中國儲能網(wǎng)訊：
作者：陳海生1, 李泓2, 徐玉杰1等
單位：1. 中國科學(xué)院工程熱物理研究所；2. 中國科學(xué)院物理研究所，北京 100190等
引用本文： 陳海生, 李泓, 徐玉杰, 等. 2022年中國儲能技術(shù)研究進(jìn)展[J]. 儲能科學(xué)與技術(shù), 2023, 12(5): 1516-1552.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0330
摘 要 本文對2022年度中國儲能技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)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)了2022年中國儲能領(lǐng)域的主要技術(shù)進(jìn)展，包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、鋰離子電池、鉛蓄電池、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。結(jié)果表明，2022年中國儲能技術(shù)在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范方面均有重要進(jìn)展，中國已成為世界儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)和集成應(yīng)用最活躍的國家。
關(guān)鍵詞 儲能；技術(shù)；進(jìn)展
儲能是能源革命的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)的重要支撐，也是催生國內(nèi)能源新業(yè)態(tài)、搶占國際戰(zhàn)略新高地的重要領(lǐng)域。當(dāng)前，我國儲能行業(yè)整體處于由商業(yè)化初期向規(guī)?；l(fā)展的過渡階段，在技術(shù)研發(fā)、示范項(xiàng)目、商業(yè)模式、政策體系等方面均快速發(fā)展。2021年，筆者曾對當(dāng)年中國的主要儲能技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，得到了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注。2022年，隨著國家雙碳戰(zhàn)略和能源革命的深入實(shí)施，我國儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展勢頭強(qiáng)勁，一是儲能技術(shù)研究持續(xù)活躍；二是儲能市場規(guī)?？焖僭鲩L；三是儲能產(chǎn)業(yè)鏈日趨成熟；四是儲能政策支持力度加大；五是資本市場熱度逐步提高。總體上，中國儲能行業(yè)經(jīng)歷了快速發(fā)展的一年，各種儲能技術(shù)取得了很多新的重要進(jìn)展。學(xué)術(shù)界和工業(yè)界非常希望筆者能繼續(xù)撰寫一篇綜述性文章，對2022年中國儲能技術(shù)的最新研究進(jìn)展進(jìn)行回顧和分析。
本文是受《儲能科學(xué)與技術(shù)》期刊邀請，依托中國能源研究會儲能專委會和中國化工學(xué)會儲能工程專委會的專家，在2021年綜述文章的基礎(chǔ)上，對2022年我國主要儲能技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)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、新型儲能技術(shù)、集成技術(shù)和消防安全技術(shù)等。希望通過對我國主要儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范的綜述和分析，總結(jié)2022年中國儲能技術(shù)領(lǐng)域的主要進(jìn)展，為儲能領(lǐng)域的政策制定者、科研工作者和工程技術(shù)人員提供參考。
本文共分14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、周學(xué)志、彭煜民、馬一鳴撰寫，第2節(jié)壓縮空氣儲能由徐玉杰、郭歡、王星、周鑫撰寫，第3節(jié)儲熱儲冷由王亮、馮自平、林曦鵬、宋文吉、陳海生撰寫，第4節(jié)飛輪儲能由戴興建、胡東旭、岳芬撰寫，第5節(jié)鉛蓄電池由唐西勝、林海波、李杰才撰寫，第6節(jié)鋰離子電池由李泓、尉海軍、陳人杰、劉世奇、潘新慧、李麗、劉亞濤、龐全全撰寫，第7節(jié)液流電池由李先鋒、張長昆、俞振華撰寫，第8節(jié)鈉離子電池由胡勇勝、容曉暉撰寫，第9節(jié)超級電容器由馬衍偉、劉語、張熊撰寫，第10節(jié)新型儲能技術(shù)由肖立業(yè)、周學(xué)志(重力儲能)、王亮、張涵(熱泵儲電)、徐玉杰、朱軼林(壓縮二氧化碳)、蔣凱(液態(tài)金屬)、陳軍、李福軍(有機(jī)電池)、唐永炳、歐學(xué)武(雙離子電池)撰寫，第11節(jié)系統(tǒng)集成技術(shù)由蘇偉、宋振、劉為撰寫，第12節(jié)系統(tǒng)消防安全技術(shù)由王青松、卓萍、金凱強(qiáng)、姜麗華、李煌、李臻撰寫，第13節(jié)綜合分析由陳海生、張宇鑫撰寫，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。由于作者水平有限，加之時間倉促，文中不足和不妥之處，敬請讀者批評指正。
1 抽水蓄能
抽水蓄能具有儲能容量大、系統(tǒng)效率高、運(yùn)行壽命長、響應(yīng)快速、工況靈活、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，是目前大規(guī)模儲能的主流技術(shù)。2022年，我國出臺了加快部署“十四五”時期抽水蓄能開發(fā)建設(shè)的文件，為抽水蓄能產(chǎn)業(yè)的加速發(fā)展提供了政策支持。目前，機(jī)組性能退化和故障診斷、運(yùn)行控制和調(diào)度優(yōu)化、新型抽水蓄能等是基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)方向；技術(shù)研發(fā)和示范的重點(diǎn)包括變速機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)、高水頭大容量機(jī)組監(jiān)測與控制技術(shù)，以及抽水蓄能與可再生能源聯(lián)合控制技術(shù)等。
1.1 基礎(chǔ)研究
在機(jī)組性能退化預(yù)測方面，Chen等為實(shí)現(xiàn)抽水蓄能復(fù)雜性能退化指數(shù)序列下的精確退化趨勢預(yù)測，提出了一種集最大信息系數(shù)、輕梯度助推機(jī)、變分模式分解和門控循環(huán)單元為一體的組合預(yù)測模型，獲得了精度最高的健康模型和最佳預(yù)測性能。
在機(jī)組故障診斷方面，Ren等針對噪聲的干擾問題，提出一種降噪方法，可較好地處理壓力脈動信號，有利于抽水蓄能機(jī)組的故障準(zhǔn)確診斷。唐擁軍等提出了等效連續(xù)L聲級的聲級譜構(gòu)建方法，可檢測出機(jī)組的異常狀態(tài)和異常原因。文獻(xiàn)[11-12]用不同濾波算法和數(shù)據(jù)分析相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電站甩荷工況的實(shí)時有效檢測。
在啟動和運(yùn)行控制方面，馮陳等為解決低水頭工況下抽水蓄能機(jī)組背靠背啟動因調(diào)速與勵磁參數(shù)配合不當(dāng)而失敗的問題，提出一種基于精細(xì)化建模的背靠背啟動多目標(biāo)優(yōu)化策略，能有效地抑制拖動機(jī)深入反S特性區(qū)運(yùn)行。吳偉亮等在變頻啟動控制策略等方面提出了具有工程價值的實(shí)用方法。
在運(yùn)行調(diào)度及系統(tǒng)優(yōu)化方面，陳偉偉等提出一種考慮需求響應(yīng)及抽水蓄能的魯棒機(jī)組組合優(yōu)化方法，以系統(tǒng)運(yùn)行成本最小為目標(biāo)構(gòu)建了魯棒機(jī)組組合模型。Ji等提出抽水蓄能電站選址評價指標(biāo)體系和評價模型，基于周期消除的組合評價模型解決了評價結(jié)論不一致的問題，大大提高了組合評價模型的有效性。文獻(xiàn)[17-19]提出了光伏/抽水蓄能/電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并基于改進(jìn)濾波系統(tǒng)控制技術(shù)和虛擬下垂控制策略等，提高了整個系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。文獻(xiàn)[20-21]建立了蓄能機(jī)組與鋰電池耦合儲能模型，提出基于模糊控制理論的儲能系統(tǒng)參與的二次調(diào)頻策略，有效提高系統(tǒng)效率和動態(tài)響應(yīng)速度。文獻(xiàn)[22-25]針對新能源-抽水蓄能混合系統(tǒng)開展了容量、調(diào)度優(yōu)化和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行策略研究。
在變速抽水蓄能技術(shù)方面，賈鑫等對變速抽水蓄能協(xié)調(diào)控制單元的輸入輸出、功能性能、控制方法及控制模式進(jìn)行了研究，給出了變速機(jī)組適應(yīng)電網(wǎng)不同頻差以及調(diào)整負(fù)荷的靈活調(diào)節(jié)策略。Deng等建立了雙饋感應(yīng)電機(jī)的變速抽水蓄能(VSPSP)數(shù)值模型，驗(yàn)證了其調(diào)節(jié)的快速性和可靠性。楊建東等提出可變速抽水蓄能機(jī)組突破反S特性的快速啟動測量與監(jiān)控系統(tǒng)，為解決低水頭條件由空載頻率波動導(dǎo)致的并網(wǎng)難問題奠定基礎(chǔ)。王博等提出采用斜槽和開輔助槽等優(yōu)化方法來削弱徑向電磁力和振動。文獻(xiàn)[30-32]建立了可變速抽水蓄能機(jī)組電磁功率和轉(zhuǎn)矩?cái)?shù)學(xué)模型，分析其多工況運(yùn)行機(jī)理。文獻(xiàn)[33-34]則提出一種轉(zhuǎn)子動能與導(dǎo)葉開度協(xié)調(diào)控制的控制策略。
在新型抽水蓄能技術(shù)方面，滕軍等從資源評估與限制原則、水工建筑物設(shè)計(jì)、機(jī)電設(shè)計(jì)等方面系統(tǒng)闡述海水抽水蓄能電站設(shè)計(jì)面臨的主要問題、解決路徑及研究成果等。盧開放等綜合考慮巖石力學(xué)、礦山規(guī)劃、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等多方面影響因素，對云南省利用廢棄礦井建設(shè)抽水蓄能電站的開發(fā)潛力進(jìn)行了定量評估，指出利用廢棄礦井改造建設(shè)抽水蓄能電站具有一定的可行性，能夠產(chǎn)生較好的動靜態(tài)效益。
1.2 關(guān)鍵技術(shù)
2022年，國內(nèi)首臺自主研發(fā)的5 MW級全功率變速恒頻抽水蓄能機(jī)組在四川春廠壩抽水蓄能電站成功并網(wǎng)發(fā)電，標(biāo)志著我國在快速響應(yīng)全功率變速恒頻可逆式抽水蓄能成套設(shè)備設(shè)計(jì)、制造和協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)方面取得了重大進(jìn)展，為后續(xù)攻克抽水蓄能大型變速機(jī)組技術(shù)瓶頸奠定了基礎(chǔ)。
2022年，文登抽水蓄能電站進(jìn)入試運(yùn)行，在國內(nèi)首次采用了22個導(dǎo)葉配9葉片轉(zhuǎn)輪的水泵水輪機(jī)，實(shí)現(xiàn)了高水力性能與低相位共振概率、高穩(wěn)定性的技術(shù)突破。金寨電站在世界上首次采用13葉片的轉(zhuǎn)輪機(jī)組?；臏想娬臼状尾捎昧藝鴥?nèi)最先進(jìn)的抗凍技術(shù)，解決了嚴(yán)寒環(huán)境水下混凝土耐久性、抗凍性等質(zhì)量難題。
大容量蓄能機(jī)組制造安裝技術(shù)繼續(xù)取得突破，首套蓄能機(jī)組國產(chǎn)化開關(guān)成套設(shè)備成功應(yīng)用于梅州抽水蓄能電站4號機(jī)組，機(jī)組導(dǎo)水機(jī)構(gòu)數(shù)字化虛擬預(yù)裝技術(shù)在永泰抽水蓄能電站首次應(yīng)用。抽水蓄能多廠站集中監(jiān)控技術(shù)取得重要進(jìn)展，南方電網(wǎng)儲能股份有限公司建成國內(nèi)首個千萬千瓦級抽水蓄能多廠站集中控制系統(tǒng)。
1.3 集成示范
2022年，我國抽水蓄能電站的建設(shè)加速推進(jìn)，沂蒙、敦化、梅州、陽江、荒溝、長龍山、周寧、金寨等抽水蓄能電站相繼全面投產(chǎn)發(fā)電。其中，敦化電站下水庫蓄水后監(jiān)測日滲漏量在國內(nèi)同類工程處于領(lǐng)先水平。梅州、陽江百萬千瓦級抽水蓄能電站，使粵港澳大灣區(qū)電網(wǎng)成為世界上抽水蓄能裝機(jī)容量最大、電網(wǎng)調(diào)節(jié)能力最強(qiáng)、清潔能源消納比重最高的世界級灣區(qū)電網(wǎng)，梅州電站4號機(jī)組開關(guān)成套設(shè)備實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化。
四川春廠壩抽水蓄能電站攻克了我國梯級水光蓄互補(bǔ)電站容量優(yōu)化配置及接入技術(shù)難題，成功投運(yùn)我國首臺全功率變速恒頻抽蓄機(jī)組。國內(nèi)首個單機(jī)40萬千瓦變速抽水蓄能工程項(xiàng)目南方電網(wǎng)惠州中洞抽水蓄能電站全面開工，擬安裝3臺40萬千瓦機(jī)組，其中1臺機(jī)組為變速機(jī)組，力爭2025年底前投產(chǎn)發(fā)電，將進(jìn)一步提升我國抽水蓄能設(shè)備裝備制造水平。
2 壓縮空氣儲能
壓縮空氣儲能(CAES)技術(shù)具有儲能容量大、儲能周期長、系統(tǒng)效率高、運(yùn)行壽命長、比投資小等優(yōu)點(diǎn)，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。2022年，是中國壓縮空氣儲能技術(shù)發(fā)展史上非常重要的一年，我國學(xué)者在系統(tǒng)總體特性研究、關(guān)鍵部件內(nèi)部流動與傳蓄熱研究、壓縮機(jī)和膨脹機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，以及100 MW級集成示范等方面均取得重要進(jìn)展，特別是100 MW級壓縮空氣系統(tǒng)的并網(wǎng)發(fā)電，對我國壓縮空氣儲能技術(shù)的發(fā)展具有里程碑意義。
2.1 基礎(chǔ)研究
在系統(tǒng)總體特性與參數(shù)優(yōu)化方面，Lv等提出了一種等壓絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，利用水壓保持儲氣室壓力恒定。Cao等提出了一種絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，在末級壓縮機(jī)旁邊設(shè)置噴射器，可避免壓縮機(jī)在低背壓下產(chǎn)生阻塞的問題。Ran等提出了一種蒸汽噴射的絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，通過增加飽和器回收壓縮熱，用于預(yù)熱和加濕膨脹機(jī)的入口工質(zhì)，從而提高膨脹機(jī)輸出功率和系統(tǒng)效率。Huang等提出了一種變速壓縮空氣儲能系統(tǒng)，使儲電過程的工況范圍拓寬了49%，且儲/釋電過程的功率動態(tài)響應(yīng)時間遠(yuǎn)小于定速系統(tǒng)。Guo等建立了蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)的性能解析式，可有效分析系統(tǒng)參數(shù)間的匹配關(guān)系。Huang等建立了多設(shè)計(jì)點(diǎn)下蓄熱式壓縮空氣儲能系統(tǒng)的變工況模型，獲得了系統(tǒng)設(shè)計(jì)點(diǎn)選擇與非設(shè)計(jì)點(diǎn)運(yùn)行特性間的耦合關(guān)系。Guo等建立了基于對應(yīng)點(diǎn)分析方法的壓縮空氣儲能系統(tǒng)優(yōu)化策略。耿曉倩等建立了壓縮空氣儲能系統(tǒng)的全生命周期模型，獲得了系統(tǒng)的全生命周期能效及碳排放量。
在壓縮機(jī)內(nèi)流特性及變工況調(diào)控方面，Lin等實(shí)驗(yàn)研究了變轉(zhuǎn)速葉輪背腔對壓縮機(jī)內(nèi)部流場和氣動性能影響，葉輪背腔對離心壓縮機(jī)的壓比、效率、軸功率等影響顯著。Meng等研究了帶輪蓋空腔的高壓離心壓縮機(jī)內(nèi)部流動特性，發(fā)現(xiàn)了輪蓋空腔對高壓壓縮機(jī)內(nèi)部流動性能有負(fù)面影響。Meng等實(shí)驗(yàn)研究了高壓離心壓縮機(jī)內(nèi)部速度和溫度梯度間的協(xié)同關(guān)系，高熵產(chǎn)區(qū)域?qū)?yīng)于較高協(xié)同角。Sun等對離心壓縮機(jī)的濕壓縮性能進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)研究，建立了濕壓縮性能修正模型，分析得到濕壓縮可提高壓縮效率。Meng等首次實(shí)驗(yàn)分析了高壓離心壓縮機(jī)在非設(shè)計(jì)工況下的性能，獲得了帶有進(jìn)口導(dǎo)葉的高壓離心壓縮機(jī)的綜合性能圖。Li等研究了超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)的液體膨脹機(jī)性能，發(fā)現(xiàn)非均勻流動顯著影響噴嘴總壓損失，而轉(zhuǎn)子總壓損失與低能量區(qū)域的發(fā)展有關(guān)。
在膨脹機(jī)內(nèi)流特性和變工況調(diào)控方面，Shao等實(shí)驗(yàn)研究了閉式向心渦輪集氣室的流動不均勻性和輪蓋空腔的泄漏特性，發(fā)現(xiàn)了集氣室底部附近存在多個局部高壓區(qū)域，轉(zhuǎn)速或膨脹比升高時，迷宮式密封的節(jié)流增強(qiáng)，盤腔泄漏減少率超過20%。Huang等理論和實(shí)驗(yàn)研究了末段軸流膨脹機(jī)在低負(fù)荷條件下內(nèi)流特性，獲得了低負(fù)荷條件下第一級動葉和第二級動葉入口的不均勻系數(shù)先上升后減小，總壓力的主要非均勻分布由圓周向徑向變化。Hu等[56]提出了等溫壓縮機(jī)/膨脹機(jī)結(jié)構(gòu)，揭示了管徑和流量變化對壓縮機(jī)/膨脹機(jī)的壓力、溫度、功率密度和效率的影響。李瑞雄等研究了液體活塞近等溫壓縮空氣儲能過程的熱力學(xué)性能，獲得了噴淋條件下近等溫壓縮過程主要出現(xiàn)在壓縮過程中期。Xiong等研究了不同剛度對非設(shè)計(jì)工況下膨脹機(jī)運(yùn)行特性的影響，通過優(yōu)化第一級膨脹機(jī)的定子剛度，在非設(shè)計(jì)工況下膨脹機(jī)的整體性能得到改善。
在蓄熱(冷)換熱器傳蓄熱特性方面，Qu等實(shí)驗(yàn)研究了填充床蓄冷/熱過程中的混合對流傳熱性能，獲得了適應(yīng)不同孔隙率條件的傳熱計(jì)算關(guān)聯(lián)式。廖丹等設(shè)計(jì)了一種立方體單元結(jié)構(gòu)的填充料，對所設(shè)計(jì)立方體單元的換熱與流動特性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)立方體單元在換熱速度和流動壓降兩方面具有更好的綜合性優(yōu)勢。張志浩等探究了混合加熱反應(yīng)器內(nèi)的儲熱特性與限制因素，發(fā)現(xiàn)采用直接與間接混合加熱的方式，使得反應(yīng)呈現(xiàn)向心推進(jìn)與逐層推進(jìn)相結(jié)合的形式，增進(jìn)了儲能反應(yīng)的速率。葛剛強(qiáng)等提出了一種基于非穩(wěn)態(tài)傳熱正規(guī)狀況的一維液-固兩相無量綱模型，揭示了不同參數(shù)對蓄熱器效率的影響規(guī)律。吳玉庭等理論研究了列管式固體氯化鈉蓄冷換熱器儲/釋冷過程流動與傳熱特性，指出空氣在管內(nèi)進(jìn)行跨臨界流動換熱時，在準(zhǔn)臨界溫度點(diǎn)傳熱最強(qiáng)。
在儲氣室熱力學(xué)和氣密性研究方面，Han等研究了洞穴內(nèi)部熱力學(xué)性能，井筒質(zhì)量流量是關(guān)鍵參數(shù)，流入溫度和井筒長度是次要因素，井筒內(nèi)徑、粗糙度和導(dǎo)熱系數(shù)對性能略有影響。Li等研究了硬巖洞穴內(nèi)部的熱力學(xué)性能，洞穴內(nèi)部平均空氣溫度隨著儲能空氣流量的增加和儲能時間的減少而升高。Li等建立了整個地下系統(tǒng)的井筒-儲層耦合三維模型，分析了井筒-儲層系統(tǒng)在不同階段的水力學(xué)和熱力學(xué)特性。Qin等建立了儲氣洞穴的氣密性模型，利用兩個試驗(yàn)洞室的現(xiàn)場數(shù)據(jù)驗(yàn)證了模型的有效性。在4.5～10 MPa的工作壓力范圍內(nèi)，以高分子丁基橡膠為密封材料的云岡礦溶洞日漏氣量為0.62%，滿足密封要求。
在壓縮空氣儲能系統(tǒng)與其他系統(tǒng)耦合研究方面，Ran等研究了一種新型太陽能熱增強(qiáng)的壓縮空氣儲能系統(tǒng)，使系統(tǒng)輸出更大的功率。Xue等提出了一種垃圾焚燒發(fā)電廠、沼氣發(fā)電廠與壓縮空氣儲能的集成系統(tǒng)。儲能過程中，垃圾焚燒發(fā)電廠的給水回收壓縮空氣儲能系統(tǒng)中壓縮熱；釋能過程中，壓縮空氣被垃圾焚燒鍋爐加熱，然后通過沼氣燃燒室來代替壓縮空氣儲能的燃燒室。通過系統(tǒng)集成，提高了系統(tǒng)的整體性能。Xue等提出一種結(jié)合了電解水系統(tǒng)、燃料電池、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)和壓縮空氣儲能的耦合系統(tǒng)。在儲能過程中，采用電解水和壓縮空氣儲能系統(tǒng)來儲存電力；在放電過程中，燃料電池、燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)和壓縮空氣儲能系統(tǒng)共同發(fā)電，實(shí)現(xiàn)全過程零碳排放。Zheng等提出了四種具有不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的絕熱壓縮空氣儲能與海水淡化的耦合系統(tǒng)。
2.2 關(guān)鍵技術(shù)
壓縮空氣儲能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括壓縮機(jī)技術(shù)、蓄熱(冷)換熱器技術(shù)、膨脹機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)設(shè)計(jì)、集成與控制技術(shù)等。
2022年，中國科學(xué)院工程熱物理所自主攻克了100 MW級先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的寬工況組合式壓縮機(jī)技術(shù)、高負(fù)荷軸流式膨脹機(jī)技術(shù)、高效蓄熱換熱器技術(shù)、系統(tǒng)集成與控制技術(shù)，以及系統(tǒng)與關(guān)鍵部件的調(diào)試技術(shù)，研制出100 MW系統(tǒng)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)和蓄熱換熱器樣機(jī)。根據(jù)公布的具有CNAS資質(zhì)的第三方測試結(jié)果：壓縮機(jī)效率達(dá)到87.5%；膨脹機(jī)效率達(dá)到91.8%，蓄熱換熱器保溫8 h蓄熱效率為98.95%，保溫16 h蓄熱效率為98.73%，為目前CAES蓄熱裝置效率最高紀(jì)錄，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。
此外，中國科學(xué)院工程熱物理所已經(jīng)開展300 MW級先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)的研發(fā)工作，完成了系統(tǒng)和壓縮機(jī)、膨脹機(jī)、蓄熱換熱器三大關(guān)鍵部件的詳細(xì)設(shè)計(jì)，預(yù)計(jì)2023年將完成關(guān)鍵部件研制和示范系統(tǒng)集成建設(shè)。
2.3 集成示范
繼2021年中國壓縮空氣儲能技術(shù)示范取得重要進(jìn)展后，2022年壓縮空氣儲能又取得了多項(xiàng)突破性進(jìn)展。山東肥城10 MW鹽穴先進(jìn)壓縮空氣儲能商業(yè)示范項(xiàng)目在2021年9月并網(wǎng)發(fā)電基礎(chǔ)上，于2022年7月獲準(zhǔn)參與山東省電力現(xiàn)貨市場交易，系統(tǒng)額定效率達(dá)到60.7%。江蘇金壇60 MW鹽穴壓縮空氣儲能電站于2022年5月并網(wǎng)運(yùn)行，該項(xiàng)目由中國鹽業(yè)集團(tuán)、華能集團(tuán)和清華大學(xué)共同研發(fā)，采用導(dǎo)熱油作為傳熱和儲熱介質(zhì)。河北張家口國際首套100 MW先進(jìn)壓縮空氣儲能國家級示范電站完成集成建設(shè)，并于2022年9月實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，系統(tǒng)效率達(dá)到70.2%，該項(xiàng)目獲得了河北省發(fā)改委的電價政策支持，系統(tǒng)核心裝備自主化率100%，每年可發(fā)電1.32億千瓦時以上，能夠在用電高峰為約5萬戶用戶提供電力保障，每年可節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤4.2萬噸，減少二氧化碳排放10.9萬噸，是目前世界上單機(jī)規(guī)模最大、效率最高的新型CAES電站。
此外，2022年，中國科學(xué)院工程熱物理研究所和中儲國能(北京)技術(shù)有限公司已啟動山東肥城二期300 MW、寧夏中寧100 MW、江蘇淮安465 MW等工程項(xiàng)目合計(jì)約1265 MW；大唐集團(tuán)、三峽集團(tuán)、中國電建、中國能建等企業(yè)也紛紛啟動壓縮空氣儲能示范工程項(xiàng)目。
3 儲熱儲冷
儲熱(包括儲冷)技術(shù)具有規(guī)模大、成本低、壽命長等優(yōu)點(diǎn)，在電力、建筑、工業(yè)等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)存儲熱能的方式不同，儲熱技術(shù)可分為顯熱、潛熱和熱化學(xué)儲熱三類，目前的主要研究方向包括儲熱材料、儲熱單元、儲熱系統(tǒng)與控制技術(shù)等。2022年，我國學(xué)者在儲熱材料制備與性能調(diào)控機(jī)理、儲熱單元換熱強(qiáng)化與系統(tǒng)集成示范等方面取得重要進(jìn)展。
3.1 基礎(chǔ)研究
在儲熱材料物性調(diào)控及其機(jī)理方面，形成了從納米尺度、分子尺度到宏觀尺度的研究方法，采用分子動力學(xué)揭示了熔鹽中納米顆粒中的原子運(yùn)動和相互作用是強(qiáng)化傳熱的主要貢獻(xiàn)；通過摻雜納米石墨烯可以使熔鹽相變材料熱導(dǎo)率大幅提高，納米石墨烯和熔鹽分子之間具有更優(yōu)聲子振動匹配。對于相變儲熱材料，揭示了孔隙尺度對納米多孔定形相變材料的原子振動和晶體結(jié)構(gòu)的影響，進(jìn)而獲得其對熱物性的影響機(jī)理?；诿芏确汉碚撚?jì)算研究并揭示了表面功能修飾和微觀結(jié)構(gòu)與復(fù)合相變材料性能之間的微觀關(guān)聯(lián)機(jī)制。針對定形相變材料，揭示了孔隙填充、氫鍵、生物炭與相變材料之間的疏水相互作用對封裝及物性影響機(jī)制。研制了基于各種金屬納米粒子的復(fù)合納米相變?nèi)橐合盗?，揭示了納米顆粒對于復(fù)合乳液的導(dǎo)熱、黏度和流變特性的影響及其機(jī)理。探索了熱解殘?jiān)糜谝种扑消}復(fù)合相變儲熱材料的相分離、穩(wěn)定性和熱物性提升性能。
在儲熱單元傳儲熱特性和機(jī)理方面，研究獲得了填充床儲熱單元內(nèi)混合對流特性和影響機(jī)理；揭示了垂直光滑管和翅片管儲熱單元內(nèi)的熱傳導(dǎo)、自然對流和二次流分別對儲/釋熱性能的影響機(jī)理。開展了微重力條件下的冰凌形成機(jī)制與行為，提出了增量角來描述相界面推移行為。開展了相變漿狀流體流動、相變和輸送特性研究，獲得了相變材料的微封裝、漿狀流體的高效制備過程、流動與傳熱傳質(zhì)性能優(yōu)化規(guī)律及其影響機(jī)理。
3.2 關(guān)鍵技術(shù)
在新型儲熱材料方面，開展了多種陶瓷儲熱材料、水合鹽、高溫合金以及固-固相變儲熱材料的制備及其優(yōu)化技術(shù)，制備出基于礦渣、煤灰、多孔材料和石墨等為骨架材料的多種復(fù)合相變和定形相變儲熱材料，開展了相變儲能凝膠的制備技術(shù)研究。針對熱化學(xué)儲熱技術(shù)，開展了CaCO3、Ca(OH)2、Mg(OH)2、MnCl2-NH3、錳鐵鋰三元復(fù)合金屬氧化物等多個熱化學(xué)體系的儲熱特性研究，解釋出其熱化學(xué)反應(yīng)機(jī)理。
在儲熱單元方面，開展了多種通道結(jié)構(gòu)的固體蓄熱裝置儲釋熱性能與優(yōu)化研究；設(shè)計(jì)研發(fā)了太陽能水箱以及相變水箱，獲得了其蓄釋熱特性和內(nèi)部熱分層特征；通過多種樹狀翅片、環(huán)形翅片、膠囊化、熱管以及采用泡沫銅和泡沫鋁等方式對相變過程儲放熱進(jìn)行強(qiáng)化，探究了其熔化過程自然對流的影響；研究獲得了填充床熔融鹽蓄熱單元的動態(tài)溫度與應(yīng)力特性；考察了新型噴淋式填充床儲熱特性及其影響因素；研究了靜態(tài)相變儲冷系統(tǒng)模塊化儲冷器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)、拓展結(jié)構(gòu)以及充冷儲能設(shè)施。
在儲熱系統(tǒng)及其應(yīng)用方面，研究獲得了水蓄熱、固體蓄熱等蓄熱技術(shù)與熱泵系統(tǒng)、太陽能斯特林系統(tǒng)、區(qū)域能源系統(tǒng)、日光溫室、建筑節(jié)能、絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)等相耦合的性能及運(yùn)行特性分析；開展了儲熱系統(tǒng)耦合燃煤發(fā)電系統(tǒng)調(diào)峰性能分析，動態(tài)冰漿蓄冷空調(diào)系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)研究和制冷系統(tǒng)與相變換熱儲冷系統(tǒng)的集成設(shè)計(jì)，提升了換熱效率和動態(tài)響應(yīng)特性，研發(fā)了新一代蓄冷儲能裝置和自動控制系統(tǒng)。
3.3 集成示范
在儲熱集成示范方面，采用固體儲熱、相變儲熱、水儲熱的蓄熱供暖項(xiàng)目應(yīng)用于北京冬奧會多個場館和會議中心，為北京“綠色冬奧”保駕護(hù)航。甘肅敦煌高比例新能源供熱示范項(xiàng)目正式投用，該項(xiàng)目先后建成8臺40 MW高壓電極蓄熱鍋爐和2座蓄熱罐，是國內(nèi)已建規(guī)模最大的電極鍋爐儲熱供暖項(xiàng)目。江蘇靖江電廠熔鹽儲能調(diào)峰供熱項(xiàng)目使用了1260噸無機(jī)鹽實(shí)現(xiàn)儲熱達(dá)75 MWh，是全國首個采用熔鹽儲熱技術(shù)的大規(guī)?；痣娬{(diào)峰調(diào)頻供熱項(xiàng)目。華能營口熱電廠120 MW電鍋爐靈活性輔助調(diào)峰項(xiàng)目正式投入商業(yè)運(yùn)行，可實(shí)現(xiàn)兩臺火電機(jī)組調(diào)峰“零負(fù)荷”運(yùn)行。青海貴南縣清潔供暖源網(wǎng)荷儲一體化試點(diǎn)項(xiàng)目投運(yùn)，采用的3臺8.5 MW固體蓄熱式電鍋爐，是目前國內(nèi)高海拔地區(qū)單體容量最大的固體蓄熱式電鍋爐。
在儲冷集成示范方面，采用高能效的冰漿制備技術(shù)、無源相變儲冷冷藏集裝箱技術(shù)、冷能聚合需求側(cè)響應(yīng)技術(shù)等的儲冷項(xiàng)目，廣泛服務(wù)于工藝?yán)鋮s、冷鏈物流和區(qū)域供冷等多個應(yīng)用場景。江蘇昆山鮮活果汁有限公司采用700 kW/5600 kWh的新一代直接蒸發(fā)冰漿技術(shù)，高質(zhì)量滿足了工藝生產(chǎn)對0 ℃恒溫冷源的需求；中車石家莊冷鏈公司的公鐵聯(lián)運(yùn)蓄冷集裝箱，在中歐班列等長距離貨物運(yùn)輸領(lǐng)域拓展應(yīng)用；廣州珠江新城集中供冷站82000RTh的冰蓄冷系統(tǒng)成功接入廣州市負(fù)荷側(cè)響應(yīng)的調(diào)度平臺，成為國內(nèi)首個參與夏季城市電力負(fù)荷調(diào)度響應(yīng)的超大型儲冷項(xiàng)目；深圳前海規(guī)劃建設(shè)中的10個區(qū)域集中供冷站相繼投入使用等。
4 飛輪儲能
飛輪儲能是高頻次、高效率、長壽命、低循環(huán)成本的分秒級物理儲能技術(shù)，適用于數(shù)百千瓦至數(shù)十兆瓦、持續(xù)數(shù)秒至數(shù)分鐘、頻次10萬次以上的電儲能應(yīng)用場景，是實(shí)現(xiàn)電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)節(jié)的重要技術(shù)。2022年，我國學(xué)者在飛輪、電機(jī)、軸承、變流器部件研究以及儲能系統(tǒng)集成示范應(yīng)用方面均有重要進(jìn)展。
4.1 基礎(chǔ)研究
基礎(chǔ)研究方面，我國學(xué)者在飛輪轉(zhuǎn)子動力學(xué)、磁軸承控制方法、電機(jī)損耗電磁物理、混合儲能管理等方面取得了重要進(jìn)展。周傳迪基于Floquet穩(wěn)定性理論，利用NIP算法和Newmark-β數(shù)值積分方法相結(jié)合的穩(wěn)定性分析方法，求解分析了裂紋飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)在全轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的動力穩(wěn)定性。劉鈣使用麥克斯韋張量法建立六極外轉(zhuǎn)子徑向混合磁軸承的數(shù)學(xué)模型，采用改進(jìn)粒子群算法對擴(kuò)張狀態(tài)觀測器的3個參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到了較好的磁軸承控制效果。Chen等以有限元法與二維快速傅里葉變換獲得磁密諧波的頻率以及幅值變化趨勢，闡明了永磁體表面交變磁密諧波因轉(zhuǎn)子磁橋結(jié)構(gòu)導(dǎo)引而有效降低。Bao等建立了高溫超導(dǎo)軸承及超導(dǎo)同極電機(jī)高溫超導(dǎo)線圈的電-磁-熱耦合模型，分析表明線圈截面磁密非均勻分布導(dǎo)致的溫升會引減少繞組帶的臨界電流密度并且增加交流損耗。劉海山等建立了火-儲聯(lián)合模型，分析火電-飛輪聯(lián)合系統(tǒng)調(diào)頻能力，結(jié)果表明所提方法能夠在飛輪儲能電量處在不同狀況時，利用不同放電時間來有效改善機(jī)組調(diào)頻性能，提高機(jī)組量化指標(biāo)。
4.2 關(guān)鍵技術(shù)
關(guān)鍵技術(shù)方面，國內(nèi)學(xué)者在飛輪復(fù)合材料-輪轂制造、磁軸承結(jié)構(gòu)、永磁電機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)、變流器拓?fù)湟约皯?yīng)用技術(shù)上取得了新的進(jìn)展。Chen等用有限元方法分析了等張力纏繞、平面變張力纏繞和平面外變張力纏繞(徑向分層變張力)三種模式下復(fù)合材料飛輪H型輪轂的應(yīng)變特性，采用在線、離線兩種應(yīng)變檢測方法獲取H輪轂的形變特性，理論預(yù)測與測試結(jié)果偏差在8%以內(nèi)，平面變張力纏繞制度比等張力纏繞制度的飛輪初始失效轉(zhuǎn)速提高了1.6倍。為降低軸承功耗，Wang等提出一種永磁與電磁混合軸向磁軸承的結(jié)構(gòu)，為獲得軸向位移，采用了低成本霍爾傳感器，檢測隨氣隙變化而改變的氣隙磁密。呂東元優(yōu)化設(shè)計(jì)的300 kW磁懸浮軸式永磁同步電機(jī)在15000～30000 r/min工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，電機(jī)效率達(dá)到90%以上。三電平逆變器的并聯(lián)運(yùn)行可擴(kuò)大功率容量、交替運(yùn)行可改善諧波特性，Li等計(jì)算分析了交替并聯(lián)逆變器基于五電平電壓下中點(diǎn)電位平衡及非平衡控制的電壓諧波特性。針對風(fēng)力發(fā)電調(diào)節(jié)，張繼紅等建立了飛輪儲能+磷酸鋰電池混合儲能的數(shù)學(xué)模型，在單元級和系統(tǒng)級兩個層級上利用改進(jìn)下垂控制策略實(shí)現(xiàn)母線電壓穩(wěn)定控制。許慶祥等通過建立不同截止頻率和不同飛輪儲能系統(tǒng)功率容量下的雙層尋優(yōu)模型，得到了滿足飛輪儲能系統(tǒng)約束條件、風(fēng)電并網(wǎng)有功功率變化要求和經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)的最優(yōu)化飛輪儲能系統(tǒng)容量。羅耀東等提出一種減少機(jī)組磨損、抑制反向調(diào)頻、儲能電量持續(xù)性管理的火電機(jī)組-飛輪儲能協(xié)調(diào)控制策略，根據(jù)某發(fā)電廠日負(fù)荷變化360～1000 MW情形，在3.6 MW/0.03 MWh的最優(yōu)容量配置下，積分電量貢獻(xiàn)指數(shù)大于0.7，頻率合格率由94%提高到99%，投資回收周期為4.3年。
4.3 集成示范
集成示范方面，我國學(xué)者在鐵路牽引變電質(zhì)量治理、新能源發(fā)電調(diào)節(jié)、地鐵制動能回收利用等方面，實(shí)現(xiàn)了飛輪儲能的集成示范應(yīng)用。中鐵北京局集團(tuán)邯長線新固鎮(zhèn)變電所進(jìn)行了基于2 MW飛輪儲能系統(tǒng)(6臺333 kW/3.61 kWh單機(jī)并聯(lián))的牽引變電所能量回收、電能質(zhì)量綜合治理測試，結(jié)果表明，系統(tǒng)電壓波動、電壓不平衡度、電壓總諧波畸變率等電能質(zhì)量指標(biāo)改善，回收了制動能量的20%，可以降低變電所容量需求。青海西寧韻家口風(fēng)光儲示范基地開展了MW級先進(jìn)飛輪儲能陣列并網(wǎng)控制示范項(xiàng)目測試，結(jié)果表明1 MW飛輪陣列實(shí)現(xiàn)了單日300次、累計(jì)2000余次充放電測試。在青島地鐵3號線萬年泉路站，2臺1 MW飛輪儲能裝置完成安裝調(diào)試并順利并網(wǎng)?？傮w上，中國中高速飛輪儲能單機(jī)儲能量正在從5～20 kWh向50～100 kWh發(fā)展、功率正在從200～400 kW向500～2000 kW發(fā)展。
5 鉛蓄電池
鉛蓄電池已有160余年的歷史，其技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)鏈體系健全、成本較低，但存在能量密度較低、循環(huán)壽命短和充放電倍率小等不足。近10多年鉛蓄電池的研發(fā)重點(diǎn)在鉛炭電池，通過在負(fù)極添加高活性的炭材料，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，可有效提升循環(huán)壽命，并提高電池的快速充放電能力。
5.1 基礎(chǔ)研究
在基礎(chǔ)研究方面，鉛炭電池負(fù)極添加劑仍然是研究熱點(diǎn)。碳基添加劑必須具有特殊孔隙結(jié)構(gòu)和較高的析氫過電位才能使其發(fā)揮最大的作用，即控制負(fù)極硫化且不失水。林海波等研究表明，負(fù)極活性物質(zhì)加入碳添加劑會給電池設(shè)計(jì)帶來系統(tǒng)性問題，但可以通過工程和科學(xué)的策略來解決。陳理等通過在負(fù)極鉛膏中添加香蘭素，使得和膏時用水量增加，以及鉛膏的表觀密度發(fā)生變化，提升了電池在部分荷電態(tài)下的循環(huán)性能。鉛炭電池的基礎(chǔ)研究方向還有活性物質(zhì)、添加劑工程、界面工程和全電池設(shè)計(jì)，其重點(diǎn)為副反應(yīng)控制、鉛炭電極在充放電過程中的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變以及鉛炭電池的最終失效模式上。
5.2 關(guān)鍵技術(shù)
在關(guān)鍵技術(shù)方面，當(dāng)前鉛炭電池負(fù)極添加劑技術(shù)主要集中在設(shè)計(jì)和制備工藝研發(fā)方面，需要設(shè)計(jì)和制備具有高電化學(xué)活性、高鉛炭親和性、高比表面積和良好孔隙率、高析氫過電位和具有良好的質(zhì)子和離子電導(dǎo)性的碳基材料。
鉛炭電池正極添加劑技術(shù)最近也受到重視，正極軟化脫落的失效機(jī)制日益凸顯。5G+儲能和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用場景對正極板柵提出了更高的要求，未來正極板柵應(yīng)該朝著高溫耐腐蝕方向發(fā)展，提高正極極板的循環(huán)壽命，完善鉛炭電池的組成。
電解液一直是提高鉛炭電池性能途徑之一，好的電解液添加劑能全面提升電池在容量、倍率、循環(huán)、充電接受能力等方面的性能。
鉛炭電池的充電問題一直是限制其發(fā)展的重要因素，充電速度越快，電池極化越大，析氫越嚴(yán)重。然而，快速充電是未來市場的發(fā)展趨勢，較高的充電接受能力仍然是鉛炭電池追求的重要指標(biāo)。
5.3 集成示范
鉛炭電池因安全風(fēng)險小、產(chǎn)業(yè)鏈完善、關(guān)鍵材料供應(yīng)穩(wěn)定等優(yōu)勢，在6～8 h以上的較長周期儲能應(yīng)用中有一定競爭力。2022年，中國有幾個規(guī)模較大的鉛炭儲能項(xiàng)目投運(yùn)或在建，基本上都為用戶側(cè)削峰填谷模式。吉電股份在浙江省湖州市長興縣小浦園區(qū)超威郎山工廠園區(qū)內(nèi)，建成10 MW/97 MWh用戶側(cè)鉛炭儲能項(xiàng)目一期工程；安徽華鉑再生資源科技有限公司削峰填谷儲能項(xiàng)目投運(yùn)，一期建設(shè)規(guī)模為9 MW/72 MWh；國家電力投資集團(tuán)浙江分公司啟動“和平共儲”綜合智慧能源項(xiàng)目，將建設(shè)額定容量為101 MW/1062 MWh鉛炭儲能電站，其中一期工程45 MW/478 MWh已招標(biāo)。
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)速度快等優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)展最快的新型儲能技術(shù)。2022年，我國在液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池研究保持活躍并開始大規(guī)模應(yīng)用的同時，固態(tài)半固態(tài)鋰離子電池成為新的熱點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了1 MWh的應(yīng)用示范?？傮w上我國的鋰離子電池儲能發(fā)展迅猛，硫基電池、錳基電池等新型技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。
6.1 基礎(chǔ)研究
在正負(fù)極材料改性方面，Shi等圍繞高鎳材料NCM811氧釋放現(xiàn)象，闡述了過充過程中的失效機(jī)制，并提出了相應(yīng)的改性策略；Wang等提出了一種自上而下的微米硅結(jié)構(gòu)化策略，實(shí)現(xiàn)微米硅的各向同性渠化和界面可控固化，該策略在鋰離子電池硅負(fù)極實(shí)際應(yīng)用方面取得了進(jìn)展。
在功能電解質(zhì)方面，Yao等報(bào)道了一類具有優(yōu)異低溫性能的無碳酸乙烯酯鋰離子電解液，其軟包電池表現(xiàn)出較好的循環(huán)性能和耐寒性。Bao等通過Li6.5La3Zr1.5Ta0.5O12陶瓷骨架中乙氧基化三羥甲基丙烷三丙烯酸酯合物電解質(zhì)的原位固化，研制出不燃、柔性、3D互連結(jié)構(gòu)的超薄CS-CSSE復(fù)合電解質(zhì)，可以實(shí)現(xiàn)376 Wh/kg和1186 Wh/L的高能量密度。
在退役電池回收再生方面，Lin等首次發(fā)現(xiàn)失效材料中的缺錳機(jī)制和陽離子無序現(xiàn)象。采用缺錳升級循環(huán)策略，擴(kuò)大和增強(qiáng)的Li/Mn原位無序結(jié)構(gòu)激活了Li在Mn八面體中心位置的活性，抑制了Jahn-Teler畸變和相變，實(shí)現(xiàn)了回收材料的高工作電壓，同時保持了高容量和長循環(huán)穩(wěn)定性。該策略有望擴(kuò)展到其他電極材料，以促進(jìn)綠色二次電池可持續(xù)發(fā)展。
在新型鋰電池研究方面，由于能量密度高，且硫和錳儲量豐富，價格低廉，硫基鋰電池和錳基鋰電池受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。在液態(tài)鋰硫電池方面，重點(diǎn)方向包括高效合金催化劑、低濃度鋰鹽電解液、電解質(zhì)熱失控行為等。在固態(tài)鋰-硫電池方面，重點(diǎn)方向包括高性能聚合物電解質(zhì)、穿梭效應(yīng)機(jī)理及調(diào)控、高性能合金負(fù)極材料、電化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)、新型材料體系構(gòu)建等。
在錳基鋰電池方面，錳基正極材料是當(dāng)前基礎(chǔ)研究的熱點(diǎn)，主要包括三類：一是錳基富鋰層狀氧化物(Mn-LLOs)；二是橄欖石型磷酸錳鐵鋰(LMFP)；三是尖晶石型錳酸鋰(LMO)和高壓鎳錳酸鋰(LNMO)。Wu等報(bào)道了一種梯度“單晶”富鋰正極材料，通過梯度誘導(dǎo)的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)使富鋰材料的長循環(huán)穩(wěn)定性得到提升，并提高其安全性能。Song等將熵穩(wěn)定策略應(yīng)用在Mn-LLO材料領(lǐng)域，為局域結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)的錳基富鋰材料的開發(fā)提出了建議等。
6.2 關(guān)鍵技術(shù)
高比能、高安全、低成本、長壽命是當(dāng)前鋰電池技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)。材料升級和結(jié)構(gòu)創(chuàng)新是鋰離子電池優(yōu)化性能、降本增效的重要手段。
在材料升級方面，正極材料主要集中在結(jié)構(gòu)改進(jìn)以及涂層改性。常州鋰源新能源研發(fā)團(tuán)隊(duì)研制成功的新型球狀磷酸鐵鋰產(chǎn)品“鐵鋰1號”，通過正極材料內(nèi)部建立高速的鋰離子傳輸通道，實(shí)現(xiàn)了在-20 ℃條件下的放電容量保持率從常規(guī)磷酸鐵鋰產(chǎn)品的55%提升至85%，在-40 ℃條件下放電容量保持率從接近零提升至57%，并兼顧出色的快速充電能力。負(fù)極材料主要集中在碳材料以及碳基、硅基復(fù)合材料的制備和改性，大部分采用元素?fù)诫s、包覆等方法對材料性能改善，提高材料的儲鋰能力。電解質(zhì)技術(shù)主要集中在高濃度液態(tài)電解液和全固態(tài)電解質(zhì)方面，蜂巢能源全固態(tài)電池實(shí)驗(yàn)室研發(fā)出國內(nèi)首批20 Ah級硫系全固態(tài)原型電芯，電芯能量密度可達(dá)350～400 Wh/kg。
在結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面，寧德時代開發(fā)了基于預(yù)鋰化技術(shù)的長壽命鋰離子儲能電池，推出了第三代CTP(Cell to Pack)技術(shù)——“麒麟電池”，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化，麒麟電池電池包體積利用率提升至72%，搭配三元鋰電芯系統(tǒng)能量密度可達(dá)255 Wh/kg。億偉鋰能推出了LF560K電池，采用超大電池CTT(Cell to TWh)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)電芯單體容量達(dá)到560 Ah。蜂巢開發(fā)了L型儲能電池系統(tǒng)，采用高速疊片技術(shù)、負(fù)極預(yù)鋰技術(shù)、長循環(huán)專用電解液等技術(shù)，成組效率、能量密度均得到大幅提升。星恒電源推出了錳酸鋰和LMFP復(fù)合電池，循環(huán)壽命可超過3000次，并且低溫性能優(yōu)良。天能股份推出了高能量密度的超能錳鐵鋰電池，并且通過了針刺安全實(shí)驗(yàn)，-20 ℃下的低溫性能優(yōu)良等。
6.3 集成示范
2022年，在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動下，國內(nèi)完成了多個標(biāo)志性鋰離子電池儲能電站示范項(xiàng)目，100 MW級鋰離子電池儲能系統(tǒng)已成常態(tài)。寧夏首批電網(wǎng)側(cè)液冷大型儲能項(xiàng)目——中核同心泉眼100 MW/200 MWh儲能電站成功并網(wǎng)，項(xiàng)目共建設(shè)30套3.45 MW/6.7 MWh磷酸鐵鋰離子電池儲能系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)削峰填谷，緩解高峰供電壓力。寧德時代全新推出適應(yīng)戶外應(yīng)用的全氣候20英尺(1英尺=0.3048 m)液冷儲能集裝箱EnerC，陽光電源推出了“三電融合”的全系列液冷儲能解決方案PowerTitan和PowerStack，衛(wèi)藍(lán)新能源推出了2 MWh的高安全等級的混合固液鋰離子儲能電池系統(tǒng)，海博思創(chuàng)也推出了新一代HyperSafe系列固態(tài)電池儲能系統(tǒng)產(chǎn)品等。
7 液流電池
液流電池具有高安全、長壽命、大規(guī)模、功率和容量配置靈活等優(yōu)勢，在大規(guī)模和長時間儲能領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。2022年，我國液流電池儲能技術(shù)得到了快速發(fā)展，全釩液流電池取得了里程碑式進(jìn)展，同時，我國學(xué)者積極探索液流電池新體系，推動液流電池的可持續(xù)發(fā)展。
7.1 基礎(chǔ)研究
液流電池的基礎(chǔ)研究主要包括液流電池用隔膜、電極等關(guān)鍵材料，以及高能量密度多電子轉(zhuǎn)移水系、有機(jī)系液流電池等液流電池新體系。2022年，華東理工大學(xué)發(fā)展了一種含有定向排列分子篩納米片的聚合物膜，該種材料在全釩液流電池中具有高的電導(dǎo)率和優(yōu)異的篩分性能。中科院大連化物所首次報(bào)道了水系有機(jī)液流電池電堆，為有機(jī)液流電池走向?qū)嵱眠~出了第一步。同時，我國學(xué)者還開展了高能量密度多電子轉(zhuǎn)移水系液流電池的開發(fā)工作，包括鋅溴、鐵鉻、鋅碘、鋅錳、鋅鐵、鈦錳等多個新體系，開發(fā)低成本、高能量密度的長壽命液流電池新體系，對于液流電池可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。
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，我國在液流電池領(lǐng)域研發(fā)投入持續(xù)增加，關(guān)鍵技術(shù)取得重要進(jìn)展。中科院大連化物所在新一代高功率密度全釩液流電池關(guān)鍵技術(shù)以及高能量密度鋅基液流電池等方面取得重要進(jìn)展，正在研發(fā)60 kW全釩液流電池電堆，與已投入使用的30 kW電堆相比，其功率密度可提高一倍，電堆單位成本可降低40%左右。
我國學(xué)者還實(shí)現(xiàn)了低成本、高性能的非氟陽離子傳導(dǎo)膜的大面積制備，大幅降低堿性鋅鐵液流電池電堆的成本。突破了高能量密度鋅溴液流電池關(guān)鍵技術(shù)，成功集成出30 kW級的鋅溴液流電池電堆。此外其他體系包括鐵鉻液流電池等也取得重要成果，國家電投集團(tuán)重點(diǎn)開展了MW級鐵鉻液流電池的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，并啟動了相關(guān)MW級示范項(xiàng)目工作。
7.3 集成示范
2022年，隨著雙碳戰(zhàn)略的實(shí)施和新能源的快速發(fā)展，電力行業(yè)對大規(guī)模儲能的需求大幅增加，有力地促進(jìn)了我國液流電池儲能集成示范和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目。2022年，由大連融科建設(shè)的100 MW/400 MWh全釩液流電池儲能調(diào)峰電站正式并網(wǎng)發(fā)電，該項(xiàng)目是目前全球功率最大、容量最大的液流電池示范項(xiàng)目，具有里程碑意義。同時，由國家電投集團(tuán)研發(fā)和建設(shè)的1 MW級鐵-鉻液流電池儲能系統(tǒng)進(jìn)入系統(tǒng)調(diào)試階段。在產(chǎn)業(yè)化方面，北京普能與河鋼釩鈦等簽約300 MW釩電池儲能產(chǎn)業(yè)鏈項(xiàng)目。江蘇恒安鋅溴液流儲能電池項(xiàng)目一期試產(chǎn)，規(guī)劃產(chǎn)能1.5 GWh。開封時代年產(chǎn)300 MW全釩液流儲能電池項(xiàng)目進(jìn)入全面投產(chǎn)階段。國家電投集團(tuán)公司一期規(guī)劃建設(shè)的50 MW鐵-鉻液流電池示范生產(chǎn)線已完成建設(shè)，二期規(guī)劃將再建設(shè)300 MW產(chǎn)能。
8 鈉離子電池
鈉離子電池由于其資源豐富、低溫性能好、充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)，得到了儲能領(lǐng)域的高度關(guān)注。2022年鋰資源價格持續(xù)高位，鈉離子電池迎來歷史發(fā)展機(jī)遇，正負(fù)極工藝路線研究活躍，多家企業(yè)已開展產(chǎn)業(yè)化布局。
8.1 基礎(chǔ)研究
電極材料方面，Ding等報(bào)道了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的長壽命O3型高熵層狀氧化物，Gao等發(fā)現(xiàn)了氧變價正極材料中的拓?fù)浔Ｗo(hù)機(jī)制；Fu等通過構(gòu)型熵和離子擴(kuò)散結(jié)構(gòu)調(diào)控實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的P2型層狀正極材料，該材料表現(xiàn)出優(yōu)異的快充能力和長循環(huán)穩(wěn)定性；Shi等提出了一種高鈉P2型層狀正極材料，通過微量Nb摻雜構(gòu)建了富Nb表面重構(gòu)，倍率性能、循環(huán)穩(wěn)定性以及低溫性能得到大幅提高；Stanislav等提出了一種簡單、高效合成方法制備了超過其他V基正極材料能量密度的NaVPO4F正極材料；Xie等報(bào)道了一種雜原子摻雜的“斜坡型”碳基負(fù)極，兼顧了高斜坡容量和高首周庫侖效率。
固態(tài)電解質(zhì)方面，Chi等合成了一種兼具硫化物和氧化物固體電解質(zhì)優(yōu)點(diǎn)的新型硫氧化物玻璃固體電解質(zhì)，組裝的Na-S全電池的能量密度超過800 Wh/kg；Wang等開發(fā)了一種高離子電導(dǎo)率、高遷移數(shù)、耐高壓的全氟聚醚嵌段固態(tài)電解質(zhì)，Chen等開發(fā)了一種高離子電導(dǎo)率和高遷移數(shù)新型鹽包聚合物電解質(zhì)；Su等報(bào)道了一種高電壓新型聚合物電解質(zhì)和一種兼顧高機(jī)械強(qiáng)度與高離子電導(dǎo)率的高熵聚合物電解質(zhì)。
8.2 關(guān)鍵技術(shù)
鈉離子電池關(guān)鍵技術(shù)研究主要包括材料設(shè)計(jì)與規(guī)模制造、電芯制造與成組技術(shù)，電芯技術(shù)可借鑒鋰離子電池的經(jīng)驗(yàn)，目前的關(guān)鍵仍在于材料。鈉離子補(bǔ)償、電池管理、壽命預(yù)測等技術(shù)還有待開發(fā)。
鈉離子電池的正極材料主要包括三條技術(shù)路線，即層狀氧化物、普魯士藍(lán)、聚陰離子正極材料。目前，層狀氧化物相關(guān)量產(chǎn)技術(shù)已基本攻克，其工藝流程和設(shè)備與鋰電三元材料相似，材料一致性好、性能穩(wěn)定，是量產(chǎn)的首選方案；普魯士藍(lán)是初期熱門路線，但由于其結(jié)晶水去除困難，相關(guān)制備技術(shù)仍在攻克；聚陰離子正極目前主要包括釩基和鐵基路線，相關(guān)量產(chǎn)技術(shù)還在開發(fā)。
鈉離子電池的負(fù)極材料目前主要有碳基、合金類、金屬氧化物和硫化物類。碳基負(fù)極最為接近產(chǎn)業(yè)化，一般分為硬碳和軟碳，硬碳比容量較高，但是一般采用生物質(zhì)前驅(qū)體，產(chǎn)碳率低，成本和規(guī)?；写媪觿荩卉浱碱惾萘枯^低，前驅(qū)體一般采用煤、瀝青、石油焦等，產(chǎn)碳率較高，具備成本優(yōu)勢。
鈉離子電池的電解液溶劑基本和鋰離子電池保持一致，鈉鹽主要分為無機(jī)鈉鹽(NaPF6為主，NaClO4)和有機(jī)鈉鹽(NaFSI和NaTFSI)。NaPF6的合成工藝與LiPF6類似，可用現(xiàn)成的產(chǎn)線量產(chǎn)，是最具產(chǎn)業(yè)化前景的鈉鹽，但熱穩(wěn)定性欠佳；NaFSI導(dǎo)電率高但電化學(xué)窗口窄；NaTFSI熱穩(wěn)定性好需高濃度以避免腐蝕集流體。Li等通過協(xié)同調(diào)控集流體/鈉、鈉/電解液(SEI)和電解液/正極(CEI)三重界面，開發(fā)了能量密度超過200 Wh/kg無負(fù)極Ah級鈉電池。
8.3 集成示范
2022年，中科海鈉聯(lián)合BlueTTI公司聯(lián)合開發(fā)的全球首款鈉離子電池家用儲能系統(tǒng)，并正式亮相拉斯維加斯CES展。賁安能源水系鈉鹽電池動模系統(tǒng)在三峽集團(tuán)烏蘭察布“源網(wǎng)荷儲一體化”項(xiàng)目開展園區(qū)多種新型儲能動模平臺調(diào)試。三峽新能源在安徽阜陽南部風(fēng)光儲基地公開招標(biāo)30 MW/60 MWh鈉離子電池儲能系統(tǒng)，共包含9套鈉離子儲能單元，建成后是目前全球最大電網(wǎng)側(cè)鈉離子儲能項(xiàng)目。在產(chǎn)業(yè)化方面，中科海鈉等企業(yè)開始陸續(xù)投放正負(fù)極材料千噸級、1 GWh電芯生產(chǎn)線，中長期規(guī)劃產(chǎn)能超過100 GWh，在全球率先實(shí)現(xiàn)了鈉離子電池材料和電芯的量產(chǎn)。
9 超級電容器
超級電容器作為一種重要的功率型儲能器件，具有功率密度高、充放電速度快、循環(huán)壽命長、安全性能好、使用溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在軌道交通、新能源發(fā)電、智能電網(wǎng)、電動汽車、工業(yè)裝備以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用市場。2022年，我國超級電容器儲能技術(shù)在基礎(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(jìn)展。
9.1 基礎(chǔ)研究
電極材料、水系混合型超級電容器、柔性超級電容器、微型超級電容器和金屬離子電容器等是目前超級電容器基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)方向。在電極材料方面，金屬有機(jī)骨架是目前研究的熱點(diǎn)。Zheng等以Tdc和Bpy為有機(jī)配體，與Ni金屬中心配位形成了多種形態(tài)的[Ni(Tdc)(Bpy)]n MOF納米材料(Tdc：2, 5-噻吩二羧酸；Bpy：4, 4'-聯(lián)吡啶)，這種設(shè)計(jì)同時符合雙配體策略和軟硬酸堿原則，與活性炭負(fù)極組裝成混合型水系超級電容器。在以碳基及其復(fù)合材料為主體的電極材料研究方面，Yang等以煤焦油瀝青為原料并采用空氣預(yù)氧化活化的方法成功制備出氮摻雜富氧分層多孔碳，為高性能的超級電容器提供了高性價比的工業(yè)思路和性能優(yōu)良的多孔碳基電極材料。Wang等通過苧麻前驅(qū)體的高溫自缺陷和金屬原子的高溫自組裝，研發(fā)出具有層級結(jié)構(gòu)的有序超結(jié)構(gòu)碳，在高溫工作環(huán)境下展現(xiàn)出了較高的能量密度。Zhao等研究提出了一種快速高效的激光直寫技術(shù)，用于原位制備錨定在氮摻雜激光誘導(dǎo)石墨烯復(fù)合電極上的氧化鎳納米顆粒，并成功組裝成平面微型超級電容器作為可穿戴電子設(shè)備的儲能元件。
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，由于具有更高的能量密度備受研究人員關(guān)注。中國科學(xué)院電工研究所Liu等通過采用熱處理還原得到具有強(qiáng)界面作用的還原氧化石墨烯/MnO異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料作為負(fù)極，活性炭作為正極以及凝膠聚合物電解質(zhì)組裝成柔性固態(tài)鋰離子電容器。Zhang等以廉價且可再生的紙巾作為前驅(qū)體，制備出一種具有柔性自支撐特性的硬碳微帶紙，并與活性炭正極組裝成鉀離子電容器。Jiang等將聚乙烯醇基水凝膠電解質(zhì)引入鋅離子電容器中，該器件具有良好的拉伸性和具有寬溫度穩(wěn)定性。Zhao等提出了一種利用具有獨(dú)特交聯(lián)結(jié)構(gòu)的水凝膠電解質(zhì)來提高長期循環(huán)耐久性的策略。許珂等通過溶劑熱和磷化反應(yīng)制備了Cu-NiCoP微球，組裝的ASC器件具有良好的循環(huán)壽命穩(wěn)定性、容量保持率和倍率性能。
此外，開發(fā)超級電容器的新穎功能也十分重要，中山大學(xué)Tang等結(jié)合離子二極管的整流特性和贗電容器的快速充放電特性，首次提出了贗電容器二極管的概念，通過碳電極表面的離子物理吸附以及ZnCo2O4電極/電解液界面的法拉第反應(yīng)來存儲電荷，而整流功能是基于尖晶石ZnCo2O4在KOH水系電解液中發(fā)生的離子選擇性表面氧化還原效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。
9.2 關(guān)鍵技術(shù)
在活性炭制備技術(shù)方面，中科院山西煤化所解決了淀粉基電容炭工程化放大中交聯(lián)物料飛溫與團(tuán)聚問題，突破高溫連續(xù)活化與批次穩(wěn)定性控制技術(shù)，雜離子脫附與固液連續(xù)分離技術(shù)和材料表面化學(xué)定向調(diào)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)500 t/a高品質(zhì)淀粉基電容炭的產(chǎn)業(yè)化。
在隔膜制備技術(shù)方面，中國制漿造紙研究院突破工程化制備技術(shù)瓶頸，建設(shè)完成一條年產(chǎn)百噸級的超級電容器紙示范生產(chǎn)線，產(chǎn)品性能媲美進(jìn)口同類材料。寧波柔創(chuàng)納米科技有限公司突破了納米纖維材料制備工藝難題，以天然纖維與化學(xué)纖維為基體，成功開發(fā)具有高達(dá)50%～70%孔隙率、耐高溫和良好透氣性的納米纖維隔膜。
在器件制備技術(shù)方面，中車青島四方車輛研究所有限公司研究了鋰離子電容器的自放電特性，提出了一種適用于鋰離子電容器自放電性能檢測的方法，可以將鋰離子電容器的自放電檢測時間由幾十個小時縮短到1小時，大幅提高了生產(chǎn)效率。
在模組快充技術(shù)方面，中國科學(xué)院電工研究所以1100 F鋰離子電容器制備的17.6～30 V，72 Wh模組為研究對象，采用最大工作功率匹配方法，綜合考慮循環(huán)壽命和應(yīng)用工況，開發(fā)出適合于鋰離子電容器模組的快充技術(shù)，以最大360 A的充電電流條件下在115 s內(nèi)將模組充滿電。
在寬溫區(qū)超級電容方面，中科院大連化物所與中科院金屬所聯(lián)合開發(fā)出了一種安全、綠色、低成本的“氯化鋰包水”高濃水系電解液，并以此構(gòu)建出寬溫區(qū)1.6 V高電壓水系微型超級電容器，其可以在-40～60 ℃的寬溫度范圍內(nèi)正常工作，該工作突破了水系高電壓寬溫區(qū)微型超級電容器在寬溫度區(qū)間高效運(yùn)行的關(guān)鍵技術(shù)。
在鋰離子贗電容方面，風(fēng)華高科在高性能贗電容器領(lǐng)域取得突破，推出能量型鋰離子超級電容器產(chǎn)品，在相同規(guī)格尺寸下，容量比碳基超級電容器大10倍，技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。能量型鋰離子超級電容器，不僅繼承了碳基超級電容器的高功率密度、壽命長的特點(diǎn)，而且承襲了鋰離子電池的高能量密度、高電壓的特性，其工作電壓高達(dá)3.8 V以上，明顯優(yōu)于碳基超級電容器(工作電壓為2.7～3.0 V)，技術(shù)含量極高。
在高電壓超級電容器方面，清華大學(xué)開發(fā)了一種超快電化學(xué)電容器，該電容器具有高達(dá)150 ℃的耐熱性和4 V的寬電壓窗口。這種模塊還可以過濾任意波形以平滑直流信號，并且在10～104 Hz的寬頻率范圍內(nèi)工作良好，通過串聯(lián)或并聯(lián)的簡單集成還可以進(jìn)一步提供所需的電容或高電壓。
9.3 集成示范
2022年，三峽烏蘭察布兆瓦級鋰離子電池/超級電容器混合儲能系統(tǒng)并網(wǎng)示范運(yùn)行，混合儲能系統(tǒng)包括1 MW/0.1 MWh超級電容儲能系統(tǒng)和0.5 MW/1 MWh鋰離子電池儲能系統(tǒng)，鋰離子電池負(fù)責(zé)削峰填谷及響應(yīng)調(diào)頻持續(xù)分量，超級電容器負(fù)責(zé)響應(yīng)調(diào)頻隨機(jī)分量與脈動分量。在軌道交通領(lǐng)域，超級電容和燃料電池復(fù)合組成的全球首列時速160 km列車研制成功，青島地鐵4號線基于超級電容器能量回饋系統(tǒng)正式開通運(yùn)營。中國船舶集團(tuán)世界首艘純超級電容動力渡輪“新生態(tài)”號順利運(yùn)行。
此外，還有多個超級電容器示范項(xiàng)目啟動，包括金灣發(fā)電有限公司的16 MW磷酸鐵鋰+4 MW超級電容器儲能系統(tǒng)AGC混合儲能輔助調(diào)頻項(xiàng)目、烯晶碳能電子科技無錫有限公司牽頭承擔(dān)的國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“低成本混合型超級電容器關(guān)鍵材料與技術(shù)及兆瓦級系統(tǒng)示范”項(xiàng)目，以及山西省襄垣縣的“源網(wǎng)荷儲”一體化50 MW鋰離子電池+超級電容混合儲能試點(diǎn)示范項(xiàng)目等。
10 新型儲能技術(shù)
除以上儲能技術(shù)外，我國學(xué)者還開展了多種儲能新概念和新技術(shù)的研究和探索，為儲能技術(shù)的未來發(fā)展提供了新的研究方向，這里選取2022年發(fā)展比較快的重力儲能、熱泵儲電、壓縮二氧化碳和液態(tài)金屬儲能技術(shù)，做簡要介紹。
10.1 重力儲能
重力儲能具有選址靈活、環(huán)境友好、儲能容量大、循環(huán)壽命長、零自放電率、放電深度高、響應(yīng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，是一種最近廣受關(guān)注的物理儲能技術(shù)。但重力儲能技術(shù)尚不完全成熟，有待進(jìn)一步研究和發(fā)展。
在基礎(chǔ)研究方面，對于重力儲能系統(tǒng)來說，由于固體重物的不可流動性和不連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)多重物的連續(xù)高效和快速傳動、減少重物啟停和切換過程對機(jī)械傳動和電網(wǎng)系統(tǒng)的沖擊是其核心技術(shù)難題。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，陳云良等類比抽水蓄能技術(shù)構(gòu)想了一種含重力輪機(jī)、上/下倉的重力儲能發(fā)電方案，并提到借鑒抽水蓄能電站的抽水/發(fā)電雙向運(yùn)行的可逆式機(jī)組技術(shù)思路。肖立業(yè)等考慮到廢棄礦井的安全性及儲能塔的建筑穩(wěn)定性要求較高，提出一種將儲能塔建造在地下豎井(或斜井)中的方案，并列舉了豎井和斜井的各自適用場景。中科院工程熱物理所秦婷婷等針對斜坡軌道列車重力儲能系統(tǒng)，分析了系統(tǒng)各部件在儲能過程和釋能過程的能量損耗特性，研究了載重車輛質(zhì)量、車輛速度、斜坡坡度等因素對系統(tǒng)效率的影響規(guī)律。
在重力電動/發(fā)電機(jī)組方面，陳云良等構(gòu)想出一種與水泵水輪機(jī)作用類似的重力輪機(jī)，與發(fā)電機(jī)組成重力發(fā)電機(jī)組，可保持勢能轉(zhuǎn)化的連續(xù)性。Tong等分析得出電動/發(fā)電機(jī)組效率的提高對固體重力儲能系統(tǒng)的循環(huán)效率有顯著影響。趙永明等根據(jù)重力儲能系統(tǒng)高載重、低速率的特點(diǎn)，表明低速大扭矩永磁同步電機(jī)是較好的電機(jī)選擇，并設(shè)計(jì)出適合低速大扭矩永磁同步電機(jī)并網(wǎng)系統(tǒng)。
在儲能介質(zhì)方面，Tong等通過對比分析幾種固體重物介質(zhì)的重量單位容量成本，得出砂、混凝土和鐵是最合適的重質(zhì)材料，并列舉其各自的適用場景。夏焱等提出可利用建筑垃圾作為儲能媒介，具有環(huán)保型和經(jīng)濟(jì)性。中國天楹公司的重力儲能項(xiàng)目有多種重力塊替代方案，目前正研究利用垃圾焚燒底灰和塑料、工程渣土、固廢等為原材料制備重力塊。
在儲能系統(tǒng)及并網(wǎng)穩(wěn)定性方面，中國科學(xué)院電工研究所針對垂直式和斜坡式系統(tǒng)中電網(wǎng)-電機(jī)-傳動機(jī)構(gòu)-重物復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)的動力學(xué)特性進(jìn)行了系統(tǒng)分析，獲得了重物加減速及切換過渡過程對電網(wǎng)和傳動機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性的影響規(guī)律，并提出了基于多電機(jī)集群或耦合功率型儲能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制策略，為提升系統(tǒng)穩(wěn)定性和能效提供了依據(jù)；國網(wǎng)黑龍江省電科院針對多重物聯(lián)合儲能系統(tǒng)，提出了利用潮流計(jì)算和粒子群算法的電網(wǎng)無功優(yōu)化和電壓控制以及儲能系統(tǒng)功率分配策略，為提高電網(wǎng)電壓穩(wěn)定性及系統(tǒng)效率提供了依據(jù)。
重力儲能的關(guān)鍵技術(shù)主要包括重力儲能電動/發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)、多重物連續(xù)高效和快速傳動技術(shù)、儲能系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)和功率平滑技術(shù)等。
在重力儲能電動/發(fā)電機(jī)及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)方面，中國科學(xué)院電工研究所提出了重力儲能用永磁半直驅(qū)電動發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)方案，并對不同轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩情況下電動發(fā)電機(jī)的效率進(jìn)行了仿真分析；進(jìn)一步對重物懸停和電網(wǎng)短路情況下永磁電機(jī)的不可逆失磁問題進(jìn)行了探討，提出了改進(jìn)方案；研究了永磁同步電機(jī)經(jīng)變流器并網(wǎng)控制方法，分別設(shè)計(jì)機(jī)側(cè)、網(wǎng)側(cè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)重力儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定并網(wǎng)運(yùn)行。
在多重物連續(xù)高效和快速傳動技術(shù)方面，實(shí)現(xiàn)重物傳動的自動化連續(xù)高效傳動是研究熱點(diǎn)。中國科學(xué)院電工研究所提出了在垂直式重力儲能系統(tǒng)中利用卷揚(yáng)提升機(jī)-自動吊具-軌道平車實(shí)現(xiàn)重物在水平方向和垂直方向自動接駁傳動的技術(shù)方案，研究了重物的位置、速度和加速度測量方法，建立了垂直式重力儲能實(shí)驗(yàn)平臺，初步驗(yàn)證了技術(shù)可行性；國網(wǎng)電力科學(xué)研究院、河北燊能產(chǎn)業(yè)集團(tuán)分別提出了基于傳動鏈的斜坡式重力儲能技術(shù)方案，通過多個重物分載和接力實(shí)現(xiàn)重物的連續(xù)傳動，并建立了斜坡式重力儲能實(shí)驗(yàn)平臺，初步驗(yàn)證了技術(shù)可行性。
在儲能系統(tǒng)并網(wǎng)技術(shù)和功率平滑技術(shù)方面，中國科學(xué)院電工研究所提出了利用飛輪儲能對重力儲能功率間歇進(jìn)行補(bǔ)償?shù)募夹g(shù)方案，通過系統(tǒng)仿真驗(yàn)證了技術(shù)的可行性；在多機(jī)系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制技術(shù)方面，華北電力大學(xué)提出了基于延時時間-響應(yīng)時間和延時時間-峰值功率耦合關(guān)系的斜坡式重力儲能系統(tǒng)多機(jī)組快速起動控制策略，旨在多機(jī)組并網(wǎng)后實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)的同時兼顧小功率沖擊。
2022年，重力儲能系統(tǒng)的集成示范方面也取得了一定進(jìn)展。中國科學(xué)院電工研究所完成了基于豎井的10 kW級垂直式重力儲能原理驗(yàn)證樣機(jī)。河北燊能產(chǎn)業(yè)集團(tuán)完成基于山體斜坡的10 kW級重力儲能原理驗(yàn)證樣機(jī)。此外，中國天楹公司在江蘇如東正在開展基于地面構(gòu)筑物(147 m高差)的25 MW/100 MWh垂直式矩陣型重力儲能示范項(xiàng)目建設(shè)。國內(nèi)一些電網(wǎng)、發(fā)電和礦業(yè)相關(guān)企業(yè)也在積極謀劃重力儲能示范項(xiàng)目的開發(fā)。
10.2 熱泵儲電
熱泵儲電技術(shù)(pumped thermal electricity storage，PTES)是基于熱力學(xué)循環(huán)和熱能存儲技術(shù)的一種新型長時儲電技術(shù)，具有能量密度高、成本低、適用于大規(guī)模等特點(diǎn)，極具發(fā)展?jié)摿εc前景。目前，我國的熱泵儲電技術(shù)尚處于基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)階段。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面，Wang等根據(jù)熱泵儲電系統(tǒng)和液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)在冷能方面“時空互補(bǔ)、溫度對應(yīng)”的特性，提出新型熱泵空氣儲能系統(tǒng)，將系統(tǒng)儲能密度提高至107.6 kWh/m3。Xue等提出了采用相變儲熱填充床的回?zé)崾絇TES系統(tǒng)，并對其熱力學(xué)特性和瞬態(tài)行為進(jìn)行了探究。Pang等將熱化學(xué)儲能技術(shù)和PTES系統(tǒng)耦合，揭示了采用Ca(OH)2/CaO工質(zhì)對系統(tǒng)內(nèi)部的?流特征。Sun等對以SCO2為工質(zhì)的PTES系統(tǒng)進(jìn)行了熱力學(xué)設(shè)計(jì)和優(yōu)化以及一系列針對性的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，例如回?zé)峤Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、取消低溫儲熱以及再壓縮等。
在系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和經(jīng)濟(jì)性分析方面，Zhang等針對全球范圍內(nèi)用電峰谷時段變化大的問題，對不同儲/釋時間比的PTES系統(tǒng)進(jìn)行了多維、跨尺度設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化，可得到高至70.97%的往返效率和低至0.19 $/kWh的平準(zhǔn)化存儲成本。Zhao等對采用顯熱儲熱的幾種PTES系統(tǒng)進(jìn)行了熱經(jīng)濟(jì)性分析和優(yōu)化。以CO2為工質(zhì)，Therminol VP-1為儲熱材料的跨臨界朗肯PTES系統(tǒng)可以獲得最高往返效率68%，最低功率和能量投資成本分別為3790 $/kW和396 $/kWh。Liu等對基于有機(jī)朗肯循環(huán)和蒸氣壓縮熱泵的回?zé)崾絇TES系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性、能量分析和?分析，可以得到0.3 $/kWh的平準(zhǔn)化存儲成本。席奐團(tuán)隊(duì)針對朗肯循環(huán)PTES系統(tǒng)進(jìn)行了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及經(jīng)濟(jì)性分析工作，系統(tǒng)?效率約為20%。Zhang等基于有限時間熱力學(xué)模型推導(dǎo)了PTES和PCES系統(tǒng)在全過程生態(tài)優(yōu)化下的最優(yōu)往返效率，探究了儲釋電時間比對工質(zhì)溫度、輸出功率和最優(yōu)效率的影響，并確定了優(yōu)化效率的上下限和最優(yōu)區(qū)域。
在部件設(shè)計(jì)層面，Zhao等對基于布雷頓循環(huán)的PTES系統(tǒng)中蓄熱器布置方式以及蓄熱管道內(nèi)流體流速等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明在熱電聯(lián)供模式下，采用級聯(lián)相變儲熱器的系統(tǒng)往返效率可達(dá)62%以上。
在運(yùn)行控制方面，Shi等對采用液態(tài)存儲的閉式布雷頓循環(huán)PTES系統(tǒng)的變負(fù)荷特性進(jìn)行了探究，并提出了多種變負(fù)荷控制方法。Yang等探究了電功率輸入的擾動特性，提出的工質(zhì)存量控制策略可控制PTES系統(tǒng)的凈功率輸出以適應(yīng)負(fù)載需求變化。Lu等探究了閉式布雷頓循環(huán)的PTES系統(tǒng)在啟動過程中的控制策略和動態(tài)性能，分析了儲釋電過程轉(zhuǎn)速上升率、系統(tǒng)初始壓力等關(guān)鍵參數(shù)對系統(tǒng)啟動性能的影響。Xue等研究發(fā)現(xiàn)將PTES系統(tǒng)集成到燃煤電廠中可有效提升燃煤電站的深度調(diào)峰能力。
10.3 壓縮二氧化碳
壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)(CCES)是基于壓縮二氧化碳和布雷頓循環(huán)的一種物理儲能技術(shù)，具有儲能密度大、運(yùn)行壽命長、系統(tǒng)設(shè)備緊湊等優(yōu)勢。目前，我國壓縮二氧化碳儲能尚處于起步階段，相關(guān)研究還處于理論設(shè)計(jì)和初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證階段。
在系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析與改進(jìn)優(yōu)化方面，李樂璇等建立了超臨界壓縮二氧化碳儲能(SC-CCES)傳統(tǒng)?分析和先進(jìn)?分析模型，分析結(jié)果顯示，SC-CCES系統(tǒng)效率可達(dá)60.30%，壓縮機(jī)是?損失最大的環(huán)節(jié)。Wu等對跨臨界壓縮二氧化碳(TC-CCES)系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)分析，結(jié)果表明高壓儲氣罐壓力和渦輪機(jī)入口壓力存在最優(yōu)值。Sun等對液態(tài)壓縮二氧化碳儲能(LCES)系統(tǒng)進(jìn)行了參數(shù)分析，結(jié)果表明壓氣機(jī)和渦輪機(jī)?損失和成本超過所有部件的55%。Lu等對一種TC-CCES系統(tǒng)的分析得出，提高壓氣機(jī)和渦輪機(jī)等熵效率，降低渦輪出口壓力，降低高壓節(jié)流閥壓降等可以改善系統(tǒng)熱力學(xué)性能。Liu等考慮了CO2與有機(jī)流體混合利用，結(jié)果表明純CO2體系具有較高的循環(huán)效率，而混合流體體系具有較高的能量密度。文獻(xiàn)[207-210]分別提出并研究了利用夜間環(huán)境冷量、近等溫壓縮和膨脹、低壓儲罐內(nèi)填充高性能吸附劑、熱量回收裝置等改進(jìn)系統(tǒng)性能的方法。
在壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)與其他系統(tǒng)耦合研究方面，Xu等提出了一種基于壓縮二氧化碳儲能和碳捕獲的熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)，熱力學(xué)分析結(jié)果表明，改進(jìn)后的系統(tǒng)效率和容量分別提高至63.44%和16.23 MW。為了提高火電廠的運(yùn)行靈活性，Chae等提出并討論了將壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)集成到蒸汽循環(huán)中的可行性和可能性。Zhang等提出了一種由壓縮二氧化碳儲能和有機(jī)朗肯循環(huán)組成的集成儲能系統(tǒng)，對系統(tǒng)進(jìn)行了?分析，發(fā)現(xiàn)換熱器的?損失最大(占總?損的39.17%)，說明了對其進(jìn)行優(yōu)化的必要性。Fu等研究了耦合太陽能對CCES系統(tǒng)循環(huán)效率提升的影響。Qi等提出了LCES系統(tǒng)耦合甲烷發(fā)電工藝的集成系統(tǒng)，并基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，建立了成本最優(yōu)設(shè)計(jì)。
作為一種較前沿的物理儲能技術(shù)，壓縮二氧化碳的關(guān)鍵技術(shù)研究，主要包括關(guān)鍵部件設(shè)計(jì)開發(fā)、高性能材料選擇和系統(tǒng)動態(tài)運(yùn)行控制等方面。
在關(guān)鍵部件研發(fā)方面，Xu等對LCES系統(tǒng)中的換熱器進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對換熱器的傳熱過程進(jìn)行了分析。Huang等將超臨界換熱器分成兩部分，分別提供不同質(zhì)量的儲熱介質(zhì)，設(shè)計(jì)了一種新的儲熱構(gòu)型。目前，多使用體積小、換熱效率高、耐高溫高壓的構(gòu)件作為換熱核心設(shè)備，Wang等從冷熱兩側(cè)的溫壓差和影響其強(qiáng)度的主要因素入手，研究了溫度和壓力對印刷電路板式換熱器(PCHE)換熱特性的影響，并對設(shè)計(jì)條件下PCHE的詳細(xì)應(yīng)力強(qiáng)度展開分析。Stanek等提出了使用等壓罐儲存CO2的方法，對等壓儲罐主要幾何特征進(jìn)行了設(shè)計(jì)。
在高性能材料選擇方面，李愷提出了一種基于超臨界二氧化碳布雷頓循環(huán)的塔式太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)，選取太陽鹽作為儲能蓄熱循環(huán)中的熔融鹽工質(zhì)，并對其儲能蓄熱子系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。Xu等研究了甲醇作為傳熱介質(zhì)對換熱器性能的影響，結(jié)果表明采用甲醇可以有效地實(shí)現(xiàn)二氧化碳相變過程的換熱。Li等將捕獲的CO2注入目標(biāo)含水層存儲，并采用數(shù)值模擬的方法研究了氣泡體積、含水層滲透率等參數(shù)對目標(biāo)含水層存儲性能的影響。
在系統(tǒng)集成運(yùn)行控制研究方面，為了獲得與可再生能源并網(wǎng)應(yīng)用時的最優(yōu)性能，韓中和等討論分析了耦合太陽能的CCES系統(tǒng)不同運(yùn)行方案下系統(tǒng)熱力性與經(jīng)濟(jì)性的差異。嚴(yán)曉生等提出了LCES系統(tǒng)與火電機(jī)組耦合的方案，建立了其熱力學(xué)系統(tǒng)模型，確立了最佳儲能耦合方案。Zhang等建立了兩級壓縮兩級膨脹CCES系統(tǒng)的動態(tài)模型，分析了滑動壓力條件下儲能系統(tǒng)的動態(tài)特性，并對關(guān)鍵參數(shù)、部件和系統(tǒng)整體的動態(tài)特性進(jìn)行評價。王迪等提出燃煤機(jī)組集成SC-CCES系統(tǒng)以提升燃煤機(jī)組靈活性的方案，在仿真平臺構(gòu)建耦合SC-CCES循環(huán)的燃煤機(jī)組動態(tài)數(shù)學(xué)模型，探究了SC-CCES系統(tǒng)儲/釋能階段關(guān)鍵參數(shù)的動態(tài)特性。
2022年，百穰新能源科技公司投資建設(shè)了“壓縮二氧化碳儲能系統(tǒng)驗(yàn)證項(xiàng)目”進(jìn)入收尾調(diào)試階段，該項(xiàng)目采用二氧化碳+飛輪儲能技術(shù)方案，儲能規(guī)模10 MW/20 MWh，是目前在建的全球單機(jī)功率最大、儲能容量最大壓縮二氧化碳儲能示范項(xiàng)目。
10.4 液態(tài)金屬
液態(tài)金屬電池是近年來發(fā)展起來的一類新型電化學(xué)儲能技術(shù)，采用液態(tài)金屬和無機(jī)熔鹽作為電極和電解質(zhì)，上下兩層以密度不同的液態(tài)金屬分別作為負(fù)極和正極，無機(jī)熔鹽層居中兼作隔膜和電解質(zhì)，三層液態(tài)由于密度差異和互不混溶特性自動分層。液態(tài)金屬電池具有結(jié)構(gòu)簡單容易放大、儲能成本低、循環(huán)壽命長、安全可靠性高等優(yōu)勢，在規(guī)模儲能領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。近年來液態(tài)金屬電池的研究進(jìn)展主要集中在低熔點(diǎn)及低成本材料體系、高性能大容量單體構(gòu)筑、長效密封絕緣技術(shù)及器件制備、電池管理和壽命預(yù)測等方面。
在低熔點(diǎn)及低成本材料體系方面，圍繞電極材料體系，華中科技大學(xué)Yan等提出了基于“固-液-固”轉(zhuǎn)變機(jī)制高比能Li-Sb液態(tài)金屬電池新體系；Zhou等設(shè)計(jì)了一類用于鈉基液態(tài)金屬電池的三元混合陽離子熔鹽LiCl-NaCl-KCl電解質(zhì)，較好地解決了金屬Na在熔鹽中的溶解問題，成功實(shí)現(xiàn)了低成本Na-Bi-Sb液態(tài)金屬電池新體系。Zhou等開發(fā)了Bi-Sb-Te合金電極體系，通過Li2Te固體嵌入Bi-Sb相提升了電池倍率性能。圍繞電池反應(yīng)機(jī)制，Li等揭示了Li-Sb-Sn電池在放電-充電過程中正極界面的相變規(guī)律，分析了固相金屬間化合物L(fēng)i3Sb生成(放電階段)前后以及分解(充電階段)前后Li+的動力學(xué)特征，構(gòu)建了完整的液-固相變行為的熱力學(xué)模型與傳質(zhì)行為的動力學(xué)模型。圍繞電池界面特性分析，Jiang等基于二維軸對稱模型，分析了Li-Sb-Sn液態(tài)金屬電池放電過程中固態(tài)金屬間化合物的不均勻沉積，揭示了非均相放電階段，正極層中體相反應(yīng)位點(diǎn)對電池大倍率放電容量的提升機(jī)制。Zhou等研究了全液態(tài)金屬電池內(nèi)部流動對電池電化學(xué)性能和安全特性的影響規(guī)律，量化分析了層間大密度梯度對電池界面應(yīng)對流動擾動魯棒性的提升作用；揭示了正極中組分對流與熔鹽中自驅(qū)動流動通過促進(jìn)傳質(zhì)提升電池性能的作用機(jī)制，為大容量液態(tài)金屬電池的構(gòu)建提供了理論指導(dǎo)。
大容量液態(tài)金屬構(gòu)建方面，Zhou等基于多物理場耦合界面特性分析，提出了大尺寸液-液界面分區(qū)限域穩(wěn)定化策略并優(yōu)化集流體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，成功構(gòu)筑600 Ah級液態(tài)金屬電池單體。在電池長效密封絕緣關(guān)鍵技術(shù)方面，Jia等設(shè)計(jì)了用于液態(tài)金屬電池的對稱梯度結(jié)構(gòu)部件Mo/AlN/Mo，該密封件用于電池服役一年后，氦漏率低于1×10-10 Pa?m3/s。在此基礎(chǔ)上，Shi等提出大容量電池長效服役穩(wěn)定化策略，實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬電池循環(huán)13000圈，容量保持率89.2%，預(yù)期服役壽命可達(dá)20年。在電池模組構(gòu)建與系統(tǒng)集成方面，華中科技大學(xué)等開發(fā)了大容量液態(tài)金屬電池單體一致性提升技術(shù)，實(shí)現(xiàn)單體容量、內(nèi)阻等參數(shù)的精準(zhǔn)控制；構(gòu)建了適用于液態(tài)金屬電池的兩級均衡系統(tǒng)，有效降低電池的均衡誤差以及SOC估算誤差；基于有限元模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)了動態(tài)保溫技術(shù)與能量均衡，發(fā)展了響應(yīng)快、功耗低的高效電池能量管理系統(tǒng)；構(gòu)建了國內(nèi)首套5 kW/30 kWh的液態(tài)金屬電池儲能模塊，有效推動了液態(tài)金屬電池儲能技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用。
2022年，華中科技大學(xué)牽頭承擔(dān)的科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“液態(tài)金屬儲能電池關(guān)鍵技術(shù)研究”通過驗(yàn)收，在電池材料、器件、應(yīng)用層面開展深入研究，突破了大容量液態(tài)金屬電池單體構(gòu)建與系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)方面，華中科技大學(xué)與華電集團(tuán)、南方電網(wǎng)公司等緊密合作，積極推進(jìn)液態(tài)金屬電池示范項(xiàng)目落地。
10.5 其他新技術(shù)
（1）雙離子電池。雙離子電池作為一種新型電化學(xué)儲能技術(shù)，依靠陰陽離子的協(xié)同氧化還原機(jī)理實(shí)現(xiàn)儲能，具有電壓高、成本低、環(huán)保等優(yōu)勢，近年來得到了廣泛關(guān)注和研究。正極材料、電解液和負(fù)極材料是當(dāng)前雙離子電池研究的主要方向。
在正極材料方面，與金屬離子電池不同，雙離子電池正極通常采用石墨類碳基材料，通過陰離子的插層/脫嵌過程實(shí)現(xiàn)電池的充放電。然而，石墨正極層間距小、活性位點(diǎn)少，導(dǎo)致陰離子插層理論容量有限，插層動力學(xué)不足；陰離子插層石墨還面臨溶劑分子共嵌問題，導(dǎo)致插層容量降低、正極石墨片層結(jié)構(gòu)發(fā)生剝離，循環(huán)穩(wěn)定性下降。因此，相關(guān)研究重點(diǎn)在于對碳基正極材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與界面改性，從而改善正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、抑制溶劑分子與陰離子的共嵌現(xiàn)象等。
在電解液方面，不同于金屬離子電池，雙離子電池電解液不僅作為離子傳輸媒介，也是充放電過程中的活性離子來源，因此對電池容量、循環(huán)壽命、能量密度等電化學(xué)性能具有重要影響。傳統(tǒng)碳酸酯類電解液電化學(xué)穩(wěn)定窗口窄，高電壓下易發(fā)生氧化分解，且電解液濃度低，導(dǎo)致雙離子電池能量密度受限?；陔p離子電池的特點(diǎn)，目前電解液的研究工作主要集中在開發(fā)具有高電壓、高濃度、高安全以及耐低溫等特性的電解液體系。
在負(fù)極材料方面，雙離子電池負(fù)極與金屬離子電池的反應(yīng)機(jī)理一致，常用負(fù)極材料主要包括碳基負(fù)極材料、過渡金屬氧化物/硫化物負(fù)極、有機(jī)負(fù)極以及合金化負(fù)極等。其中，合金化負(fù)極作為一類高比容量、反應(yīng)電位適中的負(fù)極材料逐漸受到關(guān)注，特別是針對合金化負(fù)極存在體積膨脹較大、循環(huán)壽命不足的問題，進(jìn)一步圍繞合金化負(fù)極開展了大量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改性研究。
雙離子電池的產(chǎn)業(yè)化研究與應(yīng)用探索目前也在穩(wěn)步推進(jìn)中，以中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院、中國科學(xué)院青島能源所、中國科學(xué)院長春應(yīng)化所為代表的科研單位基于前期基礎(chǔ)研究，開展了產(chǎn)業(yè)化中試研究，目前已開發(fā)出具有20 Ah容量的單體電芯，將逐步探索雙離子電池在多種場景的應(yīng)用示范。
（2）有機(jī)儲能電池。有機(jī)儲能電池采用具有可逆電化學(xué)氧化還原活性的有機(jī)物分子作為電極材料的一類新型電化學(xué)儲能技術(shù)。有機(jī)電極材料具有原材料綠色環(huán)保、成本低、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，有機(jī)儲能電池在力學(xué)性能、溫度適應(yīng)性等多功能應(yīng)用場景上有優(yōu)勢，近年來受到了研究者們的廣泛關(guān)注。
有機(jī)儲能電池的研究內(nèi)容主要包括高容量有機(jī)正、負(fù)極電極材料的設(shè)計(jì)與制備；有機(jī)電極材料電荷存儲機(jī)制的研究；有機(jī)物分子在充放電過程中結(jié)構(gòu)(官能團(tuán)、晶體結(jié)構(gòu)等)演變規(guī)律；有機(jī)電極材料體系固/液態(tài)電解質(zhì)的研發(fā)；長壽命、極端應(yīng)用場景下有機(jī)離子電池體系的構(gòu)建；有機(jī)電池電芯制造工藝及模組集成技術(shù)的探索等。國內(nèi)多所高校及科研院所包括南開大學(xué)、復(fù)旦大學(xué)、鄭州大學(xué)、武漢大學(xué)、浙江大學(xué)等開展了關(guān)于有機(jī)儲能電池材料的研發(fā)工作。
為提升有機(jī)儲能電池能量密度和綜合電化學(xué)性能，目前正在研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)，首先是高性能有機(jī)電極材料的低成本工業(yè)化制備，這其中涉及合成路線的優(yōu)化；其次是高面容量厚電極的制備工藝探索，由于有機(jī)電極材料一般由C、H、O、N等輕質(zhì)元素組成，密度較低，導(dǎo)致在高面容量厚電極制備工藝方面還存在較大的挑戰(zhàn)，而如何實(shí)現(xiàn)高面容量有機(jī)電極是提升電池整體能量密度的關(guān)鍵技術(shù)；同時，模組結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、集成技術(shù)及熱管理技術(shù)等也是有機(jī)儲能電池發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。
目前有機(jī)儲能電池仍處于基礎(chǔ)研究階段，尚無大規(guī)模集成示范。
11 系統(tǒng)集成技術(shù)
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(xiàn)較少，本文暫不評述。2022年，規(guī)?；瘍δ茈娬镜母咚侔l(fā)展，大幅推動了化學(xué)儲能系統(tǒng)集成技術(shù)進(jìn)步?；瘜W(xué)儲能系統(tǒng)集成技術(shù)，已由粗放式集成向一體化安全高效集成方向轉(zhuǎn)變。
11.1 基礎(chǔ)研究
在功率變換方面，面向電池成組不一致性主動控制需求，在其他電能變換領(lǐng)域中應(yīng)用較為成熟的功率變換拓?fù)湔粡V泛地應(yīng)用到儲能功率變換中，不同功率變換拓?fù)涞慕M合實(shí)現(xiàn)了電池單體之間、電池包之間、電池簇之間等主動均衡控制，但隨之帶來的系統(tǒng)效率損失、成本上升、可靠性降低、故障隔離等問題還有待進(jìn)一步研究。此外，面向電池儲能規(guī)模化大容量應(yīng)用需求，高壓直掛型大容量儲能功率變換系統(tǒng)研究進(jìn)一步深入，基于CHBC(cascaded H-bridge converter)拓?fù)涞膬δ芄β首儞Q系統(tǒng)單機(jī)容量、交流側(cè)電壓等級進(jìn)一步提升，基于MMC(modular multilevel converter)拓?fù)涞膬δ芄β首儞Q系統(tǒng)工程樣機(jī)達(dá)到幾十兆伏安水平。
在電池管理方面，更加精準(zhǔn)的電池狀態(tài)估計(jì)直接影響電池及電池系統(tǒng)均衡控制功率分配和安全可靠運(yùn)行，電池管理研究在理論層面主要面向電池荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)、剩余使用壽命在線評估智能算法，在應(yīng)用層面主要研究電池管理系統(tǒng)主要功能模塊與功率變換器控制單元、能量管理控制單元進(jìn)一步深度技術(shù)融合，使得電池的狀態(tài)感知更加直接、可靠地用于電池及電池系統(tǒng)的充放電控制和故障保護(hù)。
在運(yùn)行控制方面，在保證網(wǎng)絡(luò)安全前提下，如何實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘍δ芗嚎刂坪蛽碛泻Ａ繑?shù)據(jù)的百兆瓦時、億瓦時電池儲能電站運(yùn)營管理是當(dāng)前規(guī)模化儲能應(yīng)用研究熱點(diǎn)，運(yùn)營管理研究方向主要包括海量數(shù)據(jù)秒級存儲、遠(yuǎn)程傳輸、基于人工智能的數(shù)據(jù)分析等，運(yùn)營管理的主要目的是為可靠調(diào)用、運(yùn)營交易決策提供可靠數(shù)據(jù)支撐。
11.2 關(guān)鍵技術(shù)
電池系統(tǒng)的故障診斷技術(shù)是規(guī)?；姵貎δ茈娬景踩㈤L效運(yùn)行的關(guān)鍵支撐技術(shù)。電池系統(tǒng)的故障包括了單體電池故障、電池管理系統(tǒng)故障、絕緣失效、連接器故障、熱管理故障等，同一故障對不同電池存在特征差異，而且不同故障類型可能存在相似的故障特征，準(zhǔn)確識別不同故障的電、熱、化學(xué)特征非常重要。當(dāng)前的研究還集中在基于溫度、電壓、電流等常規(guī)參數(shù)的單一故障特征挖掘，診斷算法難以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確度與魯棒性兼顧，未來的趨勢是基于大數(shù)據(jù)的故障特征挖掘，并通過人工智能算法提高識別準(zhǔn)確性。
在電池系統(tǒng)運(yùn)行中，電池單體、電池包、電池簇各級不一致性是動態(tài)變化的，因此要真正高效地實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)各層級主動均衡控制，必須研究基于電池狀態(tài)評估的電池系統(tǒng)內(nèi)功率分配技術(shù)，特別是電池儲能系統(tǒng)在并網(wǎng)運(yùn)行過程中要實(shí)現(xiàn)為電力系統(tǒng)提供多時間尺度功率支撐，必須要針對電池系統(tǒng)的荷電狀態(tài)、可用容量、可用功率等參數(shù)動態(tài)變化特性，研究參數(shù)自適應(yīng)的優(yōu)化控制技術(shù)，保障并網(wǎng)儲能單元可靠調(diào)用。
11.3 集成示范
南網(wǎng)儲能廣東五華70 MW/140 MWh寶湖儲能電站項(xiàng)目，采用了高效智能風(fēng)冷和浸沒式液冷兩種高能量密度1500 V磷酸鐵鋰儲能系統(tǒng)，全站配置基于秒級數(shù)據(jù)存儲技術(shù)的智能化能量管理控制系統(tǒng)，并將通過智慧儲能數(shù)字化運(yùn)營管控平臺實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程智能運(yùn)維和運(yùn)行輔助決策應(yīng)用示范。湖北荊門新港50 MW/100 MWh高橋儲能電站項(xiàng)目，該項(xiàng)目采用構(gòu)網(wǎng)型儲能變流器接入電網(wǎng)，通過采用構(gòu)網(wǎng)型控制策略實(shí)現(xiàn)功率自同步，可開展電池儲能為高比例新能源接入?yún)^(qū)域電網(wǎng)提供多時間尺度功率支撐工程應(yīng)用驗(yàn)證。
12 消防安全技術(shù)
化學(xué)儲能規(guī)模的快速增長，對消防系統(tǒng)的需求愈加迫切，化學(xué)儲能的消防安全已成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。2022 年，我國在儲能電池系統(tǒng)火災(zāi)發(fā)生機(jī)理、滅火劑及其機(jī)理、熱失控火災(zāi)預(yù)警技術(shù)等方面均取得重要進(jìn)展。
12.1 基礎(chǔ)研究
2022年，在單體電池安全性研究的基礎(chǔ)上，研究者們更加關(guān)注儲能電池模組及儲能集裝箱的火災(zāi)發(fā)生機(jī)理，在此基礎(chǔ)上研發(fā)新型高效滅火劑。
在電池火災(zāi)發(fā)生機(jī)理方面，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等研究了儲能電池產(chǎn)氣、熱失控傳播以及儲能集裝箱的燃爆行為。針對儲能電池模組，考慮了束縛力以及模組頂蓋的影響，施加一定的束縛力(約3 kN)可降低電池鼓脹、漏液、內(nèi)短路和爆炸的風(fēng)險；當(dāng)模組采用水平頂蓋時，其火災(zāi)危險性高，傾斜頂蓋會降低熱失控傳播速度。針對儲能集裝箱的安全設(shè)計(jì)，模擬分析了電池艙發(fā)生燃爆的動壓以及火焰危害范圍，優(yōu)化了泄壓板開啟壓力及位置。
在電池系統(tǒng)滅火劑及其機(jī)理方面，進(jìn)一步提高滅火冷卻效能并保證經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性是研究重點(diǎn)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)綜合對比了不同滅火劑撲滅電池火災(zāi)的效能，揭示了全氟己酮滅火的優(yōu)異性能及作用機(jī)制。此外，融合復(fù)合添加劑的細(xì)水霧、水凝膠，以及F-500水溶液為代表的新型滅火介質(zhì)也在撲滅電池火災(zāi)中展現(xiàn)出較大潛力。
12.2 關(guān)鍵技術(shù)
在熱管理技術(shù)方面，空冷和液冷是當(dāng)前電池儲能系統(tǒng)熱管理的主要形式。針對空冷技術(shù)，研究者們主要采用增加擋板和二次出口的方式優(yōu)化其冷卻性能。針對液冷技術(shù)，主要通過優(yōu)化微通道界面形狀尺寸強(qiáng)化傳熱，同時采用納米流體、碳氟化合物等冷卻介質(zhì)優(yōu)化散熱性能。相變材料-液冷系統(tǒng)、相變材料-納米流體-隔熱材料等復(fù)合熱管理系統(tǒng)也是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)。此外，為實(shí)現(xiàn)低溫環(huán)境下儲能系統(tǒng)的正常運(yùn)行，研究者們提出了采用微熱管預(yù)加熱電池的新型熱管理技術(shù)。
在熱失控火災(zāi)預(yù)警技術(shù)方面，基于儲能電池?zé)崾Э剡^程中會產(chǎn)生大量氣體的特性，研究者們提出了基于模組內(nèi)氣壓變化的熱失控預(yù)警技術(shù)，并針對不同熱失控觸發(fā)模式開展了系統(tǒng)驗(yàn)證?；跀?shù)據(jù)驅(qū)動的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測技術(shù)也在預(yù)測熱失控及其傳播行為的應(yīng)用中取得良好效果，實(shí)現(xiàn)了模組內(nèi)溫度分布的準(zhǔn)確預(yù)測以及熱失控精準(zhǔn)定位。天津消防所針對電池模組形變力特征進(jìn)行了系統(tǒng)研究，研發(fā)了基于變形應(yīng)力的早期預(yù)警技術(shù)和產(chǎn)品。此外，基于CO、CH4、C2H4等多特征氣體的預(yù)警方式也在提高預(yù)警精度、提前預(yù)警時間上發(fā)揮了重要作用。
在熱失控抑制及滅火技術(shù)方面，研究者們發(fā)現(xiàn)氣凝膠和三水合乙酸鈉/膨脹石墨等相變隔熱材料對電池?zé)崾Э貍鞑ビ辛己玫囊种菩Ч?。液氮憑借其優(yōu)異的降溫性能能夠有效阻斷電池的熱擴(kuò)散過程，同時具備滅火和抑爆功能，天津消防所等單位研制了具備電池滅火-降溫-抑爆作用的新型液氮滅火系統(tǒng)，解決了經(jīng)濟(jì)、長期貯存與加壓輸送、組合分配設(shè)計(jì)與控制等關(guān)鍵技術(shù)難題。對于儲能艙層級的滅火，簇級釋放全氟己酮滅火方式優(yōu)于艙級滅火方式，采取二者相結(jié)合的滅火方式具備最佳火災(zāi)抑制效果。
12.3 集成示范
已有的儲能系統(tǒng)消防技術(shù)多以七氟丙烷系統(tǒng)為主，部分項(xiàng)目采用了模組級細(xì)水霧滅火系統(tǒng)。2022年，全氟己酮消防系統(tǒng)也逐漸在儲能示范項(xiàng)目中得到推廣應(yīng)用，如寧夏寧儲利通區(qū)板橋100 MW/200 MWh共享儲能電站采用了多參數(shù)融合預(yù)警技術(shù)和全氟己酮補(bǔ)償式噴射技術(shù)。通過對鋰離子電池?zé)崾Э靥卣鲄?shù)進(jìn)行全周期監(jiān)測，配合有效的消防聯(lián)動策略，從而達(dá)到對鋰離子電池系統(tǒng)火災(zāi)的早期撲救和防止復(fù)燃的目的。浙江蕭山電廠50 MW/100 MWh儲能項(xiàng)目在管網(wǎng)式七氟丙烷滅火系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了應(yīng)急狀態(tài)下迅速連接供水管網(wǎng)的自動噴水滅火系統(tǒng)，用于防止儲能火災(zāi)規(guī)模的擴(kuò)大。
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(jì)的2022年度中國機(jī)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，2022年度中國機(jī)構(gòu)和學(xué)者共發(fā)表SCI論文數(shù)13941篇，其中儲熱技術(shù)、鋰離子電池技術(shù)、鈉離子電池技術(shù)、超級電容器的SCI論文數(shù)超過1000篇，為當(dāng)前我國儲能領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的熱門技術(shù)方向。與2021年相同，總體上化學(xué)儲能的SCI論文數(shù)仍高于物理儲能，這主要是由于儲能材料的發(fā)表論文數(shù)非常高，達(dá)到5542篇，其中化學(xué)儲能材料研究明顯比物理儲能活躍。與2021年相比，物理儲能在整個儲能領(lǐng)域的占比有所增加，這主要是因?yàn)閮峒夹g(shù)研究領(lǐng)域發(fā)表論文數(shù)有較多增加，同時抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪儲能等物理儲能技術(shù)發(fā)表SCI論文數(shù)均有所增加。同時，2022年熱泵儲電、壓縮二氧化碳、重力儲能等新型儲能技術(shù)也發(fā)表了一定數(shù)量的SCI論文，這說明新型儲能技術(shù)的研究已相當(dāng)活躍。
圖1 2022年中國主要儲能技術(shù)發(fā)表SCI論文數(shù)
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(jì)的2022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，2022年，全世界共發(fā)表儲能技術(shù)相關(guān)SCI論文27884篇，較2021年有小幅增加。其中，中國、美國、印度、韓國、德國、英國、澳大利亞、沙特8個國家發(fā)表SCI論文數(shù)超過1000篇，伊朗發(fā)表999篇，也接近1000篇。與2021年相比，發(fā)表SCI論文數(shù)超過1000篇的國家增加1名，即沙特。2022年度，中國機(jī)構(gòu)和學(xué)者發(fā)表了13941篇SCI論文，繼續(xù)位居世界第一，在全世界儲能領(lǐng)域發(fā)表SCI論文數(shù)占比達(dá)到50.0%，比2021年有所增加。中國保持了全球儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究最活躍國家的地位，且領(lǐng)先程度在進(jìn)一步擴(kuò)大。從分項(xiàng)技術(shù)看，圖1中所列出的所有單項(xiàng)技術(shù)，包括抽水蓄能、壓縮空氣、儲熱、飛輪、鋰離子電池、超級電容、鈉離子電池、鉛電池、液態(tài)金屬、液流電池，中國機(jī)構(gòu)和學(xué)者2022年發(fā)表的SCI論文數(shù)均位于世界第一。
圖2 2022年世界主要國家儲能技術(shù)發(fā)表SCI論文數(shù)
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(jì)2010—2022年世界主要國家關(guān)于儲能技術(shù)發(fā)表的SCI論文數(shù)，其中中國、美國、印度、韓國、德國、英國、澳大利亞、日本、法國、意大利、伊朗、沙特位列前12位。需要說明的是，圖3中的2010—2021年發(fā)表SCI論文的數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)[6]中的數(shù)據(jù)稍有不同，主要是由于“Web of Science”數(shù)據(jù)庫本身更新的原因，但總體趨勢與文獻(xiàn)[6]是一致的。相較于2021年，中國、印度和沙特2022年度發(fā)表SCI論文數(shù)有明顯增加，而美國在2022年度發(fā)表SCI論文數(shù)2928篇，相較于2021年的3339篇有所減少，其他國家在2022年度發(fā)表SCI論文數(shù)相較于2021年變化不大。
圖3 世界主要國家儲能技術(shù)發(fā)表SCI論文數(shù)(2010—2022)
從發(fā)展趨勢看，自2010年以來，所有12個國家發(fā)表的儲能相關(guān)SCI論文數(shù)均有所增加。這12個國家可以分為兩類：一類是美國、德國、英國、澳大利亞、日本、法國和意大利7個西方發(fā)達(dá)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2010—2016 年論文數(shù)快速增長，2017年開始論文數(shù)基本穩(wěn)定；另一類為中國、印度、韓國、伊朗和沙特這5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，目前仍保持上升趨勢。特別是中國和印度儲能相關(guān)SCI論文數(shù)增長趨勢強(qiáng)勁，比如2010年中國的SCI論文數(shù)只有美國的約1/2，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，2017年以后其SCI論文數(shù)已大幅領(lǐng)先美國；印度2010年只有美國SCI論文數(shù)的約1/6，2022年已非常接近美國。
綜合分析圖2和圖3中世界主要國家儲能技術(shù)發(fā)表SCI論文數(shù)，可以看出當(dāng)前世界儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究的基本格局，主要可分為兩類國家：一類是美國、德國、英國和澳大利亞為代表的西方發(fā)達(dá)國家；另一類為中國、印度、韓國和沙特為代表的新興國家，這同2021年的格局基本沒有變化。但新興國家的基礎(chǔ)研究活躍度持續(xù)增加的趨勢明顯，而發(fā)達(dá)國家基本進(jìn)入穩(wěn)定期。經(jīng)過最近約10年的發(fā)展，中國儲能技術(shù)的基礎(chǔ)研究活躍度已領(lǐng)先世界其他國家，目前每年發(fā)表約14000篇儲能相關(guān)SCI論文，成為儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究的第一梯隊(duì)；而美國和印度緊隨中國之后，目前每年發(fā)表約3000篇儲能相關(guān)SCI論文，為儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究的第二梯隊(duì)；其他9個國家在第三梯隊(duì)，每年發(fā)表儲能相關(guān)SCI論文數(shù)約為500～1500篇。
13.2 關(guān)鍵技術(shù)
表1給出了2022年中國儲能關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展的總結(jié)。從表中可見，2022年我國主要儲能技術(shù)研發(fā)均取得了重要進(jìn)展，獲得了多個里程碑式的成果。綜合分析大致可以分為三類。一是基本成熟類，主要包括抽水蓄能、鉛蓄電池、儲熱儲冷和鋰電池技術(shù)，其技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)在于進(jìn)一步提升性能。二是集成示范類，主要包括液流電池、壓縮空氣儲能、飛輪儲能和超級電容器技術(shù)，其技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)為突破儲能系統(tǒng)集成示范的關(guān)鍵技術(shù)。三是關(guān)鍵技術(shù)類，主要包括鈉離子電池、重力儲能、熱泵儲電、液態(tài)金屬等，其技術(shù)研究的重點(diǎn)在于突破關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)從實(shí)驗(yàn)室技術(shù)到集成示范的轉(zhuǎn)變。同2021年相比，儲能技術(shù)的三種分類總體沒有變化，單項(xiàng)技術(shù)中鋰離子電池從集成示范類提升到基本成熟類，超級電容器從關(guān)鍵技術(shù)類提升到了集成示范類。
表1 2022年中國儲能關(guān)鍵技術(shù)與示范進(jìn)展
圖4給出了依據(jù)全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫incoPat，以“Energy Storage”為主題詞統(tǒng)計(jì)的，2010年到2022年中國機(jī)構(gòu)在中國地區(qū)申請的發(fā)明專利數(shù)。從圖中可見，從2010年到2022年中國儲能技術(shù)發(fā)明專利申請數(shù)持續(xù)增長，2022年中國儲能技術(shù)發(fā)明專利申請數(shù)為47406件，相較于2010年增長近十倍。
圖4 中國儲能技術(shù)申請發(fā)明專利數(shù)(2010—2022)
圖5給出了依據(jù)全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫incoPat統(tǒng)計(jì)的，2022年中國機(jī)構(gòu)在中國地區(qū)申請的主要儲能技術(shù)的發(fā)明專利數(shù)?？梢?，2022年，各種儲能技術(shù)中，儲熱儲冷技術(shù)發(fā)明專利申請數(shù)為最多，12309件，鋰離子電池、液流電池、液態(tài)金屬、鈉離子電池技術(shù)也非?；钴S，申請發(fā)明專利數(shù)均高于3000件。總體上，化學(xué)儲能發(fā)明專利申請數(shù)高于物理儲能，和材料密切相關(guān)的儲能技術(shù)，如儲熱儲冷、鋰離子電池、液流電池、液態(tài)金屬、鈉離子電池技術(shù)等，申請專利的活躍度很高。各種儲能技術(shù)申請專利的活躍度情況，同圖1基礎(chǔ)研究SCI論文的情況基本吻合。
圖5 2022年中國主要儲能技術(shù)申請發(fā)明專利數(shù)
圖6給出了依據(jù)全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫incoPat，以“Energy Storage”為主題詞在世界知識產(chǎn)權(quán)數(shù)據(jù)庫(WIPO)中統(tǒng)計(jì)的，2010—2022年世界主要國家關(guān)于儲能技術(shù)申請的國際發(fā)明專利數(shù)。需要說明的是，2022年各國儲能技術(shù)發(fā)明專利申請數(shù)明顯偏低，這是由于數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計(jì)滯后的原因，因此圖中2010—2021年的數(shù)據(jù)更具參考價值。圖中可見，美國、中國、德國、日本、法國、韓國、英國、瑞士位列2010—2022年累計(jì)發(fā)明專利申請數(shù)前8名。從總體趨勢上看，除中國外，其他7個國家的儲能國際發(fā)明專利申請數(shù)均基本穩(wěn)定，而中國儲能國際發(fā)明專利申請數(shù)呈現(xiàn)持續(xù)增長趨勢，從2010年的全球第4位，提升到2018年的第一位，并且在此后一直保持居于世界第一位。盡管從2010—2022年WIPO國際發(fā)明專利累計(jì)總申請數(shù)中國仍少于美國，但自2018年中國超越美國后，中國儲能國際發(fā)明專利申請數(shù)均高于美國(不考慮2022年滯后數(shù)據(jù))。
2)
圖7給出了2021年各國儲能技術(shù)WIPO發(fā)明專利申請數(shù)。2021年，中國儲能WIPO國際發(fā)明專利申請數(shù)為1188，位居世界第一，占全球的33%。其次是美國、德國、日本等國家。2021年中美兩國儲能技術(shù)發(fā)明專利申請數(shù)總和超出世界一半。綜合圖1～圖7可見，在儲能技術(shù)領(lǐng)域，無論從基礎(chǔ)研究還是關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，中國都已成為世界上最為活躍的國家，這與中國政府和企業(yè)10余年加大對儲能技術(shù)的研發(fā)投入是吻合的。
圖7 2021年各國儲能WIPO國際發(fā)明專利申請數(shù)
圖8 2022年底中國儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)分布
圖9 2022年中國儲能集成示范和產(chǎn)業(yè)化梯隊(duì)
13.3 集成示范
表1也給出了2022年中國儲能集成示范進(jìn)展的總結(jié)。從表中可見，2022年我國主要儲能技術(shù)的集成示范均取得了重要進(jìn)展，取得了多個里程碑成果。綜合分析大致可以分為三類。一是系統(tǒng)規(guī)?；蛘咝阅芴嵘募墒痉?，主要包括抽水蓄能、鋰離子電池、壓縮空氣儲能、鉛蓄電池和儲熱儲冷等。二是驗(yàn)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。三是該類技術(shù)的首次集成示范，主要包括固態(tài)鋰離子電池、家用鈉離子電池、超級電容器復(fù)合儲能等。同2021年對比，儲能技術(shù)集成示范的分類沒有明顯變化。
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)盟全球儲能數(shù)據(jù)庫的不完全統(tǒng)計(jì)，截至到2022年底，中國已投運(yùn)的儲能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)容量(包括物理儲能、化學(xué)儲能以及熔融鹽儲熱)達(dá)到59.8 GW，同比增長38%；其中抽水蓄能為46.7 GW，同比增長24.2%，新型儲能(除抽水蓄能外的電力儲能技術(shù))為13.1 GW，同比增長128.2%，如圖8所示。2022年，我國儲能裝機(jī)繼續(xù)保持高速增長，新增投運(yùn)儲能裝機(jī)容量16.5 GW，居世界第一位；新增儲能裝機(jī)量同比增長114%，包括抽水蓄能9.1 GW，新型儲能7.4 GW；新型儲能新增裝機(jī)規(guī)模首次突破7.0 GW，同比增長200%。從圖8可見，雖然抽水蓄能新增裝機(jī)規(guī)模加大，但由于新型儲能裝機(jī)增長幅度更大，我國抽水蓄能裝機(jī)比例在2022年首次低于80%；在新型儲能技術(shù)中，鋰離子電池裝機(jī)為94.0%，占據(jù)主導(dǎo)地位；壓縮空氣儲能、液流電池、鉛蓄電池和儲熱儲冷技術(shù)裝機(jī)也超過1%，也占據(jù)一定的市場份額。
綜合分析各儲能技術(shù)2022年的基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范的情況，各種儲能技術(shù)仍可以大致分為四個梯隊(duì)，和2021年基本一致。其中，第一梯隊(duì)為抽水蓄能，單機(jī)規(guī)模100 MW以上，占2022年全國儲能裝機(jī)的77.1%左右；第二梯隊(duì)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(jī)規(guī)?？蛇_(dá)10～100 MW，其中鋰離子電池裝機(jī)最多，有可能未來形成單獨(dú)的一個梯隊(duì)；第三梯隊(duì)為鈉離子電池、飛輪儲能和超級電容器，目前單機(jī)規(guī)?？梢赃_(dá)到MW級，其中鈉離子發(fā)展受關(guān)注最多，有可能未來進(jìn)入第二梯隊(duì)；第四梯隊(duì)為重力儲能、熱泵儲電、壓縮二氧化碳和液態(tài)金屬技術(shù)等新型儲能技術(shù)，需要進(jìn)一步的研發(fā)，以便實(shí)現(xiàn)集成示范和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
圖10給出了2022年中國儲能技術(shù)和世界儲能技術(shù)先進(jìn)水平的對比。從圖中可見，經(jīng)過10余年國家和行業(yè)的持續(xù)投入，中國儲能技術(shù)的水平快速提升，同世界先進(jìn)水平相比，總體上實(shí)現(xiàn)了從跟跑到并跑的轉(zhuǎn)變。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(dá)到或接近世界先進(jìn)水平；抽水蓄能、飛輪儲能、超級電容和儲能新技術(shù)與世界先進(jìn)水平還有一定的差距。同2021年相比，各儲能技術(shù)的總體發(fā)展水平基本一致，鋰電池和儲熱儲冷的技術(shù)成熟度有所提升。
圖10 2022年中國儲能技術(shù)和世界先進(jìn)水平的比較成熟度
綜合圖3、圖6和圖10可知，中國已經(jīng)成為全球基礎(chǔ)研究和技術(shù)研發(fā)最為活躍的國家，中國發(fā)表SCI論文數(shù)已于2013年超越美國成為世界第一，而申請WIPO國際發(fā)明專利數(shù)則于2018年超越美國成為世界第一，這與基礎(chǔ)研究到關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)通常需要5年左右的時間是吻合的。我們有理由相信，在基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)的基礎(chǔ)上，再經(jīng)過5～10年的發(fā)展，中國儲能產(chǎn)業(yè)水平有可能進(jìn)一步提升，部分儲能技術(shù)有望達(dá)到世界領(lǐng)跑的水平。
14 結(jié)語與展望
2022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(jìn)展。這一年，中國機(jī)構(gòu)和學(xué)者發(fā)表SCI論文13941篇，居世界第一位，占全球發(fā)表論文數(shù)的50.0%；中國機(jī)構(gòu)和學(xué)者共申請中國發(fā)明專利47406件，申請WIPO國際發(fā)明專利1188件(2021年數(shù)據(jù))，居世界第一位；中國新增儲能集成示范和產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目裝機(jī)容量16.5 GW，居世界第一位；中國已成為世界儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)和集成應(yīng)用最活躍的國家。
（1）物理儲能方面：在抽水蓄能方面，我國在高水頭、大容量恒速抽水蓄能電站設(shè)計(jì)制造、施工建設(shè)、調(diào)試運(yùn)行等已達(dá)國際先進(jìn)水平；在變速抽水蓄能技術(shù)方面，首臺全功率5 MW級變速恒頻抽蓄機(jī)組的投運(yùn)，標(biāo)志著我國在該領(lǐng)域已取得重要進(jìn)展，但和國外先進(jìn)水平尚有差距。在壓縮空氣儲能方面，我國在100 MW級壓縮空氣儲能系統(tǒng)方面取得了里程碑式的進(jìn)展，中科院工程熱物理所的張家口國際首套100 MW先進(jìn)壓縮空氣儲能國家示范項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電；300 MW級先進(jìn)壓縮空氣儲能關(guān)鍵技術(shù)是目前研發(fā)的重點(diǎn)，多個示范工程已啟動。在儲熱儲冷方面，復(fù)合相變儲熱、高溫熔鹽儲熱、冰漿儲冷、無源相變儲冷是當(dāng)前技術(shù)研發(fā)的熱點(diǎn)；相變蓄熱供暖、儲熱系統(tǒng)耦合燃煤發(fā)電、高溫儲熱耦合太陽能熱利用、相變儲冷需求側(cè)響應(yīng)等是目前應(yīng)用研究的熱點(diǎn)。在飛輪儲能方面，我國大功率飛輪儲能取得了重要進(jìn)展，但與國際領(lǐng)先水平仍有一定差距；總體上我國中高速飛輪儲能單機(jī)儲能量正在從5～20 kWh向50～100 kWh發(fā)展、功率正在從200～400 kW向500～2000 kW發(fā)展。
（2）化學(xué)儲能方面：在鉛蓄電池方面，技術(shù)研發(fā)主要集中于鉛碳電池，主要研究方向?yàn)樨?fù)極材料、正極材料和電解液等，從而提升電池的壽命、能量密度和充放性能等；目前鉛蓄電池儲能主要應(yīng)用為用戶側(cè)儲能和通訊基站儲能等。在鋰離子電池方面，我國在液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池研究保持活躍并開始大規(guī)模應(yīng)用的同時，固態(tài)半固態(tài)鋰離子電池成為新的熱點(diǎn)；鋰補(bǔ)償技術(shù)、超大電池技術(shù)、液冷儲能技術(shù)是今年的技術(shù)進(jìn)展亮點(diǎn)，硫基電池、錳基電池等新型鋰電池技術(shù)也不斷涌現(xiàn)。在液流電池方面，全釩液流電池仍為當(dāng)前液流電池主流技術(shù)，今年取得了里程碑式進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了100 MW級系統(tǒng)并網(wǎng)發(fā)電；提高電堆功率密度、離子傳導(dǎo)膜國產(chǎn)化等問題，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，同時也在積極探索鋅溴、鐵鉻、鋅鐵等液流電池新體系。在鈉離子電池方面，今年我國鈉離子電池迎來歷史發(fā)展機(jī)遇，是儲能行業(yè)的熱點(diǎn)領(lǐng)域；正負(fù)極材料研究和工藝路線研究活躍，多家企業(yè)已開展大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化布局。在超級電容器方面，基礎(chǔ)研究、單體制備、成組管控、系統(tǒng)集成與應(yīng)用等方面取得了重要進(jìn)展；實(shí)現(xiàn)了在新能源發(fā)電、軌道交通、輪船動力等領(lǐng)域的示范應(yīng)用；鋰離子超級電容、高電壓耐熱性技術(shù)、超級電容混合儲能技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。在新型儲能技術(shù)方面，研究熱點(diǎn)在于重力儲能、熱泵儲電、壓縮二氧化碳、液態(tài)金屬電池、有機(jī)電池、雙離子電池等。
（3）集成與安全方面：在集成技術(shù)方面，我國規(guī)模儲能電站集成技術(shù)，已由粗放式集成向一體化安全高效集成方向轉(zhuǎn)變；電池功率變換拓?fù)浼夹g(shù)、電池系統(tǒng)智能診斷技術(shù)和內(nèi)功率分配技術(shù)、高效智能溫控技術(shù)和液冷技術(shù)、規(guī)?；嚎刂萍夹g(shù)等取得重要進(jìn)展并開始應(yīng)用。在消防安全技術(shù)方面，化學(xué)儲能的消防安全已成為行業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)；在儲能電池系統(tǒng)火災(zāi)發(fā)生機(jī)理、滅火劑及其機(jī)理、熱失控火災(zāi)預(yù)警技術(shù)等方面均取得重要進(jìn)展；多參數(shù)融合預(yù)警技術(shù)和全氟己酮補(bǔ)償式噴射技術(shù)、管網(wǎng)式七氟丙烷滅火系統(tǒng)結(jié)合供水管網(wǎng)的自動噴水滅火系統(tǒng)得到示范應(yīng)用。
展望2023年，中國儲能有望繼續(xù)保持規(guī)模化發(fā)展的良好態(tài)勢。隨著國家雙碳戰(zhàn)略和能源革命的深入實(shí)施，中國儲能技術(shù)領(lǐng)域?qū)⒂型^續(xù)加速發(fā)展，基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范有望繼續(xù)保持國際最活躍國家地位，發(fā)表論文、申請專利數(shù)、裝機(jī)規(guī)模有望繼續(xù)保持世界第一，百兆瓦級大規(guī)模儲能項(xiàng)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。
