填孔”“吸附 – 插層 – 填孔”等。目前常用的硬碳前驅(qū)體主要是毛竹、椰殼、淀粉、核桃殼等生物基高分子材料，具有豐富的雜原子、獨(dú)特的微觀結(jié)構(gòu)。通過(guò)碳化植物生物質(zhì)基材制備的硬碳，保留了植物生物質(zhì)模板中的材料結(jié)構(gòu)和孔隙通道，對(duì)鈉離子電池性能具有較大的影響。中南大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用廢棄木材制備硬碳材料，通過(guò)化學(xué)預(yù)處理和低溫?zé)峤庹{(diào)節(jié)了紅木衍生硬碳的微孔結(jié)構(gòu)，獲得了硬質(zhì)碳中鈉儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)；樣品在20 mA/g場(chǎng)景下表現(xiàn)出430 mA·h/g的高可逆容量以及良好的倍率與循環(huán)性能。在碳基負(fù)極材料以外，嵌入型鈦基材料也受到較多關(guān)注，但相應(yīng)合金及其他負(fù)極材料在嵌 / 脫鈉前后的體積變化較大，加之在循環(huán)過(guò)程中易粉化，短期內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
3. 電解質(zhì)
電解質(zhì)是決定電池能量密度、循環(huán)壽命、工作溫度、安全性能的關(guān)鍵材料，按照形態(tài)分為液體電解質(zhì)、固態(tài)電解質(zhì)、固液混合電解質(zhì)。液體電解質(zhì)是技術(shù)發(fā)展最為成熟的電解質(zhì)類型，又細(xì)分為有機(jī)液體電解質(zhì)、室溫離子液體電解質(zhì)。有機(jī)液體電解質(zhì)具有電化學(xué)穩(wěn)定性好、凝固點(diǎn)低、沸點(diǎn)高等優(yōu)點(diǎn)，但在極端條件下存在安全隱患；常用的改性方法是在電解液中加入高閃點(diǎn)、高沸點(diǎn)、不易燃的溶劑，以一定程度上改善電解質(zhì)的安全性，但并不能從本質(zhì)上解決電解質(zhì)的易燃、易爆、易泄漏等問(wèn)題，難以杜絕電池的本征安全隱患。因此，開(kāi)發(fā)高能量密度、高安全性的新型電解質(zhì)體系，是當(dāng)前研發(fā)熱點(diǎn)，尤其是將傳統(tǒng)有機(jī)液體電解液替換成固態(tài)電解質(zhì)受到更多關(guān)注。
固態(tài)電池技術(shù)尚處于研發(fā)和中試階段。采用不可燃的電解質(zhì)替代有機(jī)電解液，具有高安全性、高能量密度、高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，受到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。固態(tài)電池的量產(chǎn)和商業(yè)化面臨著眾多挑戰(zhàn)，如電解質(zhì)離子電導(dǎo)率、機(jī)械性能等材料問(wèn)題，電極材料與電解質(zhì)界面的相容性等界面問(wèn)題。研制高壓穩(wěn)定的固態(tài)電解質(zhì)是保障電池安全運(yùn)行的關(guān)鍵工作。固態(tài)電解質(zhì)作為固態(tài)電池的核心材料，按照組分分為固態(tài)聚合物電解質(zhì)、氧化物電解質(zhì)、鹵化物電解質(zhì)、硫化物電解質(zhì)等。然而，大多數(shù)現(xiàn)有的固態(tài)電解質(zhì)，其室溫電導(dǎo)率未能達(dá)到1 mS/cm的基本要求。為此，后續(xù)研發(fā)集中在將傳統(tǒng)的固態(tài)電解質(zhì)改性以提高離子電導(dǎo)率、具有高的離子電導(dǎo)率的新型固體電解質(zhì)等方面。
硫化物電解質(zhì)在室溫下具有較高的離子電導(dǎo)率、良好的機(jī)械性能、較低的晶界電阻、與電極材料接觸性好等優(yōu)點(diǎn)，在眾多的無(wú)機(jī)電解質(zhì)中脫穎而出；但在空氣中的穩(wěn)定性差，易與水汽發(fā)生反應(yīng)而釋放出有毒的H2S，生產(chǎn)環(huán)境要求苛刻、生產(chǎn)成本較高，制約了規(guī)模化生產(chǎn)與應(yīng)用。通過(guò)原子摻雜進(jìn)行改性，可解決硫化物在空氣中的不穩(wěn)定問(wèn)題。例如，通過(guò)軟酸置換，得到Sn取代的Li6PS5I、Sb取代的Li10GeP2S12，相應(yīng)的空氣穩(wěn)定性、離子電導(dǎo)率均顯著提高。開(kāi)發(fā)了包括PEO、β-Li3PS4/S在內(nèi)的多種強(qiáng)兼容性的界面保護(hù)層，以減輕硫化物與界面之間的副反應(yīng)。通過(guò)一系列的表征，明確了硫化物SE Li7P3S11與有機(jī)LE Li-BP-DME之間的界面反應(yīng)機(jī)制，據(jù)此設(shè)計(jì)了二者之間穩(wěn)定的界面層材料。在產(chǎn)業(yè)化方面，日本、韓國(guó)企業(yè)建立了硫化物電解質(zhì)的試制線（年產(chǎn)量分別為10 t、24 t），驗(yàn)證了硫化物固態(tài)電解質(zhì)的量產(chǎn)可行性。
近期，鹵化物電解質(zhì)開(kāi)始受到較多關(guān)注。開(kāi)發(fā)的氧氯化物固態(tài)電解質(zhì)（Li1.75ZrCl4.75O0.5）在室溫下的離子電導(dǎo)率高達(dá)2.42 mS/cm，超過(guò)大多數(shù)鹵化物固態(tài)電解質(zhì)；具有良好的可變形性，在300 MPa冷壓后的相對(duì)密度高達(dá)94.2%，超過(guò)了以良好可變形性著稱的Li10GeP2S12、Li6PS5Cl、Li2ZrCl6、Li3InCl6等固態(tài)電解質(zhì)。作為原料的LiCl、LiOH·H2O、ZrCl4價(jià)格低廉，如Li1.75ZrCl4.75O0.5的原材料成本僅為11.6美元/kg，遠(yuǎn)低于固態(tài)電池的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力門(mén)檻值（50美元/kg）。據(jù)近期報(bào)道，日本東京工業(yè)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用高熵材料開(kāi)發(fā)了具有高鋰離子電導(dǎo)率的固態(tài)電解質(zhì)，同時(shí)保持了超離子傳導(dǎo)的結(jié)構(gòu)框架；室溫下的離子電導(dǎo)率為32 mS/cm，約為原始固態(tài)電解質(zhì)的3倍，也是迄今已知的最高值。
液流電池具有長(zhǎng)循環(huán)壽命、高安全性、高能量效率等優(yōu)點(diǎn)，根據(jù)電解液中活性物質(zhì)的不同可分為全釩液流電池、鐵鉻液流電池、鋅鐵液流電池等。全釩液流電池是研發(fā)工作最為充分、適用于大規(guī)模儲(chǔ)能的液流電池類型，仍面臨著關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問(wèn)題，如電堆內(nèi)部流體、濃度、溫度等多場(chǎng)協(xié)同分布的均勻性不佳，材料與容量的衰退，功率及能量密度偏低，綜合應(yīng)用成本偏高等。為此，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了新型可焊接多孔離子傳導(dǎo)膜，改進(jìn)了全釩液流電池的電堆工藝。在全釩液流電池的新型電堆方案中，革新傳統(tǒng)的組裝方式，將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于電堆集成，提高了電堆的可靠性和裝配自動(dòng)化程度，降低了密封材料用量和電堆成本。制備新膜、提高電極性能、改善電解質(zhì)等，是全釩液流電池材料后續(xù)研發(fā)的主攻方向。我國(guó)加快推進(jìn)全釩液流電池的產(chǎn)業(yè)化，國(guó)華能源投資有限公司在綜合智慧能源項(xiàng)目中啟動(dòng)建設(shè)全釩液流儲(chǔ)能電站（2022年），開(kāi)展了世界最大的液流儲(chǔ)能電站（100 MW/400 MW·h）單體模塊調(diào)試（2023年）。
4. 隔膜
隔膜位于正、負(fù)極材料之間，是阻止正、負(fù)極接觸以防止短路，保證電池體系安全的關(guān)鍵材料。雖然隔膜不參與電池中的反應(yīng)，但其結(jié)構(gòu)和性質(zhì)影響電池動(dòng)力性能，決定著電池循環(huán)壽命、安全性、能量密度、功率密度等。已經(jīng)商業(yè)化的鋰離子電池隔膜以聚烯烴類有機(jī)隔膜為主，具有良好的機(jī)械強(qiáng)度，但作為高分子材料在高溫環(huán)境下易發(fā)生物相變化。例如，有機(jī)隔膜在130~150 ℃條件下會(huì)發(fā)生急劇收縮甚至融化，導(dǎo)致電池短路，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)起火、爆炸等事故。
針對(duì)以上缺陷，研究人員在傳統(tǒng)的聚烯烴膜基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)多種類型的隔膜（提高熱穩(wěn)定性）。北京理工大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在量產(chǎn)隔膜的兩側(cè)原位生長(zhǎng)聚多巴胺，得到雙面聚多巴胺改性隔膜；在鋰硫電池應(yīng)用中，朝向硫正極一側(cè)的聚多巴胺作為物理屏障和化學(xué)吸附層以阻擋多硫化物的穿梭，朝向鋰金屬負(fù)極一側(cè)的聚多巴胺提高負(fù)極和隔膜之間的相互作用力以防止鋰枝晶生長(zhǎng)，正、負(fù)極兩側(cè)的聚多巴胺均選擇性透過(guò)鋰離子以阻擋多硫化物穿梭。在具有三維納米纖維結(jié)構(gòu)的聚氨脂中，采用靜電紡絲技術(shù)制備了含填充陶瓷材料的新型隔膜，這種薄膜具有更小的平均孔徑（1.08 μm）、更高的孔隙率（63.7%）、更高的吸液率（371%）、更高的離子電導(dǎo)率（0.65 mS/cm），在211 ℃條件下熱穩(wěn)定、機(jī)械性能較好、無(wú)明顯收縮。陶瓷隔膜改性雖然提高了隔膜的耐熱性、吸液 / 保液性、電池安全性，但會(huì)增加隔膜厚度和電池內(nèi)阻，使電池能量密度降低、隔膜成本增加。從安全性能、快充性能、循環(huán)壽命等角度看，芳綸涂覆全面超出陶瓷涂覆，具有更優(yōu)異的性能。隨著儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，芳綸涂覆隔膜的市場(chǎng)快速拓寬。目前，國(guó)際主流的電動(dòng)汽車用鋰電池多采用芳綸涂覆隔膜，使得市場(chǎng)供應(yīng)形勢(shì)趨緊。
（三）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)持續(xù)創(chuàng)新
儲(chǔ)能電池制造工藝分布于從上游原材料到芯包再到成品電池的全流程。按照封裝方式、電芯形狀的不同，儲(chǔ)能電池主要分為方形電池、圓柱電池、軟包電池。電池封裝工藝的發(fā)展趨勢(shì)，究其本質(zhì)是在保證安全性的前提下提升電池能量密度的上限。圓柱電池一般是全極耳電池，相對(duì)方形電池的制備工藝而言，取消了前段工序中的模切制片工藝。軟包電池是使用了鋁塑包裝膜作為包裝材料的電芯，其工藝與方形電池的不同點(diǎn)起始于卷繞工藝，而前段工藝基本一致。一般認(rèn)為，軟包外殼的支撐較弱，而方形、圓柱電池更適合開(kāi)展結(jié)構(gòu)創(chuàng)新。
國(guó)際主流的電動(dòng)汽車商采用新一代4680圓柱電池，其核心創(chuàng)新工藝是大電芯+全極耳+干電池技術(shù)；采用了CTC（Cell to Chassis）電池架構(gòu)，將電池直接集成在電動(dòng)車底盤(pán)上（取消了4680電池陣列上的電池蓋板），4680單體電芯的能量提高至2170電芯的5倍，使整車?yán)m(xù)航里程增加16%。寧德時(shí)代新能源科技股份有限公司依據(jù)電化學(xué)本質(zhì)，持續(xù)開(kāi)展電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)創(chuàng)新；2019年率先推出了無(wú)模組電池包（CTP）產(chǎn)品，電池體積利用率超過(guò)50%；2022年推出了第三代CTP產(chǎn)品，通過(guò)材料、電芯、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)等的全面優(yōu)化，完全取消了模組形態(tài)設(shè)計(jì)，使電池的體積利用率超過(guò)72%，配用三元電池系統(tǒng)、磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)的能量密度分別提升至255 W·h/kg、160 W·h/kg。比亞迪股份有限公司研發(fā)的刀片電池，優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在磷酸鐵鋰電池的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)，即改變了電池的單體形狀并直接布置在電池包內(nèi)（無(wú)模組化）；疊片工藝在安全性、能量密度、工藝控制等方面相比卷繞工藝更具優(yōu)勢(shì)，使磷酸鐵鋰系統(tǒng)能量密度>150 W·h/kg并兼顧了安全性。
四、電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)及面臨的挑戰(zhàn)
（一）電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
1. 制備工藝趨向標(biāo)準(zhǔn)化
《國(guó)家發(fā)展改革委 國(guó)家能源局關(guān)于加快推動(dòng)新型儲(chǔ)能發(fā)展的指導(dǎo)意見(jiàn)》（2021年）提出，完善和優(yōu)化儲(chǔ)能項(xiàng)目管理程序，健全技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢測(cè)認(rèn)證體系，提升行業(yè)建設(shè)運(yùn)行水平。在行業(yè)政策層面，電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性依然是重點(diǎn)監(jiān)督內(nèi)容。電池制備工序繁多，單一工序的制造問(wèn)題都會(huì)影響成品電芯的質(zhì)量。研究?jī)?chǔ)能電池的智能分選優(yōu)化技術(shù)，針對(duì)不同電化學(xué)性能的電池進(jìn)行科學(xué)分類，減少電池組中單體電池的不一致性，提高電池組的容量使用率和循環(huán)壽命。
2. 技術(shù)趨向優(yōu)質(zhì)化、智能化、數(shù)字化
安全問(wèn)題一直是儲(chǔ)能行業(yè)發(fā)展的重中之重。液流電池、鉛酸電池具有較好的安全性，能夠滿足電化學(xué)儲(chǔ)能電站的要求，但需要嚴(yán)格控制電池充電截止電壓，防止水溶液過(guò)壓電解后析氫爆炸。鋰離子電池安全隱患較為突出，工作溫度達(dá)到極限時(shí)氧化劑和還原劑均易與電解液發(fā)生大量生熱的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生爆炸現(xiàn)象。開(kāi)發(fā)固態(tài)電池技術(shù)是解決相應(yīng)安全隱患、提升能量密度的可行方向，而當(dāng)前研究仍處在實(shí)驗(yàn)室到產(chǎn)業(yè)化的孵化階段，固態(tài)電解質(zhì)電導(dǎo)率等技術(shù)難點(diǎn)有待突破。
智能化的儲(chǔ)能電池管理系統(tǒng)，易于匹配各個(gè)電池單元設(shè)計(jì)方案，可在最大程度上將電池管理系統(tǒng)（BMS）、能量管理系統(tǒng)、儲(chǔ)能變流器等軟 / 硬件緊密耦合，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、消防安全資源一體化、電池健康狀態(tài)可視化?；陂L(zhǎng)期積累的專業(yè)數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等信息技術(shù)，建立高質(zhì)量的仿真模型，支持開(kāi)展電化學(xué)儲(chǔ)能智能運(yùn)維；可靠預(yù)測(cè)電池全生命周期狀態(tài)、循環(huán)壽命、能量輸出、功率價(jià)值等關(guān)鍵參數(shù)，開(kāi)展電池效率的精準(zhǔn)評(píng)價(jià)，增強(qiáng)儲(chǔ)能系統(tǒng)的精細(xì)化、自適應(yīng)控制能力，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)高效運(yùn)行和充分利用。
在制造過(guò)程中，儲(chǔ)能電池趨向于原材料、裝備、工藝、輔材、人工等均使用數(shù)字編碼定義。建立數(shù)字化的電池器件制造車間，在制造過(guò)程中引入制造參數(shù)及質(zhì)量的在線檢測(cè)能力，閉環(huán)制造工藝調(diào)整過(guò)程。例如，對(duì)電池生產(chǎn)過(guò)程中的各種原材料、產(chǎn)品生產(chǎn)步驟進(jìn)行跟蹤并記錄，確保電芯的制造質(zhì)量；對(duì)于存在問(wèn)題的電芯，可追溯制造過(guò)程并檢驗(yàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確性。
（二）電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)
1. 產(chǎn)品規(guī)格不統(tǒng)一
當(dāng)前，儲(chǔ)能電池產(chǎn)品的尺寸、形狀、容量、電壓各不相同，不具有通用性，不僅給新能源汽車、儲(chǔ)能電站研發(fā)企業(yè)的匹配、選型、采購(gòu)帶來(lái)了困擾，也不利于儲(chǔ)能電池企業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)和制造成本優(yōu)化，進(jìn)而阻礙了規(guī)?；蜆?biāo)準(zhǔn)化應(yīng)用。儲(chǔ)能電池規(guī)格的不統(tǒng)一，直接導(dǎo)致產(chǎn)品互換性較差；電池使用者每開(kāi)發(fā)一種產(chǎn)品，就對(duì)儲(chǔ)能電池提出新增需求，再由電池制造企業(yè)調(diào)整生產(chǎn)工序以對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定制化生產(chǎn)，不利于集約化、高效化生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。電池制造工序繁雜，若同時(shí)生產(chǎn)規(guī)格過(guò)多的電池，將顯著加大電池制造信息獲取、質(zhì)量檢測(cè)、工藝分析等環(huán)節(jié)的難度及成本。電池種類繁多，也將加大退役電池回收再利用的難度。
2. 檢測(cè)平臺(tái)不完善
隨著儲(chǔ)能電池產(chǎn)品的規(guī)?；瘧?yīng)用，各類應(yīng)用場(chǎng)景下的不同運(yùn)行工況導(dǎo)致了特性各異的電池老化失效機(jī)制，而電池老化對(duì)整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的可靠運(yùn)行有著關(guān)鍵影響。目前，“材料 – 器件 – 系統(tǒng)”的連續(xù)研發(fā)評(píng)價(jià)模式尚未形成，全生命周期內(nèi)的原位表征技術(shù)及模擬計(jì)算方法也待發(fā)展。為了滿足市場(chǎng)對(duì)儲(chǔ)能電池產(chǎn)品的應(yīng)用需求，亟需研究服役工況下電化學(xué)儲(chǔ)能器件與系統(tǒng)的原位實(shí)時(shí)表征技術(shù)，從“材料篩選 – 器件制備 – 電池選型 – 電池性能測(cè)試 – 失效機(jī)制分析”的全流程出發(fā)，形成電池產(chǎn)品的全生命周期評(píng)價(jià)系統(tǒng)；探索應(yīng)用大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)，構(gòu)建兼顧精度和可靠性的分析方法。
3. 理論與實(shí)踐不貫通
關(guān)鍵材料研究是發(fā)展電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的基礎(chǔ)。當(dāng)前的儲(chǔ)能材料研發(fā)高度依賴研究者的“嘗試法”實(shí)驗(yàn)、積累經(jīng)驗(yàn)與科學(xué)直覺(jué)，實(shí)驗(yàn)室研究也無(wú)法滿足各類應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)儲(chǔ)能器件能量密度、功率密度、循環(huán)壽命的需求。需要采取由應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的“逆向思維”來(lái)設(shè)計(jì)材料結(jié)構(gòu)。發(fā)揮大數(shù)據(jù)、人工智能技術(shù)對(duì)相關(guān)模擬計(jì)算的賦能作用，面向各類具體應(yīng)用場(chǎng)景，針對(duì)性開(kāi)展儲(chǔ)能系統(tǒng)、儲(chǔ)能器件、關(guān)鍵材料設(shè)計(jì)并挖掘有效組合；以基礎(chǔ)技術(shù)創(chuàng)新提高電池材料和組件的研發(fā)水平，促進(jìn)電池的優(yōu)質(zhì)制造與規(guī)?；渴稹Ｔ诠I(yè)應(yīng)用背景下開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)研究，立足現(xiàn)實(shí)條件對(duì)新材料及組件技術(shù)進(jìn)行交叉驗(yàn)證，加快確定科學(xué)的選材方向以加速推動(dòng)電池技術(shù)演進(jìn)。
4. 應(yīng)用成本不理想
儲(chǔ)能的成本問(wèn)題一直是制約商業(yè)化、規(guī)模化發(fā)展的瓶頸因素。以當(dāng)前的主流產(chǎn)品為例，百兆瓦級(jí)鋰離子電池的全生命周期內(nèi)成本最低約為0.67元/kW·h，明顯高于抽水蓄能成本（0.21~0.25元/kW·h）。近年來(lái)，我國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)盡管進(jìn)步明顯，但與發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)水平相比仍存在差距。電化學(xué)儲(chǔ)能主要用于調(diào)頻、容量備用等，如美國(guó)賓夕法尼亞 – 新澤西 – 馬里蘭市場(chǎng)中調(diào)頻輔助服務(wù)約有80%采用鋰離子電池，澳大利亞參與調(diào)頻的在運(yùn)儲(chǔ)能裝機(jī)（110 MW）中約有98%采用鋰離子電池。電化學(xué)儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)在于響應(yīng)能力快速、地理環(huán)境要求不高，更適合較高功率要求的應(yīng)用場(chǎng)合；但在較高放電時(shí)長(zhǎng)需求的調(diào)峰方向，相應(yīng)技術(shù)成本尚難以與傳統(tǒng)發(fā)電資源競(jìng)爭(zhēng)。
五、我國(guó)電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展方向與建議
（一）發(fā)展目標(biāo)
面向“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)，以產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展、示范應(yīng)用為牽引，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景下的電化學(xué)儲(chǔ)能性能需求，以電化學(xué)儲(chǔ)能關(guān)鍵材料和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新為主攻方向，深化電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)體系的基礎(chǔ)創(chuàng)新與應(yīng)用研究。建設(shè)并完善關(guān)鍵材料的研發(fā)、測(cè)試、應(yīng)用驗(yàn)證智能化平臺(tái)，盡快形成自主可控的關(guān)鍵核心技術(shù)體系，推動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展，促進(jìn)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型。
到2025年，運(yùn)用低碳化、數(shù)字化、智能化方法，健全電化學(xué)儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)自主可控；能量型鋰離子電池的單體比容量≥300 W·h/kg，功率型和混合型電池的單體比容量≥200 W·h/kg，通過(guò)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)材料利用率≥92%；基本建成儲(chǔ)能電池的模型化、數(shù)字化體系，顯著提升產(chǎn)品性能及制造技術(shù)水平；電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)?！?0 GW，系統(tǒng)綜合成本降低30%以上。
到2035年，全面掌握鋰離子電池、鈉離子電池、新體系電池的的儲(chǔ)能單元、系統(tǒng)集成、模塊以及智能制造技術(shù)；鋰電池的單體比能量≥500 W·h/kg，半固態(tài)電池、全固態(tài)鋰電池、鋰硫電池等新體系電池的比能量≥400 W·h/kg，循環(huán)次數(shù)≥1000次，材料利用率≥98%；儲(chǔ)能電池產(chǎn)業(yè)鏈成熟，全面實(shí)現(xiàn)智能化制造；電化學(xué)儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模≥110 GW，與電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)深度融合，滿足新型電力系統(tǒng)的構(gòu)建需求。
（二）發(fā)展方向
1. 高性能、高安全性、低成本的關(guān)鍵材料
開(kāi)發(fā)高比容量、高電壓鋰離子電池 / 鈉離子電池的正極材料，通過(guò)過(guò)渡金屬取代、表面修飾、體相摻雜等方式改善深脫離狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和放電電壓。開(kāi)發(fā)高穩(wěn)定性、高容量的負(fù)極材料，解決充 / 放電過(guò)程中體積膨脹、導(dǎo)電性差等問(wèn)題；開(kāi)發(fā)高電壓、高安全性、寬溫區(qū)的新型固態(tài)電解質(zhì)，闡明電極材料與電解質(zhì)的界面特性。攻關(guān)隔膜制備工藝及技術(shù)，開(kāi)發(fā)高安全性、防短路、耐熱的隔膜類型，提升鋰離子電池的能量密度、功能密度、循環(huán)壽命、安全性并降低產(chǎn)品成本。針對(duì)鋰硫電池、鋰空電池、全固態(tài)電池等新體系電池，前瞻研究電池反應(yīng)新原理與新機(jī)制、電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)調(diào)控機(jī)制及改性策略，提高技術(shù)成熟度以逐步適應(yīng)工程應(yīng)用。
2. 儲(chǔ)能器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化及評(píng)價(jià)
開(kāi)發(fā)高能量、高功率、長(zhǎng)壽命、低成本的儲(chǔ)能器件，設(shè)計(jì)和優(yōu)化電芯結(jié)構(gòu)，通過(guò)工藝過(guò)程、裝備標(biāo)準(zhǔn)化控制等技術(shù)手段提高單體電池的一致性。研究材料結(jié)構(gòu)、表面、界面、器件與電化學(xué)性能的關(guān)聯(lián)及規(guī)律，發(fā)展電池性能、安全狀態(tài)的在線智能診斷及預(yù)警技術(shù)，闡明電池安全影響因素與失效機(jī)制。針對(duì)儲(chǔ)能過(guò)程“熱 – 電 – 力”耦合模型和壽命衰減，突破仿真分析、測(cè)試驗(yàn)證、智能檢測(cè)、精密控制等技術(shù)難點(diǎn)，改善電池制造效率和產(chǎn)品質(zhì)量。推進(jìn)儲(chǔ)能器件規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)化，提高電池梯次利用、器件互換的便利性，促進(jìn)低損耗、低投入、高效率的拆解技術(shù)發(fā)展，建設(shè)智能化、高效率、低成本的鋰電池回收生產(chǎn)線。
3. 儲(chǔ)能系統(tǒng)多能互補(bǔ)及智能化設(shè)計(jì)
針對(duì)新型電力系統(tǒng)不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)儲(chǔ)能器件的需求，研發(fā)儲(chǔ)能系統(tǒng)與電池器件的智慧協(xié)同控制關(guān)鍵技術(shù)。基于能量信息化處理、動(dòng)態(tài)可重構(gòu)電池網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)，建立服役工況下電化學(xué)儲(chǔ)能器件的在線原位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)表征方法；針對(duì)全部單體電芯及模組，實(shí)時(shí)采集電池端的溫度、電壓、充 / 放電電流數(shù)據(jù)，基于統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)合理規(guī)避電池的過(guò)充、過(guò)放現(xiàn)象。運(yùn)用大數(shù)據(jù)、可視化、BMS優(yōu)化等技術(shù)，對(duì)電池組開(kāi)展實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析及均衡管理，保持電池狀態(tài)的趨同性，從使用過(guò)程出發(fā)改善電池的一致性問(wèn)題。
圖1 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略研究框架
4. 電化學(xué)儲(chǔ)能商業(yè)化應(yīng)用模式
立足電力系統(tǒng)的實(shí)際需求，提煉“源網(wǎng)荷”側(cè)電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景并推動(dòng)儲(chǔ)能規(guī)?；l(fā)展，切實(shí)解決新能源發(fā)電的有效消納問(wèn)題。重點(diǎn)依托“新能源+儲(chǔ)能”、基地電力開(kāi)發(fā)外送等模式，合理布局發(fā)電側(cè)儲(chǔ)能，建立電力“源網(wǎng)荷儲(chǔ)”一體化模式；靈活布局用戶側(cè)新型儲(chǔ)能，發(fā)揮供電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的輔助保障作用。健全調(diào)度運(yùn)行機(jī)制，促進(jìn)新型儲(chǔ)能發(fā)揮電力、電量雙調(diào)節(jié)的功能。部署高效率、低成本、高安全性的儲(chǔ)能裝備，提升儲(chǔ)能系統(tǒng)集成的專業(yè)化水平，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)與用能設(shè)備之間的良好適配。以電化學(xué)儲(chǔ)能為代表的新型儲(chǔ)能是能源革命的關(guān)鍵支撐技術(shù)，本研究針對(duì)性提出了發(fā)展戰(zhàn)略研究框架（見(jiàn)圖1）。
（三）發(fā)展建議
1. 聚焦儲(chǔ)能技術(shù)攻關(guān)，強(qiáng)化試點(diǎn)示范應(yīng)用
針對(duì)高安全性、長(zhǎng)循環(huán)、低成本的電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，前瞻部署下一代電池體系研發(fā)，以電池技術(shù)進(jìn)步驅(qū)動(dòng)規(guī)?；袌?chǎng)應(yīng)用。引導(dǎo)高校、企業(yè)、科研院所聯(lián)合開(kāi)展技術(shù)攻關(guān)，建設(shè)“產(chǎn)學(xué)研”協(xié)同的儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)試驗(yàn)基地。重點(diǎn)發(fā)展關(guān)鍵核心材料，優(yōu)化制備技術(shù)，探索新型電化學(xué)儲(chǔ)能應(yīng)用場(chǎng)景，著力推進(jìn)試點(diǎn)示范項(xiàng)目。遴選優(yōu)勢(shì)企業(yè)、明確重點(diǎn)場(chǎng)景，以“揭榜掛帥”方式推進(jìn)新型儲(chǔ)能應(yīng)用示范企業(yè)與示范場(chǎng)景建設(shè)。
2. 聚焦安全發(fā)展需求，制定行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系
科學(xué)制定行業(yè)政策、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、評(píng)價(jià)體系，及時(shí)完善電化學(xué)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)，注重技術(shù)開(kāi)發(fā)、產(chǎn)業(yè)布局、安全控制的頂層設(shè)計(jì)與縱向統(tǒng)籌。根據(jù)儲(chǔ)能發(fā)展形勢(shì)、安全運(yùn)行的需要，開(kāi)展主導(dǎo)應(yīng)用場(chǎng)景的儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)制定和修訂，建立覆蓋全產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系。從儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系的頂層設(shè)計(jì)出發(fā)，加強(qiáng)儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)體系與現(xiàn)行能源電力系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的銜接，推動(dòng)儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)的落地實(shí)施。
3. 聚焦智能平臺(tái)能力，完善基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)
以大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能、區(qū)塊鏈為支撐，構(gòu)建智慧管理平臺(tái)系統(tǒng)，用于電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化調(diào)度、在線監(jiān)控、安全預(yù)警、運(yùn)行評(píng)估等。鼓勵(lì)采用電化學(xué)儲(chǔ)能作為數(shù)據(jù)中心、5G基站的多元化儲(chǔ)能及備用電源裝置，支持建設(shè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程研究中心、產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新中心等技術(shù)與發(fā)展研究平臺(tái)。創(chuàng)建新型儲(chǔ)能關(guān)鍵材料與工程化應(yīng)用平臺(tái)、新型結(jié)構(gòu)與安全防護(hù)管理系統(tǒng)平臺(tái)、新型儲(chǔ)能資源再生創(chuàng)新中心，以機(jī)制創(chuàng)新為突破口，實(shí)現(xiàn)科技成果向產(chǎn)業(yè)的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化。強(qiáng)化新型儲(chǔ)能的應(yīng)用示范、檢測(cè)評(píng)價(jià)等平臺(tái)作用。
4. 聚焦學(xué)科長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，培育儲(chǔ)能人才團(tuán)隊(duì)
加強(qiáng)電化學(xué)儲(chǔ)能學(xué)科建設(shè)，鼓勵(lì)多學(xué)科交叉，實(shí)施“產(chǎn)教融合”人才培養(yǎng)模式，增強(qiáng)技術(shù)人才的理論與應(yīng)用水平。著重培育電化學(xué)儲(chǔ)能基礎(chǔ)研究人才團(tuán)隊(duì)，加大儲(chǔ)能技術(shù)基礎(chǔ)研究投入力度，注重知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)?；诿嫦驊?yīng)用的儲(chǔ)能學(xué)科特征，革新應(yīng)用型科技人才的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，引導(dǎo)高校、科研院所的人才團(tuán)隊(duì)主動(dòng)對(duì)接企業(yè)實(shí)際需求。面向大規(guī)?？稍偕茉聪{的專業(yè)發(fā)展目標(biāo)，加快電化學(xué)儲(chǔ)能專業(yè)發(fā)展，更好支撐長(zhǎng)周期儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求。在主要能源企業(yè)中，擇優(yōu)設(shè)立儲(chǔ)能方向的博士后工作站，促進(jìn)高水平儲(chǔ)能科技人才成長(zhǎng)。
