陳海生，李 泓，馬文濤，徐玉杰，王志峰，陳 滿，胡東旭,6，李先鋒，唐西勝，胡勇勝，馬衍偉，蔣 凱，錢 昊，王青松0，王 亮，張新敬，王 星，徐德厚，周學(xué)志，劉 為，吳賢章，汪東林，和慶鋼，馬紫峰6，陸雅翔，張雪松，李 泉，索鎏敏，郭 歡，俞振華，梅文昕0，秦 鵬0

（1中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所，北京 100190；2中國(guó)科學(xué)院物理研究所，北京 100190；3中國(guó)科學(xué)院重大科技任務(wù)局，北京 100864；4中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京 100190；5南方電網(wǎng)調(diào)峰調(diào)頻發(fā)電有限公司，廣東 廣州 510623；6中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049；7中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所，遼寧 大連 116023；8華中科技大學(xué)，湖北 武漢 430074；9北京海博思創(chuàng)科技股份有限公司，北京 100094；10中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽合肥 230026；11國(guó)家能源大規(guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)中心，貴州 畢節(jié) 551712；12中關(guān)村儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)與技術(shù)聯(lián)盟，北京 100190；13浙江南都電源動(dòng)力股份有限公司，浙江 臨安 310030；14陽(yáng)光電源股份有限公司，安徽 合肥 230088；15浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江 杭州 310027；16上海交通大學(xué)，上海 200240）

儲(chǔ)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(jì)性的迫切需要[1-3]。2021 年，國(guó)家雙碳戰(zhàn)略的實(shí)施，大幅促進(jìn)了儲(chǔ)能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國(guó)儲(chǔ)能實(shí)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(guó)儲(chǔ)能的發(fā)展超出了業(yè)界預(yù)期[4]。一是支持儲(chǔ)能的政策不斷出臺(tái)，二是儲(chǔ)能系統(tǒng)的裝機(jī)大幅增加，三是多種儲(chǔ)能技術(shù)取得重要進(jìn)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(duì)中國(guó)2021 年儲(chǔ)能技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行全面地回顧和分析。

本文是受《儲(chǔ)能科學(xué)與技術(shù)》期刊邀請(qǐng)，依托中國(guó)化工學(xué)會(huì)儲(chǔ)能工程專委會(huì)和中國(guó)能源研究會(huì)儲(chǔ)能專委會(huì)的專家，擬對(duì)2021 年中國(guó)的主要儲(chǔ)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(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能、鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池、鈉離子電池、超級(jí)電容器和新型儲(chǔ)能技術(shù)等，希望能夠通過(guò)對(duì)儲(chǔ)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(guó)儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的主要進(jìn)展，為儲(chǔ)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(chǔ)能由徐玉杰、張新敬、王星撰寫，第3節(jié)儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷由王志峰、王亮、張雪松撰寫，第4節(jié)飛輪儲(chǔ)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(jí)電容器由馬衍偉撰寫，第10節(jié)新型儲(chǔ)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(shí)間倉(cāng)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(qǐng)各位讀者批評(píng)指正。

1 抽水蓄能

抽水蓄能具有儲(chǔ)能容量大、系統(tǒng)效率高、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快速、工況靈活、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前大規(guī)模儲(chǔ)能的主流技術(shù)。2021 年，在雙碳目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，國(guó)家從規(guī)劃、政策等方面對(duì)抽水蓄能給予了引導(dǎo)和支持，我國(guó)抽水蓄能的發(fā)展迎來(lái)歷史性機(jī)遇，得到了飛速發(fā)展。可變速抽水蓄能、大容量超高水頭抽水蓄能、抽水蓄能與新能源聯(lián)合運(yùn)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(diǎn)。

1.1 基礎(chǔ)研究

針對(duì)變速機(jī)組的控制及運(yùn)行問(wèn)題，Gong 等[5-6]提出了水泵工況啟動(dòng)控制、低電壓穿越控制等方法，Chen 等[7-8]提出了有功勵(lì)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(wú)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(guò)實(shí)證研究，量化了機(jī)組變速性能、出力性能、效率性能和壓力脈動(dòng)性能共性指標(biāo)，揭示了可變速機(jī)組變速行為演化機(jī)理，闡明了變速運(yùn)行壓力脈動(dòng)“拐點(diǎn)”效應(yīng)，明晰了定揚(yáng)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(yùn)行調(diào)度策略，優(yōu)化計(jì)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(wàn)有引力混合算法中引入混沌算法、慣性權(quán)重和改進(jìn)步長(zhǎng)因子，建立以經(jīng)濟(jì)效益最大化為目標(biāo)的風(fēng)-光-抽水儲(chǔ)能聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型。Xu等[13]針對(duì)不同的風(fēng)況(隨機(jī)風(fēng)、梯度風(fēng)和陣風(fēng))，從動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)性能和互補(bǔ)特性的角度研究了抽水蓄能發(fā)電對(duì)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(chǔ)能機(jī)組過(guò)渡過(guò)程和雙饋風(fēng)電機(jī)組特性的抽水儲(chǔ)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，并驗(yàn)證抽水蓄能機(jī)組的功率調(diào)節(jié)補(bǔ)償性能。

圍繞水泵水輪機(jī)流動(dòng)特性，Tao 等[15]對(duì)水泵水輪機(jī)的不可逆流動(dòng)能量耗散特性進(jìn)行了可視化、跟蹤、量化和對(duì)比分析，指出有針對(duì)性地消除渦流、降低表面粗糙度和提高幾何流動(dòng)適應(yīng)性有助于提高水泵水輪機(jī)的能量轉(zhuǎn)換效率。Zhang等[16]分析了水泵水輪機(jī)內(nèi)水流破壞和重組的全過(guò)程，提高了對(duì)水柱分離危險(xiǎn)現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)。Gao等[17]根據(jù)水泵水輪機(jī)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(jī)泵工況的效率與揚(yáng)程為目標(biāo)，用近似模型和改進(jìn)PSO 算法結(jié)合的方法對(duì)轉(zhuǎn)輪9個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行全局尋優(yōu)。

針對(duì)廢棄礦井構(gòu)建抽水蓄能地下水庫(kù)的問(wèn)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(guò)程對(duì)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(duì)運(yùn)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(píng)價(jià)體系研究，指出上下水庫(kù)的高差是影響最大的指標(biāo)，其次為上下水庫(kù)庫(kù)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(kù)最大冰厚的影響因素，利用實(shí)測(cè)資料采用多元回歸方法建立了我國(guó)北方抽水蓄能電站最大冰厚計(jì)算公式。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

我國(guó)大型抽水蓄能電站工程建設(shè)技術(shù)取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。大型抽水蓄能電站地下洞室群、水力系統(tǒng)快速機(jī)械化施工技術(shù)成熟應(yīng)用，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)在2020 年首次實(shí)現(xiàn)在抽水蓄能電站成功應(yīng)用后，到2021年底已在8個(gè)抽水蓄能項(xiàng)目推廣應(yīng)用。

超高水頭、超大容量抽水蓄能機(jī)組設(shè)計(jì)制造安裝技術(shù)取得新突破，國(guó)內(nèi)單機(jī)容量最大(400 MW)700米級(jí)水頭的陽(yáng)江抽水蓄能機(jī)組攻克了長(zhǎng)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(jī)組穩(wěn)定性指標(biāo)優(yōu)越，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

抽水蓄能電動(dòng)發(fā)電機(jī)技術(shù)取得新突破，分?jǐn)?shù)極路比繞組技術(shù)在國(guó)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(dòng)機(jī)性能，定子繞組布局合理，提高定子線棒剛強(qiáng)度，機(jī)組安裝與維護(hù)更方便。

抽水蓄能機(jī)組安裝及調(diào)試技術(shù)也取得新進(jìn)步，梅州抽水蓄能電站在機(jī)組施工過(guò)程中通過(guò)安裝調(diào)試措施優(yōu)化，創(chuàng)造了從項(xiàng)目開工至首臺(tái)機(jī)投產(chǎn)僅用時(shí)41個(gè)月的國(guó)內(nèi)抽蓄建設(shè)工期新紀(jì)錄。

1.3 集成示范

2021年全國(guó)共建設(shè)投產(chǎn)了敦化、荒溝、周寧、沂蒙、長(zhǎng)龍山、梅州、陽(yáng)江、豐寧8座抽水蓄能電站。敦化蓄能電站在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)700米級(jí)超高水頭、高轉(zhuǎn)速、大容量抽水蓄能機(jī)組的完全自主研發(fā)、設(shè)計(jì)和制造，成功建設(shè)嚴(yán)寒地區(qū)抽水蓄能電站首個(gè)瀝青混凝土心墻堆石壩；長(zhǎng)龍山蓄能電站最大發(fā)電水頭(756 m)、機(jī)組額定轉(zhuǎn)速(5 號(hào)6 號(hào)機(jī)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(bǔ)國(guó)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(hào)、2號(hào)機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電，是首例高轉(zhuǎn)速“零配重”抽水蓄能機(jī)組；梅州蓄能電站主體工程創(chuàng)造了國(guó)內(nèi)抽水蓄能電站最短建設(shè)工期紀(jì)錄的同時(shí)，機(jī)組運(yùn)行穩(wěn)定性在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了三導(dǎo)軸承擺度精度達(dá)到0.05 mm；陽(yáng)江蓄能電站實(shí)現(xiàn)了40 萬(wàn)千瓦級(jí)單機(jī)容量、700 m高水頭抽蓄機(jī)組全自主化制造，電站水道是世界首條800 m級(jí)水頭的鋼筋混凝土襯砌水道；豐寧蓄能電站是世界裝機(jī)容量最大的抽水蓄能電站，在國(guó)內(nèi)首次引進(jìn)使用變速機(jī)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(guó)內(nèi)外首臺(tái)完備的水-機(jī)-電-控制系統(tǒng)的可變速抽水蓄能動(dòng)態(tài)特性實(shí)驗(yàn)裝置，建設(shè)了變速抽水蓄能仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了國(guó)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(jí)可變速海水抽水蓄能機(jī)組關(guān)鍵技術(shù)。

2 壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)具有儲(chǔ)能容量大、儲(chǔ)能周期長(zhǎng)、系統(tǒng)效率高、運(yùn)行壽命長(zhǎng)、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(chǔ)能技術(shù)之一。2021 年，我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)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(jī)和膨脹機(jī)關(guān)鍵技術(shù)、10～100 MW集成示范等方面均取得重要進(jìn)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(chǔ)能系統(tǒng)各個(gè)部件的動(dòng)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(jìn)而提出系統(tǒng)運(yùn)行的控制方法，提升了系統(tǒng)的響應(yīng)特性。Chen 等[24]通過(guò)對(duì)儲(chǔ)熱系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)使蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能循環(huán)效率得到提升。通過(guò)調(diào)節(jié)運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)冷熱電三聯(lián)供。Dzido 等[25]研究了液態(tài)空氣儲(chǔ)能中冷能的回收利用對(duì)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(duì)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(guò)理論分析得到了水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的熱力學(xué)特性，研究得到水下壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)的效率可達(dá)70.7%，降低部件?損的優(yōu)化順序?yàn)榕蛎洐C(jī)前換熱器、膨脹機(jī)、壓縮機(jī)末級(jí)、低溫蓄熱罐。Chen等[27]研究了等溫壓縮空氣儲(chǔ)能的系統(tǒng)特性，系統(tǒng)循環(huán)效率最高可達(dá)76%。Mucci 等[28]研究了小型壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)性能，研究發(fā)現(xiàn)通過(guò)對(duì)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)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(jī)內(nèi)流特性與寬工況調(diào)節(jié)方面，Liang等[29]在對(duì)離心式壓縮機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬的基礎(chǔ)上，結(jié)合改進(jìn)的二區(qū)模型和低稠度葉片擴(kuò)壓器(LSVD)設(shè)計(jì)方法，完成了整體齒式(IGC)壓縮機(jī)第一級(jí)的氣動(dòng)設(shè)計(jì)，多變效率可達(dá)91.0%。張丹等[30]研究了軸流式壓縮機(jī)動(dòng)靜葉彎參數(shù)耦合特征對(duì)角區(qū)分離和激波的影響并進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使失速裕度提升了60.56%。Sun 等[31-32]在壓縮機(jī)中引入濕壓縮方法，研究了該方法對(duì)壓縮機(jī)性能的影響特性及汽霧顆粒的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)工況下壓縮機(jī)耗功可降低1.47%。孟沖等[33]發(fā)現(xiàn)采用進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)可以使工作流量范圍擴(kuò)大30.4%，壓比范圍擴(kuò)大427.4%。Guo等[34]實(shí)驗(yàn)研究了可調(diào)導(dǎo)葉和可調(diào)擴(kuò)壓器對(duì)壓縮機(jī)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(jī)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(jī)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(chǔ)能閉式和半開式向心膨脹機(jī)內(nèi)部三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，揭示了流動(dòng)損失機(jī)理。孫冠珂等[36-37]對(duì)膨脹機(jī)進(jìn)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(dòng)損失機(jī)理。此外，現(xiàn)有研究也分別對(duì)膨脹機(jī)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(dòng)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(dòng)控制法[46]等流場(chǎng)優(yōu)化方法，有效提高了膨脹機(jī)效率。針對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能膨脹機(jī)非穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況，劉祖煜等[47]對(duì)啟動(dòng)過(guò)程下膨脹機(jī)內(nèi)部流動(dòng)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(jí)膨脹機(jī)級(jí)間耦合下膨脹機(jī)可調(diào)導(dǎo)葉內(nèi)部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)與損失特征。劉棟等[49]對(duì)多級(jí)再熱式向心渦輪第一、三級(jí)導(dǎo)葉開度采用聯(lián)調(diào)方式，發(fā)現(xiàn)該方法能夠擴(kuò)大多級(jí)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(guò)研究流量、壓力等對(duì)填充床蓄冷單元的影響，得到了優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，同時(shí)利用液體透平回收超臨界空氣儲(chǔ)能過(guò)程的能量，使系統(tǒng)循環(huán)效率進(jìn)一步提升10%。Zhang等[52]將壓縮熱與太陽(yáng)能熱利用結(jié)合，構(gòu)建一種有封裝相變材料的級(jí)聯(lián)填充床梯級(jí)儲(chǔ)熱單元，實(shí)現(xiàn)了不同溫度熱能的梯級(jí)利用，使系統(tǒng)效率有所提升。液態(tài)空氣儲(chǔ)能中冷能的回收利用對(duì)系統(tǒng)性能具有重要的影響，通過(guò)構(gòu)建液體空氣儲(chǔ)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(chǔ)罐中會(huì)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(píng)估了分層穩(wěn)定性比和穩(wěn)定性圖譜，利用液氣儲(chǔ)罐內(nèi)部分層的操作策略，可以最大限度地減少儲(chǔ)罐內(nèi)液氣的蒸發(fā)氣體。

在壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能與有機(jī)朗肯循環(huán)耦合系統(tǒng)，將系統(tǒng)中多余的壓縮熱用來(lái)驅(qū)動(dòng)有機(jī)朗肯循環(huán)，并采用變結(jié)構(gòu)實(shí)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(dá)70.5%。Alirahmi等[56]將壓縮空氣儲(chǔ)能與太陽(yáng)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(jì)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(bào)期為2.65年。Li等[57]開展了蓄熱式壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期技術(shù)經(jīng)濟(jì)和環(huán)境優(yōu)化分析，較好評(píng)估了系統(tǒng)的度電成本及其對(duì)環(huán)境的影響，同時(shí)通過(guò)對(duì)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期環(huán)境影響評(píng)估，得到各個(gè)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(chǔ)能的關(guān)鍵技術(shù)主要包括壓縮機(jī)技術(shù)、蓄熱換熱器技術(shù)、膨脹機(jī)技術(shù)、系統(tǒng)集成與控制技術(shù)等。

2021年，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所依托國(guó)家能源大規(guī)模物理儲(chǔ)能研發(fā)中心建成了壓縮機(jī)實(shí)驗(yàn)與檢測(cè)平臺(tái)，測(cè)試平臺(tái)系統(tǒng)壓力測(cè)量范圍0.5～110 bar(1 bar=0.1 MPa)，轉(zhuǎn)速測(cè)量范圍0～40000 r/min，功率測(cè)量范圍0～10 MW，具有開展單/多級(jí)壓縮機(jī)氣體動(dòng)力學(xué)、力學(xué)性能、壓縮機(jī)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(cè)以及特殊工質(zhì)壓縮機(jī)性能等功能。依托該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所研制了10 MW 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)用10 MW級(jí)六級(jí)間冷離心式壓縮機(jī)(最大工作壓力10 MPa，效率為86.3%)、10 MW級(jí)四級(jí)再熱組合式透平膨脹級(jí)(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(dá)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(chǔ)能商業(yè)電站。

中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所還攻克了100 MW級(jí)先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)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)，以及系統(tǒng)集成與控制技術(shù)，研制出國(guó)際首套100 MW系統(tǒng)壓縮機(jī)、膨脹機(jī)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(chǔ)能示范項(xiàng)目取得了多個(gè)里程碑式的進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所于2021 年8 月在山東肥城建成了國(guó)際首套10 MW 鹽穴先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能商業(yè)示范電站，順利通過(guò)項(xiàng)目驗(yàn)收，并正式并網(wǎng)發(fā)電商業(yè)運(yùn)行，系統(tǒng)效率達(dá)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(chǔ)氣10 MW 先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)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(chǔ)能示范項(xiàng)目，并于2021年10月開展了并網(wǎng)試驗(yàn)。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所在張家口市建設(shè)的國(guó)際首套100 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能國(guó)家示范項(xiàng)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(jìn)入系統(tǒng)帶電調(diào)試階段，成為我國(guó)壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)新的里程碑。

3 儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷

儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷技術(shù)具有規(guī)模大、成本低、壽命長(zhǎng)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(chǔ)方式不同，儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷技術(shù)可分為顯熱、潛熱和熱化學(xué)儲(chǔ)熱三類。2021 年，我國(guó)學(xué)者在儲(chǔ)熱材料物性調(diào)控機(jī)理、儲(chǔ)熱換熱特性與強(qiáng)化、儲(chǔ)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(jìn)展。

3.1 基礎(chǔ)研究

在儲(chǔ)熱材料物性調(diào)控及其機(jī)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(duì)物質(zhì)電子和晶格的熱運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，得到材料物性的調(diào)控方法；采用分子動(dòng)力學(xué)對(duì)物質(zhì)原子體系行為進(jìn)行研究，得到物質(zhì)的微觀熱物性機(jī)理，尤其是揭示了熱化學(xué)儲(chǔ)熱的核殼結(jié)構(gòu)[58]。在溫度對(duì)能壘的作用，材料原子間相互作用，熱作用下晶格振動(dòng)和電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律等的研究方面取得了較大進(jìn)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(diǎn)高分解溫度混合熔鹽的設(shè)計(jì)方法[59]。

儲(chǔ)熱換熱特性與機(jī)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(yùn)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(chǔ)熱換熱研究；Yao 等[61]基于拓?fù)鋬?yōu)化方法獲得儲(chǔ)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(duì)流傳熱強(qiáng)化特性，熔鹽納米流體的比熱容提升和對(duì)流傳熱強(qiáng)化機(jī)理等；Lin等[63]研究了新型噴淋式填充床內(nèi)滲流流動(dòng)及儲(chǔ)熱特性；文獻(xiàn)[64-66]研究了多種水合鹽類、糖醇類和石蠟類儲(chǔ)釋熱性能，并且開展多種復(fù)合強(qiáng)化、微膠囊化、翅片增強(qiáng)等方法研究；Chen 等[67]研究了相變材料儲(chǔ)釋熱過(guò)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(chǔ)熱儲(chǔ)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(chǔ)熱儲(chǔ)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(chǔ)熱陶瓷顆粒材料[69]；在熔鹽儲(chǔ)熱材料方面，重點(diǎn)開展了低熔點(diǎn)二元熔鹽、低熔點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了700 ℃下氯化物熔鹽對(duì)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(chǔ)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(dá)116 W/(mK)[71]；在太陽(yáng)能熱化學(xué)儲(chǔ)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(chǔ)熱的動(dòng)力學(xué)研究；Liu 等[73]實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能直接驅(qū)動(dòng)光熱轉(zhuǎn)換與熱化學(xué)儲(chǔ)熱一體化。

在儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷裝置設(shè)計(jì)技術(shù)方面，賀明飛等[74]研究了大容量長(zhǎng)周期跨季節(jié)儲(chǔ)熱，進(jìn)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(chǔ)熱的傳蓄熱機(jī)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(chǔ)冷儲(chǔ)熱強(qiáng)化技術(shù)，Chen 等[78]開展了高效動(dòng)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(chǔ)熱儲(chǔ)冷應(yīng)用于太陽(yáng)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(jì)、參數(shù)優(yōu)化和運(yùn)行調(diào)控策略等方面研究；張涵等[83]研究了熱泵儲(chǔ)電、卡諾電池等以熱能和冷能存儲(chǔ)電能的新型儲(chǔ)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(zhǎng)周期跨季節(jié)儲(chǔ)熱研究，建立了考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)性的儲(chǔ)熱供熱系統(tǒng)性能分析方法。

3.3 集成示范

在儲(chǔ)熱集成示范方面，2021 年度在敦煌建成了采用熔鹽儲(chǔ)熱的50 MW 線性菲涅爾式太陽(yáng)能熱發(fā)電站，熱熔鹽溫度550 ℃，冷熔鹽溫度290 ℃，熔鹽儲(chǔ)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(chǔ)熱可實(shí)現(xiàn)12 h 連續(xù)發(fā)電；在河北黃帝城建成1.06 萬(wàn)m3水體儲(chǔ)熱的太陽(yáng)能儲(chǔ)熱采暖項(xiàng)目，在北京建立了50 kW/500 kW·h 中低溫?zé)峄瘜W(xué)儲(chǔ)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(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)；在張家口應(yīng)用水合鹽相變材料實(shí)現(xiàn)為冬奧會(huì)轉(zhuǎn)播中心供暖。江蘇金合公司己實(shí)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(chǔ)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(dá)630 萬(wàn)kW·h；北京用友軟件園采用冰儲(chǔ)冷技術(shù)，為18.5 萬(wàn)m2建筑供熱供冷；相變儲(chǔ)冷材料、裝備和系統(tǒng)研究進(jìn)展迅速，基于相變材料的冷鏈運(yùn)輸技術(shù)已獲得應(yīng)用[84]。

4 飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)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(wú)污染等特點(diǎn)，在短時(shí)高頻領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。2021 年，國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)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(jìn)展。

4.1 基礎(chǔ)研究

基礎(chǔ)研究方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者在飛輪材料、電機(jī)損耗、動(dòng)力學(xué)及控制等方面取得進(jìn)展。洛陽(yáng)船舶材料研究所宋金鵬等[86]通過(guò)對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行拉伸性能試驗(yàn)，建立了復(fù)合材料儲(chǔ)能飛輪力學(xué)模型。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所戴興建等[87]進(jìn)行了高強(qiáng)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(jì)性。江蘇大學(xué)孫玉坤等[88]進(jìn)行了高速永磁同步電機(jī)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(duì)儲(chǔ)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(duì)飛輪轉(zhuǎn)子動(dòng)力特性的影響，結(jié)果表明不同的過(guò)盈量對(duì)轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的模態(tài)有很大的影響；同時(shí)還進(jìn)行了剛性飛輪轉(zhuǎn)子-基礎(chǔ)耦合系統(tǒng)的徑向振動(dòng)分析。西安電子科技大學(xué)Xiang 等[91]探究了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電過(guò)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(guó)內(nèi)學(xué)者的研究重點(diǎn)在大儲(chǔ)能量飛輪本體、高速電機(jī)和調(diào)節(jié)控制技術(shù)等方面。中國(guó)科學(xué)院工程熱物理研究所突破了大儲(chǔ)能量飛輪及高速電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)，完成了500 kW/180 MJ飛輪儲(chǔ)能工程樣機(jī)方案設(shè)計(jì)及關(guān)鍵部件研制。武漢理工大學(xué)劉鳴等[92]進(jìn)行了磁懸浮飛輪中位移檢測(cè)信號(hào)工頻干擾分析及消除研究，提出一種變步長(zhǎng)算法進(jìn)行濾波處理和擾動(dòng)消除可達(dá)到實(shí)時(shí)消除工頻干擾的效果。陳仲偉等[93]基于雙饋電機(jī)驅(qū)動(dòng)的飛輪儲(chǔ)能多功能柔性功率調(diào)節(jié)器(FPC)設(shè)計(jì)了一套勵(lì)磁控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)軟啟動(dòng)，適合于帶飛輪儲(chǔ)能的雙饋電機(jī)勵(lì)磁控制系統(tǒng)。沈舒楠等[94]為解決飛輪儲(chǔ)能用電機(jī)齒槽轉(zhuǎn)矩大，高速運(yùn)行時(shí)鐵芯損耗高的問(wèn)題，提出一種外轉(zhuǎn)子無(wú)鐵芯無(wú)軸承永磁同步電機(jī)，相較于傳統(tǒng)的有鐵芯電機(jī)運(yùn)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(guó)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(xiàng)“MW級(jí)先進(jìn)飛輪儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)研究”完成了系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)及工程樣機(jī)研制，預(yù)計(jì)將于2022年并網(wǎng)發(fā)電。

4.3 集成示范

集成示范方面，國(guó)內(nèi)多個(gè)示范項(xiàng)目在2021 年取得了突破。華陽(yáng)集團(tuán)兩套單機(jī)600 kW 全磁懸浮飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)成功下線，將用于深圳地鐵再生制動(dòng)能量回收。由沈陽(yáng)微控新能源技術(shù)有限公司承建的風(fēng)電場(chǎng)站一次調(diào)頻和慣量響應(yīng)的飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用項(xiàng)目順利通過(guò)并網(wǎng)前驗(yàn)收，該項(xiàng)目坐落于大唐國(guó)際阜新風(fēng)電場(chǎng)。國(guó)家能源集團(tuán)寧夏電力靈武公司光火儲(chǔ)耦合22 MW/4.5 MW·h飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目開工，該項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)第一個(gè)全容量飛輪儲(chǔ)能-火電聯(lián)合調(diào)頻工程，實(shí)現(xiàn)大功率飛輪單體工程應(yīng)用。國(guó)電投坎德拉(北京)新能源有限公司MW級(jí)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)成功交付，該項(xiàng)目飛輪儲(chǔ)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(jì)的“源網(wǎng)荷儲(chǔ)用”示范項(xiàng)目大規(guī)?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)。

5 鉛蓄電池

鉛蓄電池的特點(diǎn)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(guò)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(zhǎng)電池壽命的優(yōu)勢(shì)，又能使負(fù)極保持較高的析氫過(guò)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(duì)負(fù)極活性物質(zhì)的作用機(jī)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(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)所陳遠(yuǎn)強(qiáng)[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(wèn)題及不可逆“硫酸鹽化”問(wèn)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(dá)7578 次，比對(duì)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(guò)電位，抑制析氫失水的副反應(yīng)。

在寬溫區(qū)、超長(zhǎng)壽命、高能量轉(zhuǎn)換效率、低成本的鉛炭?jī)?chǔ)能電池方面，開發(fā)了負(fù)極長(zhǎng)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(shí)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?jī)?chǔ)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(yùn)行在合理的區(qū)間內(nèi)，并延長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)容量的有效利用，而且能量密度低。鉛炭電池在經(jīng)過(guò)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(diǎn)使其在場(chǎng)地要求不高、有較長(zhǎng)的充放電工作周期等場(chǎng)合仍然是有競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能技術(shù)。2021 年，中國(guó)鐵塔和中國(guó)聯(lián)通通過(guò)公開招標(biāo)，分別采購(gòu)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?jī)?chǔ)能項(xiàng)目已實(shí)現(xiàn)正式運(yùn)行。

6 鋰離子電池

鋰離子電池具有儲(chǔ)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(diǎn)，是最近幾年發(fā)展最快的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)。2021 年，我國(guó)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(jìn)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(jì)是當(dāng)前研發(fā)的熱點(diǎn)。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(guò)揭示纖維鋰離子電池內(nèi)阻隨長(zhǎng)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LiNiαMnβXγO2(X為單個(gè)或多個(gè)元素?fù)诫s)無(wú)Co正極候選材料。中國(guó)科學(xué)院物理研究所Yue 等[99]報(bào)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(lái)的高成本問(wèn)題。新型固態(tài)電解質(zhì)開發(fā)方面，中國(guó)科技大學(xué)Wang 等[100]報(bào)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(dá)到了3.59 ×10-3S/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(jià)值，對(duì)于推動(dòng)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(diǎn)。在正極材料方面，從短期發(fā)展來(lái)看，高鎳主流材料為NCM811，隨著對(duì)能量密度要求的進(jìn)一步提升，Ni88、Ni90、Ni92 等正極材料已實(shí)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(dá)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(shí)現(xiàn)了高首效、長(zhǎng)壽命、低膨脹。在快充技術(shù)方面，蜂巢新能源宣稱通過(guò)革新鋰電池正負(fù)極、電解液等關(guān)鍵材料，可實(shí)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(lái)發(fā)布了基于原位固態(tài)化技術(shù)的150 kW·h 的動(dòng)力鋰電池技術(shù)，電芯能量密度達(dá)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(dá)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(chǔ)能電池也達(dá)到了一萬(wàn)次的循環(huán)壽命，并實(shí)現(xiàn)了100 kW·h的小型儲(chǔ)能系統(tǒng)的示范。

6.3 集成示范

在系統(tǒng)集成方面，無(wú)模組技術(shù)(CTP，cell to pack)與比亞迪刀片電池的推廣，實(shí)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(shí)代在晉江建設(shè)的36 MW/108 MW·h基于鋰補(bǔ)償技術(shù)的磷酸鐵鋰儲(chǔ)能電池壽命達(dá)到1萬(wàn)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(shí)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(lái)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(shí)現(xiàn)低溫續(xù)航損失降低25%，也有望未來(lái)用于規(guī)模儲(chǔ)能系統(tǒng)。

7 液流電池

液流電池具有安全性高、壽命長(zhǎng)、規(guī)模大等優(yōu)點(diǎn)，在大規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景。據(jù)美國(guó)DOE預(yù)計(jì)，在儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為4～10 h的電網(wǎng)規(guī)模儲(chǔ)能方面，液流電池儲(chǔ)能技術(shù)將具有比較優(yōu)勢(shì)。2021 年，我國(guó)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(jìn)展。

7.1 基礎(chǔ)研究

探索開發(fā)低成本、高能量密度的長(zhǎng)壽命液流電池新體系，對(duì)于實(shí)現(xiàn)液流電池未來(lái)可持續(xù)發(fā)展具有較為重要的意義[103]。國(guó)內(nèi)多家單位包括中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、中國(guó)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(guó)科學(xué)院金屬所等開展了包括有機(jī)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(jī)氧化還原電對(duì)，基于此電對(duì)所構(gòu)建的水系有機(jī)液流電池具有良好的穩(wěn)定性。除有機(jī)外，以中國(guó)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(gè)體系(鋅錳和鋅碘的研究是2020年及以前的)。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所Li等[108-109]首次引入機(jī)器學(xué)習(xí)方法用于預(yù)測(cè)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(cè)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(wèn)題需要解決[110-111]。

7.2 關(guān)鍵技術(shù)

面對(duì)雙碳背景下新型電力系統(tǒng)對(duì)儲(chǔ)能的重大需求，2021 年我國(guó)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(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所、大連融科儲(chǔ)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(jìn)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(shí)現(xiàn)電堆的高效、自動(dòng)化集成，系統(tǒng)可靠性進(jìn)一步提高，電堆成本降低40%；全釩液流電池的單個(gè)電堆功率超過(guò)50 kW，單個(gè)儲(chǔ)能標(biāo)準(zhǔn)模組的功率達(dá)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(jìn)一步推進(jìn)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(lái)隨著電網(wǎng)側(cè)對(duì)大規(guī)模、高安全、長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)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(guó)內(nèi)完成了多個(gè)標(biāo)志性全釩液流電池儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目，其中，融科儲(chǔ)能兩套10 MW/40 MW·h 網(wǎng)源友好型風(fēng)場(chǎng)項(xiàng)目投運(yùn)，北京普能交付了一套光伏、儲(chǔ)能戶外實(shí)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)國(guó)家光伏、儲(chǔ)能實(shí)證實(shí)驗(yàn)平臺(tái)(大慶基地)的全釩液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，大連200 MW/800 MW·h 全釩液流電池儲(chǔ)能調(diào)峰電站一期工程完成主體工程建設(shè)，進(jìn)入單體模塊調(diào)試階段。此外，近期國(guó)內(nèi)簽約落地多個(gè)100 MW級(jí)全釩液流電池電站，國(guó)電投集團(tuán)襄陽(yáng)100 MW/500 MW·h，中廣核100 MW/200 MW·h全釩液流電池儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)，雖然在儲(chǔ)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(diǎn)，特別是隨著鋰資源問(wèn)題熱度的提高，鈉離子電池得到了儲(chǔ)能領(lǐng)域的高度關(guān)注。2021 年，我國(guó)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(diǎn)方向[112-113]。正極材料研究主要分為三類：一是層狀過(guò)渡金屬氧化物(NaxMO2)，其可逆比容量高達(dá)190 mA·h/g，平均放電電壓一般為2.8～3.3 V，制備方法簡(jiǎn)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(jìn)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(kuò)散通道，平均電壓高達(dá)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(shí)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(diǎn)包括可低溫合成、平均電壓可達(dá)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(shí)密度較低，制備過(guò)程污染大、規(guī)模化應(yīng)用還面臨一定難度。

在負(fù)極材料方面，目前接近實(shí)用化的是硬碳材料。無(wú)定形碳基材料因資源豐富、綜合性能優(yōu)異，有望近期實(shí)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(jī)類負(fù)極因溶解等問(wèn)題短期內(nèi)尚難以實(shí)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(jī)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(jìn)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(diǎn)和重點(diǎn)[124]。

8.2 關(guān)鍵技術(shù)

中國(guó)科學(xué)院物理所、寧德時(shí)代、上海交通大學(xué)等單位長(zhǎng)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(xiàng)研究成果。2021 年，我國(guó)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(xiàng)重要進(jìn)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(jì)技術(shù)、高安全、高倍率和寬溫電芯設(shè)計(jì)制造技術(shù)、電池正負(fù)極材料的評(píng)價(jià)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(jì)與評(píng)價(jià)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(kù)。鈉離子電池的能量密度已達(dá)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(jí)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(jí)負(fù)極材料生產(chǎn)線和電芯線。寧德時(shí)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(jì)能量密度可達(dá)160 W·h/kg，引起儲(chǔ)能領(lǐng)域廣泛關(guān)注。

8.3 集成示范

2021 年，在中國(guó)科學(xué)院A 類戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)大規(guī)模儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)與應(yīng)用示范項(xiàng)目的支持下，中國(guó)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(chǔ)充智能微網(wǎng)示范系統(tǒng)，并成功投入運(yùn)行。此次鈉離子電池示范系統(tǒng)的研制成功，以及寧德時(shí)代鈉離子電池技術(shù)的發(fā)布，標(biāo)志著我國(guó)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(jì)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(jí)電容器

超級(jí)電容器是一種重要的功率型儲(chǔ)能器件，具有功率密度高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)，在智能電網(wǎng)、軌道交通、新能源汽車、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(chǎng)。2021 年，我國(guó)在超級(jí)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(jìn)展。

9.1 基礎(chǔ)研究

電極材料、水系超級(jí)電容器、柔性超級(jí)電容器、金屬離子電容器等是目前超級(jí)電容器基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)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(diǎn)。中國(guó)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(jī)制。MXene 作為一種新型二維過(guò)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(diǎn)。天津大學(xué)Wu 等[130]利用MXene 水凝膠構(gòu)建柔性多孔膜實(shí)現(xiàn)高倍率致密儲(chǔ)能，在功率密度高達(dá)41.5 kW/L時(shí)，基于電極材料的能量密度仍能保持21 W·h/L，是目前文獻(xiàn)報(bào)道的水系對(duì)稱型超級(jí)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(yù)為是下一代超級(jí)電容器，備受研究人員關(guān)注。中國(guó)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)?；苽涫?碳復(fù)合材料的通用方法，通過(guò)正負(fù)極碳材料同時(shí)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(dá)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(jí)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(guó)際首套連續(xù)沉積、一體化制備裝備與生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了寬幅達(dá)500 mm、厚度1～2 mm泡沫鋁的產(chǎn)線制備，在超級(jí)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(guó)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(shí)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(shí)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(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司自主研制的國(guó)內(nèi)首套變電站超級(jí)電容微儲(chǔ)能裝置在南京江北新區(qū)110 kV 虎橋變電站投運(yùn)，超級(jí)電容器由烯晶碳能電子科技無(wú)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(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用于連云港自貿(mào)區(qū)-直流電壓波動(dòng)治理系統(tǒng)，該超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)是國(guó)內(nèi)首次針對(duì)直流微網(wǎng)的應(yīng)用。此外，超級(jí)電容器在新能源交通領(lǐng)域也取得了示范應(yīng)用，由中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司設(shè)計(jì)研發(fā)的全國(guó)首艘超級(jí)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(jí)電容器作為船舶動(dòng)力電源。全球首批335 t 智能無(wú)人魚雷車在大連華銳重工集團(tuán)交付，項(xiàng)目采用了上海奧威科技研發(fā)生產(chǎn)的超級(jí)電容作為動(dòng)力電源。

10 其他新技術(shù)

除以上儲(chǔ)能技術(shù)外，研究者們開展了多種儲(chǔ)能新概念、新材料和新體系的探索與研究，發(fā)展了系列儲(chǔ)能新體系，為規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用提供了可能的技術(shù)選項(xiàng)。近年來(lái)，具有代表性的有液態(tài)金屬電池、多價(jià)金屬離子電池、水系電池等，這里做簡(jiǎn)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(wú)機(jī)鹽作為電極和電解質(zhì)，具有長(zhǎng)壽命、低成本、易放大等優(yōu)勢(shì)，在規(guī)模電力儲(chǔ)能應(yīng)用領(lǐng)域具有廣闊前景。近年來(lái)，液態(tài)金屬電池技術(shù)得到研究者的廣泛關(guān)注。針對(duì)傳統(tǒng)Sb 基電極運(yùn)行溫度高，材料利用率低的問(wèn)題，2014 年NATURE[134]報(bào)道了基于合金化電極設(shè)計(jì)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(dòng)了液態(tài)金屬電池的實(shí)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(jī)制，設(shè)計(jì)實(shí)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(shí)現(xiàn)了電極體系能量密度的重大突破(495 W·h/kg)。同時(shí)，西安交通大學(xué)與北京科技大學(xué)等團(tuán)隊(duì)[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(lái)，華中科技大學(xué)等單位在國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目“液態(tài)金屬儲(chǔ)能技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)研究”的支持下，研究團(tuán)隊(duì)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(chǎng)耦合大尺寸液-液界面的動(dòng)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)了大容量電池的長(zhǎng)效封裝；針對(duì)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(jì)狀態(tài)的狀態(tài)空間方程，實(shí)現(xiàn)了液態(tài)金屬電池SOC 的精準(zhǔn)估計(jì)[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(shí)現(xiàn)了5 kW/18 kW·h 液態(tài)金屬電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，為液態(tài)金屬電池儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展提供了支撐。

10.2 多價(jià)金屬離子電池

多價(jià)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(guò)程中的陽(yáng)離子脫嵌伴隨著多個(gè)電子轉(zhuǎn)移，且鎂、鋁與鋅等元素在地殼中儲(chǔ)量豐富、成本低廉、清潔環(huán)保，在規(guī)模儲(chǔ)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(wú)腐蝕性、價(jià)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(wú)腐蝕性鎂離子電解液，實(shí)現(xiàn)了鎂硫電池的穩(wěn)定循環(huán)。進(jìn)一步針對(duì)MACC 體系中AlCl3與硫的親核副反應(yīng)導(dǎo)致電池不可逆的問(wèn)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(lái)國(guó)內(nèi)外多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)對(duì)正極材料(石墨、硫系、過(guò)渡金屬化合物、有機(jī)物等)、負(fù)極材料(金屬鋁、鋁基合金等)以及電解質(zhì)等進(jìn)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(shí)現(xiàn)了可逆性良好的高電壓(約2 V)新型鋁-碳電池。隨后，進(jìn)一步發(fā)展了鋁-硫、鋁-硒、鋁-碲、鋁-過(guò)渡金屬硫族化合物等系列以及鋁離子固態(tài)電池，為實(shí)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(lái)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(wèn)題以及溶解-沉積庫(kù)侖效率低嚴(yán)重限制了實(shí)際應(yīng)用?，F(xiàn)階段，抑制鋅枝晶生長(zhǎng)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(zhǎng)[146]；采用電解液添加劑延緩鋅枝晶的生長(zhǎng)；設(shè)計(jì)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(jī)電解液，具有高安全性、無(wú)毒環(huán)保、低成本等潛力，是近年研究的熱點(diǎn)。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(wèn)題的限制，近年來(lái)研究者們對(duì)正、負(fù)極材料、電解液以及儲(chǔ)能機(jī)制等進(jìn)行了大量研究。通過(guò)在石墨中鹵素的轉(zhuǎn)換-嵌入化學(xué)，構(gòu)建了4 V級(jí)的水系鋰離子全電池，能量密度高達(dá)460 W·h/kg[150]；此外，通過(guò)電解液添加劑、新型鹽包水結(jié)構(gòu)[151]和水/有機(jī)共溶劑結(jié)構(gòu)[152]的水系電解液也實(shí)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(guò)多孔結(jié)構(gòu)基底修飾[153]、原位SEI層保護(hù)[154]等方法可以實(shí)現(xiàn)鋅的無(wú)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(chǔ)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(jī)理上解決鋅枝晶問(wèn)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(shí)施，儲(chǔ)能在整個(gè)電力系統(tǒng)中的戰(zhàn)略地位得到進(jìn)一步凸顯，為了適應(yīng)其發(fā)展需求，儲(chǔ)能系統(tǒng)集成關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)也進(jìn)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(chǔ)能的集成技術(shù)，相關(guān)文獻(xiàn)較少，本文暫不評(píng)述。

11.1 基礎(chǔ)研究

在PCS方面，1500 V集中式PCS成為市場(chǎng)主流產(chǎn)品，行業(yè)的研究主要方向?yàn)?500 V+液冷電池系統(tǒng)集成。為實(shí)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(diǎn)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(jí)的儲(chǔ)能系統(tǒng)集成方案，有望進(jìn)一步提升能量和功率密度，提高系統(tǒng)循環(huán)效率，同時(shí)降低儲(chǔ)能系統(tǒng)成本。

在BMS 方面，其主要功能是實(shí)時(shí)檢測(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)中電池的參數(shù)，進(jìn)行電池狀態(tài)SOX(SOC/SOH/SOP/SOE等)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)故障告警、保護(hù)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(dòng)態(tài)參數(shù)辨識(shí)與參數(shù)優(yōu)化為主流，通過(guò)多維信號(hào)采集以及歷史數(shù)據(jù)分析，動(dòng)態(tài)調(diào)整電池參數(shù)，提升SOC 的估計(jì)精度，在電池性能、安全與壽命中進(jìn)行最佳尋優(yōu)。另外，結(jié)合云端大數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺(tái)，開發(fā)云端BMS，以實(shí)現(xiàn)全生命周期下電池特性變化的精確控制。

從整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的組成來(lái)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(gè)功能，主要用于儲(chǔ)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(yùn)行。為了實(shí)現(xiàn)毫秒級(jí)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(shí)基于HTML5等技術(shù)開發(fā)的SCADA系統(tǒng)，針對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)具備電芯級(jí)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(jìn)行故障預(yù)測(cè)、功率預(yù)測(cè)、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(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)逐級(jí)進(jìn)行全面的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，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(dòng)形成立體的預(yù)警系統(tǒng)。研發(fā)智能診斷技術(shù)，通過(guò)本地的海量級(jí)電芯級(jí)的電壓、電流、溫度及內(nèi)阻，PCS的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)在線監(jiān)測(cè)和本地分析，實(shí)時(shí)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的健康度進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，通過(guò)智能算法提前偵測(cè)和發(fā)現(xiàn)病態(tài)電芯和異常部件，及時(shí)提供主動(dòng)預(yù)警和提前介入運(yùn)維，以保障儲(chǔ)能系統(tǒng)全生命周期的安全可靠運(yùn)行。

通過(guò)將電池系統(tǒng)和PCS進(jìn)行深度一體化設(shè)計(jì)，為儲(chǔ)能對(duì)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(wú)功支撐、一次調(diào)頻/二次調(diào)頻功能、電網(wǎng)黑啟動(dòng)、獨(dú)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(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)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(lái)的慣量日益降低和電網(wǎng)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)。

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(guò)液冷技術(shù)改善儲(chǔ)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(zhǎng)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(guò)30%，循環(huán)壽命提升20%以上，集裝箱級(jí)別溫差控制在3 ℃以內(nèi)，能量密度和功率密度的提升進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的初始投資和運(yùn)維成本。

11.3 集成示范

國(guó)家電投海陽(yáng)100 MW/200 MW·h 儲(chǔ)能電站項(xiàng)目，采用了高能量密度1500 V磷酸鐵鋰儲(chǔ)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(yùn)維管理體系，具有保護(hù)、控制、通信、測(cè)量等功能，可實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的全功能綜合自動(dòng)化管理。三峽烏蘭察布新一代電網(wǎng)友好綠色電站示范項(xiàng)目，儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)模70 MW/140 MW·h，該系統(tǒng)采用“防護(hù)消泄”四重安全設(shè)計(jì)理念，實(shí)現(xiàn)高效精準(zhǔn)預(yù)測(cè)、消防，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行。該項(xiàng)目建成投運(yùn)后將對(duì)我國(guó)探索源網(wǎng)荷儲(chǔ)一體化實(shí)施路徑，促進(jìn)儲(chǔ)能在大規(guī)模多場(chǎng)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(chǔ)能的安全性，一直是規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問(wèn)題之一。2021 年，我國(guó)在化學(xué)電池火災(zāi)發(fā)生機(jī)理、滅火機(jī)理與規(guī)律、預(yù)警技術(shù)等方面，取得了一系列進(jìn)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(diǎn)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等單位對(duì)磷酸鐵鋰電池的火災(zāi)危險(xiǎn)性進(jìn)行了深入研究。研究發(fā)現(xiàn)在不存在點(diǎn)火源的情況下，磷酸鐵鋰電池的熱失控過(guò)程一般不會(huì)燃燒，僅伴隨劇烈的產(chǎn)煙產(chǎn)氣行為。而在有點(diǎn)火源的情況下，即使0%SOC的電池仍會(huì)發(fā)生熱失控著火燃燒現(xiàn)象，電池在安全閥打開后會(huì)出現(xiàn)短暫的爆燃[157]。而隨著儲(chǔ)能電池容量的增加，電池廠家一般做成內(nèi)部?jī)蓚€(gè)或多個(gè)卷芯，因此也出現(xiàn)了熱失控階段的兩個(gè)或多個(gè)熱釋放速率峰值。火焰可以加速熱失控的發(fā)生，但對(duì)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(duì)優(yōu)越的熱安全性[158]。

在大型磷酸鐵鋰儲(chǔ)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(shí)趨于飽和，針對(duì)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(shí)驗(yàn)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(jìn)行優(yōu)化，提出了一種全氟己酮間歇噴霧冷卻策略[160]，通過(guò)控制滅火劑施加的占空比(噴霧時(shí)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(shí)驗(yàn)條件下的占空比為55.4%時(shí)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(duì)換熱結(jié)構(gòu)[161]、系統(tǒng)能耗等方面進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化。與此同時(shí)，由于鋰離子電池高倍率充放電的應(yīng)用場(chǎng)景越來(lái)越廣泛，混合式的熱管理技術(shù)也成為了研究的熱點(diǎn)。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(jī)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(hào)處理算法[165]，降低了傳統(tǒng)預(yù)警方法的誤報(bào)率。監(jiān)測(cè)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(jí)預(yù)警策略，實(shí)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(shí)間[167]。

在滅火技術(shù)方面，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)對(duì)傳統(tǒng)的滅火方式進(jìn)行了改進(jìn)，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(dú)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(shí)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(chǔ)能示范項(xiàng)目中得到推廣應(yīng)用。三峽新能源烏蘭察布源網(wǎng)荷儲(chǔ)示范項(xiàng)目投運(yùn)，項(xiàng)目采用了多信息融合的監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)和全氟己酮程控噴射技術(shù)。通過(guò)對(duì)鋰電池?zé)岚踩珷顟B(tài)進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測(cè)和及時(shí)抑制，防止電池火復(fù)燃的現(xiàn)象發(fā)生，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(chǔ)能系統(tǒng)，如連云港華樂合金集團(tuán)有限公司儲(chǔ)能。程控噴射消防技術(shù)也走出國(guó)門，實(shí)現(xiàn)技術(shù)輸出，如青山集團(tuán)印度尼西亞大K島55 MW/55 MW·h 鋰電儲(chǔ)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(kù)，以“Energy Storage”為主題詞統(tǒng)計(jì)的2021年度中國(guó)機(jī)構(gòu)和學(xué)者關(guān)于儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)表的SCI 論文數(shù)。從圖中可以看出，2021 年，中國(guó)機(jī)構(gòu)和學(xué)者共發(fā)表SCI論文11949篇，其中鋰離子電池、儲(chǔ)熱(包括儲(chǔ)冷)、超級(jí)電容器、鈉離子電池的SCI 論文數(shù)超過(guò)1000 篇，為當(dāng)前我國(guó)儲(chǔ)能領(lǐng)域基礎(chǔ)研究的熱門方向。總體上化學(xué)儲(chǔ)能的SCI論文數(shù)明顯高于物理儲(chǔ)能。這主要是關(guān)于儲(chǔ)能材料的發(fā)表論文數(shù)非常高，達(dá)到4581 篇，化學(xué)儲(chǔ)能的材料研究明顯比物理儲(chǔ)能活躍；同時(shí)，鋰離子電池、儲(chǔ)熱、超級(jí)電容器、鈉離子電池這四種儲(chǔ)能技術(shù)的材料研究也最為活躍。

圖1 2021年中國(guó)主要儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)表SCI論文數(shù)Fig.1 Number of SCI papers on major energy storage technologies published from China in 2021

圖2 給出了依據(jù)“Web of Science”核心數(shù)據(jù)庫(kù)，以“Energy Storage”為主題詞統(tǒng)計(jì)的2021年度世界主要國(guó)家關(guān)于儲(chǔ)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(chǔ)能技術(shù)相關(guān)SCI 論文26510 篇，其中中國(guó)、美國(guó)、印度、韓國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和澳大利亞7個(gè)國(guó)家發(fā)表的論文數(shù)超過(guò)1000 篇。中國(guó)機(jī)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(guó)的3336篇和第三位印度的2420篇，且超過(guò)了第二到第七位發(fā)表論文的總和，中國(guó)已經(jīng)成為全球儲(chǔ)能技術(shù)基礎(chǔ)研究最活躍的國(guó)家。綜合分析當(dāng)今世界儲(chǔ)能技術(shù)基礎(chǔ)研究先進(jìn)國(guó)家的格局，基本上包含兩類國(guó)家：一類是美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)和澳大利亞為代表的西方發(fā)達(dá)國(guó)家；第二類為中國(guó)、印度和韓國(guó)為代表的新興國(guó)家。在分項(xiàng)技術(shù)方面，在圖1所列出的所有單項(xiàng)技術(shù)，包括抽水蓄能、壓縮空氣、儲(chǔ)熱、飛輪、鉛電池、鋰離子電池、鈉離子電池、液流電池、超級(jí)電容器、液態(tài)金屬、金屬離子電池和水系電池，中國(guó)機(jī)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2 2021年世界主要國(guó)家儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)表SCI論文數(shù)Fig.2 Number of SCI papers on energy storage technologies published from major countries worldwide in 2021

圖3 給出了依據(jù)“Web of Science”核心數(shù)據(jù)庫(kù)，以“Energy Storage”為主題詞統(tǒng)計(jì)的2010—2021 年世界主要國(guó)家關(guān)于儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)表的SCI 論文數(shù)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果，2010 年以來(lái)全世界共發(fā)表儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)SCI 論文184248 篇，其中中國(guó)、美國(guó)、印度、韓國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、意大利、日本和法國(guó)位列前10 位，且這十個(gè)國(guó)家2010年以來(lái)發(fā)表的儲(chǔ)能相關(guān)SCI論文數(shù)均超過(guò)6000篇。從發(fā)展趨勢(shì)看，一方面，相比2010年，所有10個(gè)國(guó)家發(fā)表的儲(chǔ)能相關(guān)SCI論文數(shù)均大幅增加。比如美國(guó)從2010 年的1223 篇增加到2021 年的3336篇，中國(guó)從2010 年的684 篇增加到2021 年的11949篇。另一方面，這10個(gè)主要國(guó)家可以分為兩類：一類是美國(guó)、德國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、意大利、日本和法國(guó)7 個(gè)發(fā)達(dá)國(guó)家，它們的儲(chǔ)能相關(guān)SCI 論文數(shù)大致經(jīng)歷了兩個(gè)時(shí)期，即從2010—2016 年的快速增長(zhǎng)期和2017 年開始的基本穩(wěn)定期；第二類為中國(guó)、印度和韓國(guó)這三個(gè)新興國(guó)家，它們的儲(chǔ)能相關(guān)SCI 論文數(shù)自2010 年以來(lái)一直在增長(zhǎng)，目前仍保持明顯的上升趨勢(shì)。第三方面，比較中美兩國(guó)的儲(chǔ)能相關(guān)SCI論文數(shù)可以看出，2010年中國(guó)的SCI 論文數(shù)只有美國(guó)的50%左右，但到2013 以后中國(guó)已超過(guò)美國(guó)成為全球儲(chǔ)能相關(guān)SCI論文數(shù)的第一大國(guó)，特別是2017 年以后美國(guó)每年的儲(chǔ)能相關(guān)SCI 論文數(shù)基本穩(wěn)定在3500 篇左右，而中國(guó)同期每年發(fā)表的儲(chǔ)能SCI論文數(shù)仍然在大幅增長(zhǎng)，從2017 年的7074 篇增加到2021 年11949篇，這同中國(guó)政府和企業(yè)在“十二五”和“十三五”期間加大對(duì)儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)支持力度的情況是完全吻合的。

圖3 世界主要國(guó)家儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)表SCI論文數(shù)(2010—2021)Fig.3 Number of SCI papers on energy storage technologies published from major countries worldwide(2010—2021)

13.2 關(guān)鍵技術(shù)

表1 給出了2021 年中國(guó)儲(chǔ)能關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展的總結(jié)。從表中可見，2021 年我國(guó)主要儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)均取得了重要進(jìn)展，綜合分析大致可以分為三類。

表1 2021年中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)與示范進(jìn)展Table 1 Progress on energy storage technology and demonstration of China in 2021

第一類為基本成熟的技術(shù)，主要包括抽水蓄能、鉛蓄電池和儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷三類。它們技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)在于在原有技術(shù)基礎(chǔ)上如何進(jìn)一步改進(jìn)性能，比如抽水蓄能的可變速機(jī)組技術(shù)、高活性負(fù)極碳材料技術(shù)、高溫熔鹽蓄熱技術(shù)等。

第二類為集成示范為主的技術(shù)，主要包括鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)能四類。這些儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)的重點(diǎn)為如何突破從集成示范到產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的特定關(guān)鍵技術(shù)，比如鋰離子電池

的高安全性技術(shù)、液流電池的低成本技術(shù)、壓縮空氣儲(chǔ)能的高效技術(shù)、以及高速飛輪儲(chǔ)能技術(shù)等。在這四類技術(shù)中，鋰離子電池技術(shù)的研發(fā)最為活躍，示范項(xiàng)目也最多，也是最接近技術(shù)成熟和產(chǎn)業(yè)鏈完整的技術(shù)。

第三類為關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)為主的技術(shù)，主要包括鈉離子電池、超級(jí)電容器、液態(tài)金屬、金屬離子電池和水系電池技術(shù)五類。它們技術(shù)研究的重點(diǎn)在于如何突破材料、單體、模塊的關(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。這五類技術(shù)中，鈉離子電池取得了多項(xiàng)技術(shù)進(jìn)展，也在2021 年實(shí)現(xiàn)了1 MW·h 示范，是最受關(guān)注的新興儲(chǔ)能技術(shù)；超級(jí)電容器的研究也非常活躍，且在2021 年實(shí)現(xiàn)了在規(guī)模儲(chǔ)能的示范應(yīng)用，也是值得重點(diǎn)關(guān)注的儲(chǔ)能技術(shù)。

13.3 集成示范

表1 同時(shí)給出了2021 年中國(guó)儲(chǔ)能集成示范進(jìn)展的總結(jié)。從表中可見，2021 年我國(guó)主要儲(chǔ)能技術(shù)的集成示范均取得了重要進(jìn)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(chǔ)能和儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷等。第二類為驗(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(chǔ)能和飛輪儲(chǔ)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(jí)電容器等。

根據(jù)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)盟的不完全統(tǒng)計(jì)，截止到2021 年底，中國(guó)已投運(yùn)的儲(chǔ)能項(xiàng)目累計(jì)裝機(jī)容量(包括物理儲(chǔ)能、電化學(xué)儲(chǔ)能以及儲(chǔ)熱)達(dá)到45.75 GW，同比增長(zhǎng)29%[1]。圖4給出了2021年我國(guó)新增儲(chǔ)能裝機(jī)容量，可見我國(guó)電力儲(chǔ)能裝機(jī)繼續(xù)保持高速增長(zhǎng)，同比增長(zhǎng)220%，新增投運(yùn)規(guī)模達(dá)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(yùn)規(guī)模達(dá)到1.84 GW；壓縮空氣儲(chǔ)能新增投運(yùn)規(guī)模大幅提升，達(dá)到170 MW，是其2020年底前累計(jì)規(guī)模的15 倍；儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷和液流電池裝機(jī)也分別新增100 MW和23 MW裝機(jī)規(guī)模。

圖4 2021年中國(guó)儲(chǔ)能新增裝機(jī)容量Fig.4 New installed capacity of energy storage in China in 2021

如圖5所示，綜合分析各儲(chǔ)能技術(shù)2021年的新增裝機(jī)容量，各種儲(chǔ)能技術(shù)大致可以分為四個(gè)梯隊(duì)。第一梯隊(duì)為抽水蓄能，單機(jī)規(guī)模100 MW以上，占2021 年全國(guó)儲(chǔ)能新增裝機(jī)的79%左右；第二梯隊(duì)為鋰離子電池、壓縮空氣儲(chǔ)能、液流電池、鉛蓄電池和儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷技術(shù)，單機(jī)規(guī)?？蛇_(dá)10～100 MW，其中鋰離子電池新增裝機(jī)達(dá)到18%，未來(lái)有可能形成單獨(dú)的一個(gè)梯隊(duì)；第三梯隊(duì)為鈉離子電池、飛輪儲(chǔ)能和超級(jí)電容器，目前單機(jī)規(guī)?？梢赃_(dá)到MW級(jí)，其中鈉離子發(fā)展受關(guān)注最多，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的發(fā)展有可能未來(lái)進(jìn)入第二梯隊(duì)；第四梯隊(duì)為液態(tài)金屬、金屬離子電池和水系電池等新型儲(chǔ)能技術(shù)，需要進(jìn)一步的研發(fā)，以盡早實(shí)現(xiàn)集成示范和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

圖5 2021年中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)集成示范和產(chǎn)業(yè)化梯隊(duì)Fig.5 Echelon of energy storage technology integration demonstration and industrialization from China in 2021

圖6 給出了2021 年中國(guó)和世界儲(chǔ)能技術(shù)水平對(duì)比。從圖中可見，經(jīng)過(guò)“十二五”和“十三五”期間國(guó)家和產(chǎn)業(yè)的持續(xù)投入，中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)的水平快速提升，壓縮空氣儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱儲(chǔ)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(chǔ)能、超級(jí)電容器和儲(chǔ)能新技術(shù)和世界先進(jìn)水平還有一定的差距，但總體上差距在逐步縮小。

圖6 2021年中國(guó)和世界儲(chǔ)能技術(shù)水平對(duì)比Fig.6 Comparison of energy storage technology between China and other countries in 2021

14 結(jié)論與展望

2021 年，中國(guó)儲(chǔ)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(guó)機(jī)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(guó)，中國(guó)已經(jīng)成為全球儲(chǔ)能技術(shù)基礎(chǔ)研究最活躍的國(guó)家。在關(guān)鍵技術(shù)和集成示范方面，各主要儲(chǔ)能技術(shù)也均取得重要進(jìn)展，中國(guó)已成為世界儲(chǔ)能技術(shù)研發(fā)和示范的主要核心國(guó)家之一。

（1）物理儲(chǔ)能方面：在抽水蓄能方面，我國(guó)在超高水頭、超大容量抽水蓄能電站施工建設(shè)、設(shè)計(jì)制造、安裝調(diào)試等方面實(shí)現(xiàn)跨越式發(fā)展。在定速抽水蓄能技術(shù)方面實(shí)現(xiàn)了從跟跑、并跑到領(lǐng)跑的轉(zhuǎn)變，達(dá)到了世界領(lǐng)先水平；在變速抽水蓄能技術(shù)方面，我國(guó)仍處于探索研究階段，目前雖然取得了一些成果，和國(guó)外技術(shù)尚有較大差距。

在壓縮空氣儲(chǔ)能方面，我國(guó)在10～100 MW壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)方面取得了多個(gè)里程碑式的進(jìn)展。特別是中國(guó)科學(xué)院工程熱物理所的張家口國(guó)際首套100 MW先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能國(guó)家示范項(xiàng)目并網(wǎng)帶電調(diào)試，標(biāo)志我國(guó)在壓縮空氣儲(chǔ)能領(lǐng)域已達(dá)到國(guó)際引領(lǐng)水平。

在儲(chǔ)熱儲(chǔ)冷方面，雙碳戰(zhàn)略對(duì)儲(chǔ)熱提出了更多需求。高溫熔鹽儲(chǔ)熱、大容量跨季節(jié)儲(chǔ)熱和儲(chǔ)冷、熱泵儲(chǔ)熱/卡諾電池以及各種化學(xué)儲(chǔ)熱是當(dāng)前儲(chǔ)熱研究的熱點(diǎn)。

在飛輪儲(chǔ)能方面，今年大容量功率型飛輪儲(chǔ)能的自主研發(fā)取得了階段性進(jìn)展，縮小了與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，為將來(lái)10 MW 級(jí)及以上功率等級(jí)的飛輪陣列儲(chǔ)能示范電站建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

（2）化學(xué)儲(chǔ)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(guò)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(guó)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(bǔ)償技術(shù)、無(wú)模組技術(shù)和刀片電池技術(shù)是今年的技術(shù)進(jìn)展亮點(diǎn)。

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)模化、成本、效率等問(wèn)題，是當(dāng)前研究的重點(diǎn)，同時(shí)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(guó)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(jìn)展，已處于國(guó)際領(lǐng)先地位。

在超級(jí)電容器方面，我國(guó)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(jìn)行了全鏈條技術(shù)攻關(guān)，并實(shí)現(xiàn)在規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域的示范。

在新型儲(chǔ)能技術(shù)方面，研究重點(diǎn)在于液態(tài)金屬電池、多價(jià)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(jìn)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?jī)?chǔ)能電站的集成、運(yùn)行和控制技術(shù)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用，但隨著儲(chǔ)能規(guī)模的擴(kuò)大，PCS/BMS/EMS的融合技術(shù)、云端運(yùn)維和管理技術(shù)、遠(yuǎn)程智能安全監(jiān)控等技術(shù)將進(jìn)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(qiáng)，多信息融合的監(jiān)測(cè)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(guó)儲(chǔ)能有望保持規(guī)?；l(fā)展的良好態(tài)勢(shì)。在國(guó)家雙碳戰(zhàn)略的持續(xù)推動(dòng)下，儲(chǔ)能政策將繼續(xù)向好。中國(guó)儲(chǔ)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(guó)際最活躍國(guó)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(jí)大規(guī)模集成示范項(xiàng)目將成為常態(tài)，儲(chǔ)能領(lǐng)域大概率將迎來(lái)又一個(gè)快速發(fā)展的一年。