作者：陳海生 1 李泓 2徐玉杰 1徐德厚 3王亮 1周學(xué)志 1陳滿 4胡東旭 1閻景旺 5李先鋒 5胡勇勝 2安仲勛 6劉語 1肖立業(yè) 7蔣凱 8鐘國彬 9王青松 10李臻 11戴興建 1張宇鑫 1俞振華 11宋振 11彭煜民 4馬一鳴 4郭歡 1王星 1周鑫 1胡傲偉 1張馳 1相佳媛 12張浩 13劉為 11岳芬 11張長昆 5謝飛 2夏恒恒 6楊重陽 6邱清泉 7艾巍 1李浩秒 8劉軒 14梅文昕 10李煌 10
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； 3. 畢節(jié)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)國家能源大規(guī)模物理儲能技術(shù)研發(fā)中心； 4. 南方電網(wǎng)儲能股份有限公司； 5. 中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所； 6. 上海奧威科技開發(fā)有限公司； 7. 中國科學(xué)院電工研究所； 8. 華中科技大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院； 9. 廣東新型儲能國家研究院有限公司； 10. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室； 11. 中關(guān)村儲能產(chǎn)業(yè)技術(shù)聯(lián)盟； 12. 浙江南都電源動力股份有限公司； 13. 軍事科學(xué)院防化研究院； 14. 南方電網(wǎng)電力科技股份有限公司
引用：陳海生, 李泓, 徐玉杰, 等. 2023年中國儲能技術(shù)研究進(jìn)展[J].儲能科學(xué)與技術(shù), 2024, 13(5): 1359-1397.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0441
摘 要 本文對2023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，在綜合分析的基礎(chǔ)上，總結(jié)得出了中國儲能技術(shù)領(lǐng)域的主要進(jìn)展，包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能、鉛蓄電池、鋰離子電池、液流電池、鈉離子電池、超級電容器、儲能新技術(shù)、集成技術(shù)和消防安全技術(shù)等。結(jié)果表明，2023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，保持了全球基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)和集成示范最為活躍的國家地位，中國在儲能領(lǐng)域發(fā)表SCI論文數(shù)、申請專利數(shù)、裝機(jī)規(guī)模繼續(xù)保持世界第一。展望2024年，中國儲能技術(shù)有望繼續(xù)高速發(fā)展，同時總體上需要向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變。
關(guān)鍵詞 儲能；技術(shù)；進(jìn)展
在碳達(dá)峰碳中和目標(biāo)引領(lǐng)下，我國加快構(gòu)建清潔低碳安全高效的新型能源體系，積極發(fā)展清潔能源，推進(jìn)新型電力系統(tǒng)建設(shè)。儲能是能源革命的關(guān)鍵技術(shù)，是支撐新能源發(fā)揮主體電源作用，實現(xiàn)電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障，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)整體上正在經(jīng)歷由商業(yè)化初期向規(guī)模化發(fā)展實質(zhì)性轉(zhuǎn)變的階段，在技術(shù)研發(fā)、工程示范、商業(yè)模式、政策機(jī)制等方面均高速發(fā)展。2021年和2022年，筆者對中國的主要儲能技術(shù)的年度研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述，得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。2023年，中國儲能政策支持力度加大；各種儲能技術(shù)研究取得重要進(jìn)展；儲能裝機(jī)規(guī)?？焖侔l(fā)展；資本持續(xù)投入；產(chǎn)能快速增加?？傮w上，中國儲能技術(shù)和產(chǎn)業(yè)經(jīng)歷了高速發(fā)展的一年，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界朋友建議筆者繼續(xù)撰寫一篇綜述性文章，對中國2023年儲能技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行系統(tǒng)地回顧和分析。
本文是受《儲能科學(xué)與技術(shù)》期刊邀請，依托中國化工學(xué)會儲能工程專業(yè)委員會和中國能源研究會儲能專委會的專家，擬對2023年中國的主要儲能技術(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、超級電容和新型儲能技術(shù)等，希望能夠通過對儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范的回顧和分析，總結(jié)2023年中國儲能技術(shù)領(lǐng)域的主要進(jìn)展，為儲能領(lǐng)域的研究生、科研工作者和工程技術(shù)人員提供參考。
本文共分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)壓縮空氣儲能由周學(xué)志、徐玉杰、郭歡、王星、周鑫撰寫，第3節(jié)儲熱儲冷由王亮、胡傲偉、張馳、徐玉杰撰寫，第4節(jié)飛輪儲能由胡東旭、戴興建撰寫，第5節(jié)鉛蓄電池由閻景旺、相佳媛、張浩、劉為撰寫，第6節(jié)鋰離子電池由李泓、岳芬撰寫，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、謝飛撰寫，第9節(jié)超級電容由安仲勛、劉語、夏恒恒、楊重陽撰寫，第10節(jié)新型儲能技術(shù)由肖立業(yè)、周學(xué)志、邱清泉(重力儲能)、王亮、艾巍(熱泵儲電)、蔣凱、李浩秒(液態(tài)金屬)、宋振撰寫，第11節(jié)集成技術(shù)由鐘國彬、劉軒、宋振撰寫，第12節(jié)消防安全技術(shù)由王青松、梅文昕、李煌撰寫，第13節(jié)綜合分析由陳海生、張宇鑫、李臻撰寫，第14節(jié)結(jié)論由陳海生撰寫，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
抽水蓄能是目前大規(guī)模儲能的主流技術(shù)，具有儲能容量大、系統(tǒng)效率高、運(yùn)行壽命長、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)。2023年，國家發(fā)改委和國家能源局出臺了《關(guān)于進(jìn)一步做好抽水蓄能規(guī)劃建設(shè)工作有關(guān)事項的通知》《關(guān)于抽水蓄能電站容量電價及有關(guān)事項的通知》等重要文件，進(jìn)一步明確了發(fā)展規(guī)劃、容量電價和保障措施等，有力促進(jìn)了抽水蓄能的快速發(fā)展。目前，我國抽水蓄能技術(shù)總體向“高、寬、大、變”方向發(fā)展，即高水頭(800 m以上)、高海拔(4300 m)；低水頭(100 m以下)；寬水頭變幅、寬負(fù)荷；大容量(400 MW)、大直徑(葉輪直徑6 m)；可變速等方向發(fā)展。目前，水泵水輪機(jī)流動特性、運(yùn)行控制技術(shù)、系統(tǒng)調(diào)度和優(yōu)化等是基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)方向；關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)重點(diǎn)包括大型電站工程建設(shè)技術(shù)、機(jī)組設(shè)計制造技術(shù)和變速抽水蓄能技術(shù)等。
1.1 基礎(chǔ)研究
在水泵水輪機(jī)流動特性方面，楊小龍等將一維管路和三維機(jī)組相結(jié)合，得到了水輪機(jī)工況下啟動過程中內(nèi)部流動特征和外特性曲線。Shen等揭示了可逆混流泵中的流動不穩(wěn)定性，闡明了馬鞍形區(qū)域的形成機(jī)理。管子武等通過轉(zhuǎn)輪修型以降低無葉區(qū)壓力脈動，改善了高水頭抽水蓄能機(jī)組振動和噪聲超標(biāo)問題。Hu等通過轉(zhuǎn)輪優(yōu)化，擴(kuò)大了水泵水輪機(jī)運(yùn)行的負(fù)荷范圍。Fu等通過研究回流渦和空化之間的相互作用機(jī)制及其對抽水蓄能過渡過程的影響，為控制振動提供重要的理論依據(jù)。Guo等提出一種模擬間隙引起的振動位移的計算方法。Liu等定量分析了可壓縮無界水中的空化泡和水泵水輪機(jī)中的空化空腔對不同脈動壓力的響應(yīng)，揭示引起水柱分離的壓力脈動。Zhao等基于熵產(chǎn)理論研究了不同參數(shù)仿生導(dǎo)葉對水泵水輪機(jī)駝峰特性的抑制效果。Jin等開展了水輪機(jī)工況啟動過程中能量耗散的可視化研究，指出了水泵水輪機(jī)各部件中的高流動能量耗散的位置。Lei等給出了抽水蓄能導(dǎo)葉關(guān)閉規(guī)律優(yōu)化與決策，提高了復(fù)雜工況下的適應(yīng)性。
在機(jī)組控制方面，Ma等分析和總結(jié)了抽水蓄能機(jī)組振動產(chǎn)生與傳播機(jī)理并提出了解決措施。Zheng等提出一種基于等效電路建模的離散阻抗方法來解決傳統(tǒng)連續(xù)阻抗法很難直接得到頻率響應(yīng)解析解的問題。Guo等分析了具有上下游調(diào)壓室的抽水蓄能電站負(fù)荷調(diào)整和一次調(diào)頻控制的穩(wěn)定性。衣傳寶等提出一種含抽水蓄能的新型電力系統(tǒng)慣性增強(qiáng)分布式控制方法。張慧中等通過放松轉(zhuǎn)子側(cè)直流電壓限制來擴(kuò)大轉(zhuǎn)差率的調(diào)節(jié)范圍，改善了機(jī)組的功率調(diào)節(jié)能力。莊凱勛等提出一種基于附加轉(zhuǎn)速修正量的頻率響應(yīng)特性優(yōu)化控制策略，顯著提高了雙饋電機(jī)轉(zhuǎn)子動能的調(diào)整范圍，改善了機(jī)組動態(tài)調(diào)頻特性。井浩然等建立了雙饋變速抽水蓄能機(jī)組全工況轉(zhuǎn)換模型，實現(xiàn)對機(jī)組工況轉(zhuǎn)換過程暫態(tài)模型的分析，可用于雙饋變速抽水蓄能源網(wǎng)協(xié)調(diào)策略的研究。
在系統(tǒng)調(diào)度和優(yōu)化方面，文獻(xiàn)[22-24]分別研究了抽蓄-火電-新能源、抽蓄-新能源、抽蓄-儲氫-新能源、混合抽水蓄能-火電-新能源等混合能源系統(tǒng)的聯(lián)合運(yùn)行與優(yōu)化調(diào)度。羅彬等提出一種混合式抽水蓄能與風(fēng)電聯(lián)合運(yùn)行短期調(diào)度模型，為常規(guī)水電站的融合改造提供借鑒。羅胤等給出了抽蓄-火電聯(lián)合運(yùn)營的動態(tài)效益和靜態(tài)效益的具體計算方法。王毅等量化設(shè)備全生命周期成本分析并形成基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的成本計算與預(yù)測。倪晉兵等采用基于時序生產(chǎn)模擬的方法對抽水蓄能在促進(jìn)新能源消納和減少碳排放的作用進(jìn)行了量化研究。黃莉等初步測算了貴州35個抽水蓄能規(guī)劃站點(diǎn)的容量價格，并研究了容量費(fèi)用的疏導(dǎo)方式對輸配電價的影響程度。Chen等提出了一套抽水蓄能調(diào)峰的效用評估方法，能夠準(zhǔn)確評估抽水蓄能以各種方式參與調(diào)峰市場的效用。
市場和價格機(jī)制方面，謝道清等建立抽水蓄能電價解析數(shù)學(xué)模型，確定成本疏導(dǎo)的3個原則和成本分?jǐn)偟?種方式。王進(jìn)等提出抽水蓄能電站保留容量電費(fèi)、以價格接受者身份不報量不報價的市場化運(yùn)行機(jī)制。林毅等構(gòu)建了一種電能量、調(diào)頻和備用聯(lián)合市場出清優(yōu)化模型，實現(xiàn)儲能對聯(lián)合市場所帶來運(yùn)行價值的量化。Zhang等建立了按需調(diào)用模式下現(xiàn)貨市場抽水蓄能機(jī)組的盈利模型，對抽水蓄能調(diào)用盈虧與電價變化趨勢關(guān)系進(jìn)行了總結(jié)。
在新型抽水蓄能技術(shù)方面，研究重點(diǎn)為變速抽水蓄能技術(shù)，Li等研究了孤立電力系統(tǒng)中變速抽水蓄能電站一次調(diào)頻性能，證實了變速機(jī)組在調(diào)節(jié)過程中的優(yōu)越性。Huang等研究了變速抽水蓄能電站水力擾動中的有功功率波動與控制，并提出解決有功功率波動的有效對策。Xu等提出了基于自適應(yīng)模型預(yù)測控制的變速抽水蓄能機(jī)組發(fā)電模式下的一次頻率控制策略。Yang等指出了變速抽水蓄能相比定速機(jī)組在與風(fēng)電互補(bǔ)運(yùn)行方面的優(yōu)勢。程其云等將變速抽水蓄能機(jī)組投入到含有風(fēng)、光、火電的電力系統(tǒng)日前優(yōu)化調(diào)度中，有效提升了機(jī)組運(yùn)行效益。在其他新型抽水蓄能技術(shù)方面，朱軍輝等對海水抽水蓄能與海上光伏一體化項目的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。Yin等開發(fā)了海上風(fēng)電和抽水蓄能互補(bǔ)運(yùn)行的協(xié)同設(shè)計框架。Zhou等研究了地下抽水蓄能雙彎曲巷道流場特性和能量損失隨巷道結(jié)構(gòu)和角度的變化規(guī)律。Sun等從可持續(xù)發(fā)展的視角，提出了一個全新的評價黃河流域地下抽水蓄能發(fā)展?jié)摿Φ目蚣堋e等提出的壓縮空氣調(diào)壓地下抽水蓄能系統(tǒng)，通過不同的運(yùn)行模式提高了蓄能系統(tǒng)對地下洞室的適應(yīng)性。
1.2 關(guān)鍵技術(shù)
大型電站工程建設(shè)技術(shù)方面，國產(chǎn)首臺大直徑大傾角斜井隧道掘進(jìn)機(jī)“永寧號”順利完成掘進(jìn)任務(wù)，國際首臺超大傾角可變徑斜井硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)“天岳號”應(yīng)用于湖南平江項目?！?00 m級水頭抽水蓄能電站超高壓鋼筋混凝土壓力管道建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)”通過鑒定，標(biāo)志著我國鋼筋混凝土襯砌高壓水道技術(shù)從600 m級躍升至800 m級。新疆阜康抽水蓄能電站首次采用全庫盆一體式防滲結(jié)構(gòu)設(shè)計，克服上水庫高海拔、高寒等不利因素，減少冰凍對防滲材料和防滲設(shè)施的破壞；采用曲面滑動模板技術(shù)，減少土石方開挖和節(jié)約了2/3澆筑時間等。河南天池等項目引入無人機(jī)自動噴涂、無人駕駛振動碾壓技術(shù)、管道測量機(jī)器人等智能技術(shù)，大幅提升施工效率。
在機(jī)組設(shè)計制造技術(shù)方面，抽水蓄能機(jī)組四大類核心控制子系統(tǒng)(計算機(jī)監(jiān)控、調(diào)速、勵磁、繼電保護(hù))均成功實現(xiàn)了全面國產(chǎn)化。“國產(chǎn)抽水蓄能機(jī)組成套開關(guān)設(shè)備”通過鑒定，可以批量生產(chǎn)并在抽水蓄能電站推廣應(yīng)用?！俺樗钅茈娬径嗑S度智能巡維關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用”通過鑒定，滿足巡維“看得懂”“聽得清”“摸得透”和“分析準(zhǔn)”需求。
在變速抽水蓄能技術(shù)方面，Liu等針對國內(nèi)外已有的大型變速抽水蓄能工程可行性研究經(jīng)驗，提出了變速抽蓄機(jī)組設(shè)計研究的重點(diǎn)與方案。海水可變速抽水蓄能機(jī)組全景物理模擬技術(shù)、新型海水抽蓄機(jī)組防污防腐技術(shù)達(dá)到國際領(lǐng)先水平。國內(nèi)首套10 MW可變速機(jī)組主機(jī)及變流器工程樣機(jī)，首次完成發(fā)電電動機(jī)與三種不同型式變流器的聯(lián)調(diào)并網(wǎng)試驗。提出了大型可變速機(jī)組研制成套技術(shù)方案。
1.3 集成示范
2023年，豐寧、清原、阜康、蟠龍、廈門、天池、文登和永泰等抽水蓄能電站均有機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電。其中，豐寧抽水蓄能電站裝機(jī)容量、儲能能力、地下廠房規(guī)模和地下洞室群規(guī)模均為世界第一，2023年定速機(jī)組(1～10號機(jī)組)實現(xiàn)全部投產(chǎn)發(fā)電，國內(nèi)首臺大型交流勵磁變速抽蓄機(jī)組(12號機(jī)組)并網(wǎng)發(fā)電成功。遼寧清原抽水蓄能電站為東北地區(qū)最大的抽水蓄能電站；阜康抽水蓄能電站為西北地區(qū)最大的抽水蓄能電站；蟠龍抽水蓄能電站是西南地區(qū)首座大型抽水蓄能電站，也是首次在紅層砂巖地區(qū)建設(shè)的抽水蓄能電站；廈門抽水蓄能電站從主體工程開工到首臺機(jī)組投產(chǎn)發(fā)電用時47個月，創(chuàng)造了國網(wǎng)地區(qū)抽水蓄能電站建設(shè)新速度；文登抽水蓄能電站首次在抽水蓄能領(lǐng)域應(yīng)用全斷面硬巖隧道掘進(jìn)機(jī)施工技術(shù)；天池抽水蓄能電站實現(xiàn)一年4個機(jī)組投運(yùn)；永泰抽水蓄能電站是福建省屬企業(yè)自主建設(shè)、自主運(yùn)營的首個抽水蓄能電站。潘家口抽水蓄能電站升級改造項目首臺機(jī)組順利投產(chǎn)發(fā)電，標(biāo)志著目前國內(nèi)在運(yùn)單機(jī)容量最大的雙轉(zhuǎn)速變速抽水蓄能機(jī)組升級改造取得成功。
此外，道孚抽水蓄能電站正式開工建設(shè)，該電站裝機(jī)容量6×35萬千瓦，具有高寒、高海拔、高地震烈度、超高水頭的復(fù)雜建設(shè)條件以及高轉(zhuǎn)速、高電壓、大容量發(fā)電機(jī)組的復(fù)雜建造難度，為目前世界上海拔最高(4300 m)的大型抽水蓄能電站。葉巴灘抽水蓄能電站順利通過技術(shù)審查，該電站裝機(jī)容量18×25萬千瓦，是全球裝機(jī)規(guī)模最大、機(jī)組臺數(shù)最多、距高比最大、壓力管道及鋼岔管尺寸最大、洞室群效應(yīng)最顯著的抽水蓄能電站，也是我國首個以兩座季調(diào)節(jié)水庫作為上下庫建設(shè)的抽水蓄能電站。
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。2023年，我國CAES技術(shù)總體上從單機(jī)100 MW級向300 MW級推進(jìn)，在系統(tǒng)總體特性、核心部件關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)集成示范等方面均取得了重要進(jìn)展。
2.1 基礎(chǔ)研究
在系統(tǒng)總體特性與參數(shù)優(yōu)化方面，Guo等研究了CAES優(yōu)化設(shè)計，從系統(tǒng)分析和優(yōu)化方法、變工況特性和考慮系統(tǒng)變工況特性的系統(tǒng)設(shè)計方法三個方面，綜合性地給出了系統(tǒng)優(yōu)化的研究方向。Li等提出了采用預(yù)壓縮和液體活塞的近等溫壓縮空氣儲能系統(tǒng)，在液體活塞的最佳入口壓力下，可提升系統(tǒng)循環(huán)效率和?效率。楊大慧等提出AA-CAES系統(tǒng)釋能發(fā)電階段控制策略，發(fā)現(xiàn)投入安全減出力控制回路，能夠有效延長系統(tǒng)釋能發(fā)電時間。Gao等建立了液滴噴射的I-CAES系統(tǒng)的熱力學(xué)模型，揭示了氣液質(zhì)量比(ML)和轉(zhuǎn)速對等溫壓縮/膨脹效率、等溫性、循環(huán)效率和能量密度等性能的影響。肖旻逾等研究了新型恒壓絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，在輸入功率低于壓氣機(jī)啟動功率時，通過單獨(dú)運(yùn)行儲熱系統(tǒng)可實現(xiàn)儲能功率大范圍連續(xù)可調(diào)。尹斌鑫等設(shè)計了一種集中-分布式混合壓縮空氣儲能電站的基本架構(gòu)。潘文等提出將近等溫壓縮與絕熱壓縮融合的復(fù)合壓縮空氣儲能，分析表明其?效率可高于傳統(tǒng)絕熱壓縮空氣儲能。
在壓縮機(jī)內(nèi)流特性及變工況調(diào)控方面，Li等研究了高負(fù)荷離心壓縮機(jī)，分析了不同工況下葉輪內(nèi)部二次流結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整葉輪內(nèi)部的二次流結(jié)構(gòu)可以控制不同的損失。劉小明分析了齒輪組裝式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和關(guān)鍵技術(shù)。An等對跨聲速壓縮機(jī)進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究葉尖泄漏流場的非定常演化特征。Zhang等通過不同的冷凝模型對壓縮機(jī)內(nèi)部均勻冷凝流進(jìn)行了數(shù)值研究。結(jié)果表明，雜質(zhì)顆粒促進(jìn)了非均勻凝結(jié)，而均勻凝結(jié)減弱。Ma等建立了壓縮機(jī)損失模型，將其應(yīng)用于絕熱壓縮空氣儲能系統(tǒng)，生成了單級和多級壓縮機(jī)在速度和可變進(jìn)口導(dǎo)葉調(diào)節(jié)下的性能圖譜。Li等采用數(shù)值方法研究了軸流壓縮機(jī)的IGV調(diào)節(jié)特性，研究發(fā)現(xiàn)通過IGV調(diào)節(jié)可顯著擴(kuò)大壓縮機(jī)的穩(wěn)定工作范圍。楊小亮等對無油空氣渦旋壓縮機(jī)開展研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)：增大轉(zhuǎn)速，不但可以增加渦旋壓縮機(jī)的質(zhì)量流量，而且還可以減小切向泄漏量，進(jìn)而提高壓縮機(jī)工作效率。
在膨脹機(jī)內(nèi)流特性和變工況調(diào)控方面，Xiong等研究了CAES系統(tǒng)中兩級軸流式膨脹機(jī)的內(nèi)流性能，并對葉片稠度進(jìn)行了優(yōu)化，有效提高了膨脹機(jī)等熵效率。Xiao等提出了AA-CAES定容放電過程的操作模式，通過節(jié)流和補(bǔ)充空氣來實現(xiàn)恒定的輸出功率。Guan等針對CAES膨脹過程的噴嘴配氣調(diào)節(jié)方式開展研究，得到了不同工況下的最優(yōu)噴嘴調(diào)節(jié)方法，并進(jìn)一步研究了不同噴嘴調(diào)節(jié)配氣方式下的膨脹機(jī)性能特性，發(fā)現(xiàn)與節(jié)流調(diào)節(jié)相比，膨脹機(jī)平均比功增加6.8%。陳輝等建立了CAES釋能過程動態(tài)仿真模型，對啟動過程、并網(wǎng)過程、變工況過程進(jìn)行仿真。Sun等建立了無油渦旋膨脹機(jī)熱力學(xué)模型，并與實驗研究結(jié)合，研究了吸入壓力等參數(shù)對系統(tǒng)工作性能和膨脹機(jī)流程的影響。余海鵬等分析了儲罐對膨脹機(jī)進(jìn)氣壓力和負(fù)荷能力的影響。王丹等分析了CAES常規(guī)定速發(fā)電特點(diǎn)，提出了基于全控器件勵磁的定速恒頻同步儲能機(jī)組控制策略，提升了機(jī)組輔助服務(wù)能力。赫廣迅等對A-CAES滑壓運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行研究，得出了滑壓范圍內(nèi)壓力、流量等重要參數(shù)變化規(guī)律。
在蓄熱(冷)換熱器傳蓄熱特性方面，Qu等研究了填充床蓄熱器內(nèi)部非定常流體流動和換熱特性，研究了驅(qū)動力對蓄熱顆粒周圍流體流動的影響。Lin等建立了噴淋式填充床蓄熱試驗臺，結(jié)果表明，較高的加料溫度和流速會導(dǎo)致較高的液體-顆粒傳熱系數(shù)。Fan等提出了基于流化床傳熱的新型LAES，研究了換熱器設(shè)計條件和流化參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。Qu等對LAES系統(tǒng)中低溫儲能裝置特性開展實驗研究，提出了存儲不同溫度范圍內(nèi)的低溫能量蓄冷裝置，以減小傳熱流體間的溫差，提高能量和?效率Chen等分析了基于噴霧噴射的近I-CAES系統(tǒng)液氣傳熱特性。結(jié)果表明噴霧噴射可以有效抑制空氣溫度的變化。Ai等推導(dǎo)了隔熱材料瞬態(tài)熱傳導(dǎo)方程解析解，獲得了典型運(yùn)行模式下平均?損失率表達(dá)式。劉云漢采用熔融攪拌法制備了SAT-DSP-CMC/EG復(fù)合相變材料，結(jié)果顯示，膨脹石墨可以提升復(fù)合相變材料的導(dǎo)熱系數(shù)和黏度。Han等采用甲基纖維素和四種常見生物質(zhì)材料作為氧化物蜂窩的成孔劑，發(fā)現(xiàn)生物質(zhì)強(qiáng)化的Co3O4基蜂窩體具有更高的總孔體積和滲透率。
在儲氣室熱力學(xué)和氣密性研究方面，Guo等采用多域流固耦合方法研究了儲氣裝置運(yùn)行特性，結(jié)果表明，儲氣裝置的內(nèi)部對流傳熱系數(shù)在運(yùn)行過程中是時間的線性函數(shù)。Liu等提出了熱干燥巖石儲氣壓縮空氣儲能系統(tǒng)，對系統(tǒng)熱力學(xué)性能進(jìn)行了評價。Sun等研究了圓頂形含水層和水平含水層中壓縮空氣儲能的熱力學(xué)和巖土力學(xué)的特征。Miao等研究了利用襯砌巖洞技術(shù)在地下礦山隧道中進(jìn)行CAES儲氣，揭示了其溫度和壓力等熱力學(xué)特性。Ma等研究表明，考慮滲流效應(yīng)的預(yù)測結(jié)果更接近試驗結(jié)果，于欣平等研究了對應(yīng)力滲流耦合作用下硐室圍巖和庫端密封特性。Qin等研究了云岡礦以丁基橡膠為密封材料的儲氣硐室泄漏特性，結(jié)果表明泄漏量能夠滿足密封要求。Liu等研究了超高性能混凝土的疲勞特性，建立了疲勞損傷本構(gòu)模型。Li等研究了含水層中壓縮空氣儲能儲氣室的潛在泄漏影響。Liu等分析了鹽穴儲氣，包括利用鹽穴存儲壓縮空氣的發(fā)展前景。趙同彬等分析了廢棄煤礦地下空間CAES系統(tǒng)研究進(jìn)展與存在挑戰(zhàn)等。
在壓縮空氣儲能系統(tǒng)與其他系統(tǒng)耦合研究方面，Guo等提出了燃煤熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組與CAES集成系統(tǒng)，該系統(tǒng)可通過強(qiáng)化供熱和強(qiáng)化出功模式，實現(xiàn)大范圍熱電輸出調(diào)節(jié)。Wang等提出了CAES和火電廠熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組耦合系統(tǒng)，將CAES充電過程中產(chǎn)生的壓縮熱由熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組回收，而CAES釋能過程中需要的熱量由一次區(qū)域供熱網(wǎng)絡(luò)提供。文獻(xiàn)[90-95]研究了CAES系統(tǒng)與太陽能耦合系統(tǒng)，研究表明，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱源，同壓縮熱共同加熱進(jìn)入膨脹機(jī)的空氣，可提升CAES系統(tǒng)性能；引入太陽能可以使液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)的LCOS明顯降低。Ren等以太陽能作為斯特林機(jī)熱源，提出了具有解耦充電和放電過程的太陽能斯特林機(jī)-LAES系統(tǒng)。Yu等研究了集成地?zé)岷徒^熱壓縮空氣儲能技術(shù)，該系統(tǒng)采用雙壓和單壓有機(jī)朗肯循環(huán)，通過共沸混合物進(jìn)行升級，以回收廢熱。Li等研究了CAES耦合制冷系統(tǒng)，給出了冷凍水供應(yīng)、冷空氣供應(yīng)和混合供應(yīng)系統(tǒng)三種模式。Lu等提出了一種與液化天然氣冷能、太陽能和基于水合物的海水淡化相結(jié)合LAES系統(tǒng)。Cheng等研究了CAES和超級電容(SC)耦合運(yùn)行特性，研究表明，SC子系統(tǒng)在空載啟動模式下的容量需求比可變負(fù)載啟動模式下高出約8%等。
2.2 關(guān)鍵技術(shù)
2023年，我國CAES技術(shù)總體上從單機(jī)100 MW級向300 MW級推進(jìn)，在系統(tǒng)總體設(shè)計技術(shù)、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)集成與控制技術(shù)等方面均有重要進(jìn)展。在總體設(shè)計方面，中國科學(xué)院工程熱物理所攻克了300 MW級先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)總體設(shè)計技術(shù)，提出了基于負(fù)荷-概率因子的系統(tǒng)全工況設(shè)計方法，完成了考慮環(huán)境參數(shù)和負(fù)荷特征的300 MW系統(tǒng)全工況總體設(shè)計，系統(tǒng)額定設(shè)計效率達(dá)到70%以上。在壓縮機(jī)和膨脹機(jī)方面，攻克了300 MW級先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)寬工況軸流-離心組合式壓縮機(jī)技術(shù)，研制出國際首套壓縮機(jī)樣機(jī)；攻克了300 MW級先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)高負(fù)荷軸流透平膨脹機(jī)技術(shù)，研制出國際首臺套膨脹機(jī)樣機(jī)，并完成了集成測試，各項測試結(jié)果均達(dá)到或超過設(shè)計指標(biāo)，具有集成度高、效率高、啟?？?、壽命長、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)，被《光明日報》評為2023年度重大科技創(chuàng)新成果；在蓄熱換熱器方面，突破了多流程小流道蓄熱換熱技術(shù)，攻克了低溫差、小壓損、變工況運(yùn)行、陣列化調(diào)控等技術(shù)難題，研制出300 MW先進(jìn)壓縮空氣儲能系統(tǒng)陣列化高效緊湊式蓄熱裝置，單體容積達(dá)8000 m3，蓄熱陣列總儲熱量達(dá)8.3 TJ。在系統(tǒng)集成與控制方面，攻克了壓縮空氣儲能系統(tǒng)總體集成與控制技術(shù)，解決了CAES非線性強(qiáng)耦合的并網(wǎng)調(diào)節(jié)特性問題，研制出了300 MW儲能與電力系統(tǒng)耦合控制系統(tǒng)等。
2.3 集成示范
繼2022年我國壓縮空氣儲能取得重要進(jìn)展后，2023年壓縮空氣儲能集成示范方面又取得了多項突破性進(jìn)展。山東肥城10 MW先進(jìn)壓縮空氣儲能示范項目積極參與電力現(xiàn)貨市場交易，全年接受電網(wǎng)調(diào)度300余次。河北張家口100 MW先進(jìn)壓縮空氣儲能示范項目完成全部核心設(shè)備第三方檢測，系統(tǒng)額定運(yùn)行效率70.2%，全年累計調(diào)度運(yùn)行190余次，有效參與了2023年電網(wǎng)迎峰度夏。
在建項目中，山東肥城300 MW先進(jìn)壓縮空氣儲能國家示范電站完成了系統(tǒng)設(shè)計和核心設(shè)備研發(fā)工作，示范電站已于2023年12月建成，并完成系統(tǒng)調(diào)試(已于2024年4月并網(wǎng)發(fā)電)，該項目是我國新型儲能試點(diǎn)示范項目和國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目。寧夏中寧100 MW項目由大唐集團(tuán)投資建設(shè)，于2023年10月全面開工，目前正在開展廠房主體工程及地下儲氣庫施工、核心設(shè)備加工，預(yù)計于2024年底完成主體工程建設(shè)，2025年投入使用。新疆阜康100 MW項目、河南信陽300 MW項目、湖北應(yīng)城300 MW項目等項目也在抓緊建設(shè)中。
2023年，我國壓縮空氣儲能示范項目大幅增加，中儲國能、大唐集團(tuán)、華能集團(tuán)、中國電建、中國能建、三峽集團(tuán)等企業(yè)已啟動多個壓縮空氣儲能示范項目，包括寧夏中寧、河南信陽、江西鉛山、新疆阜康、青海海西、河北赤城、河南平頂山、陜西安塞、甘肅玉門、江蘇淮安等，總規(guī)模超過8000 MW，總投資將超過500億元，預(yù)計將于未來3年內(nèi)陸續(xù)建成，壓縮空氣儲能技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展已進(jìn)入快車道，產(chǎn)業(yè)化及應(yīng)用推廣進(jìn)行將進(jìn)一步加速。
3 儲熱儲冷
儲熱儲冷技術(shù)是將熱能或冷能以顯熱、潛熱、熱化學(xué)能儲存起來，并在需要時釋放的技術(shù)。儲熱儲冷技術(shù)具有成本低、效率高、規(guī)模大等特點(diǎn)，在能源、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用場景。2023年，我國學(xué)者在儲熱儲冷領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范方面取得了重要的進(jìn)展，其中，材料的物性及制備、過程能量損失機(jī)理及控制、系統(tǒng)控制與優(yōu)化技術(shù)等方面是目前的研究熱點(diǎn)。
3.1 基礎(chǔ)研究
在儲熱儲冷材料制備方面，制備出相變溫度變化小、焓損失低的相變復(fù)合材料。盛楠等以金屬Sn為相變材料，采用溶膠–凝膠包覆法和高溫?zé)崽幚碇苽涑鼍哂辛己醚h(huán)熱穩(wěn)定性的相變儲熱微膠囊。Xu等制備了可以在25～45 ℃的溫度范圍內(nèi)吸收和釋放熱能且具有良好的光熱轉(zhuǎn)換效率的儲能微膠囊。胡定華等研究了密度差作用下，石蠟固液相變沉降特性對儲熱過程的影響。其中針對熱化學(xué)儲熱技術(shù)，Liu等研究了不同尺寸和比例的膨脹石墨對復(fù)合相變材料的影響。Han等研究了Al和Cr的摻雜率對純Co3O4/CoO體系的熱化學(xué)性能和耐燒結(jié)性能的影響。Zheng等采用球磨法制備了一種具有水滑石結(jié)構(gòu)的鈣基材料，該材料在650～850 ℃具有較好的儲熱和CO2捕集性能。Jing等研究揭示了磁性多壁碳納米管、泡沫金屬、磁場等對冰蓄冷凝固/融化的協(xié)同強(qiáng)化機(jī)理。Li等提出了考慮解離動力學(xué)、多相流、傳熱、表面反應(yīng)等參數(shù)的晶格波爾茨曼模型，闡明了與潛熱和浮力的影響機(jī)理。
在儲熱單元傳熱特性方面：Wu等研究了機(jī)械振動對潛熱儲能裝置中對流換熱的影響。Wang等研究了應(yīng)用橢圓翅片的蓄熱機(jī)組，分析了不同長徑比橢圓翅片的相變材料熔化/凝固特性和充放熱能性能。Wang等通過對采用平板熱管和平板翅片充能的潛熱儲熱裝置的研究，獲得了不同板翅對相變材料的熔化和傳熱的影響。Lin等研究了噴霧式填料床儲熱技術(shù)中充注溫度和流量等參數(shù)的影響，揭示了噴霧式填料床蓄熱的流動傳熱機(jī)理。Qu等揭示了級聯(lián)填充床在液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)低溫儲能過程中的特性和能量損失機(jī)理。Huang等利用場協(xié)同原理，獲得了季節(jié)性蓄冰罐在產(chǎn)冰階段的換熱特性，測定了其用于建筑夏季制冷的性能。Xu等通過熱力學(xué)分析，揭示了各熱力學(xué)參數(shù)對級聯(lián)相變材料最小入口耗散熱阻的影響，用于優(yōu)化建筑節(jié)能中級聯(lián)相變材料的性能。Liang等研究了平板尺寸、排列方式和翅片結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵因素對相變材料型儲冷罐儲釋能過程的影響。Chen等對比研究了翅片結(jié)構(gòu)和翅片泡沫結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)的儲冷裝置的換熱性能、溫度分布和熱效率；還研究揭示了應(yīng)用于儲冷的金屬泡沫復(fù)合相變材料的物理參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)對在融化過程中的影響機(jī)理。范肖雅等通過數(shù)值模擬的方法，計算了可用于冷鏈運(yùn)輸?shù)膬浣橘|(zhì)的乙醇漿體在水平直管內(nèi)的流動特性參數(shù)。
3.2 關(guān)鍵技術(shù)
在新型儲熱材料物性優(yōu)化方面：建立了多參數(shù)電化學(xué)-熱耦合優(yōu)化模型，獲得膨脹石墨和不同熔點(diǎn)的石蠟構(gòu)成相變材料的儲熱效率。研究了不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)石蠟復(fù)合相變材料對電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的散熱性能，揭示了復(fù)合相變材料的體積分?jǐn)?shù)和熱物性參數(shù)對電池模塊散熱性能的綜合影響。獲得了不同燒結(jié)溫度對骨架支撐材料含量、導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度的影響機(jī)理，實現(xiàn)了相變材料在寬溫度范圍內(nèi)的熱能儲存。使用甲基纖維素和生物質(zhì)材料作為孔重整劑，優(yōu)化了金屬氧化物熱化學(xué)儲熱蜂窩的孔隙結(jié)構(gòu)和儲能性能。開展了多種應(yīng)用場景下新型儲冷材料的制備，使用MgCl2處理13x沸石，研制出新型吸附式熱電池，具有大功率、高儲能密度和冷熱一體儲能的特點(diǎn)。針對超臨界壓縮空氣儲能系統(tǒng)，對多種的儲冷材料進(jìn)行了分析對比，選擇氯化鈉作為合適的儲冷材料并測定了其熱力學(xué)性能。制備了適用于冷鏈運(yùn)輸?shù)腃UNS3-FS5-TDN2相變儲冷材料和DSSNK5-SAP相變凝膠。獲得了以冰為相變組分，聚醚基三位網(wǎng)絡(luò)為骨架的新型形態(tài)穩(wěn)定型儲冷相變材料，適用于食品冷鏈物流。
在儲熱單元傳熱特性優(yōu)化方面：針對分型鰭模型中月桂酸的熔化熱行為的研究，得到了不同鰭位比、鰭長比和鰭數(shù)對相變材料熔化的影響。研究了五種不同孔隙率的金屬泡沫對儲熱罐蓄能的影響，優(yōu)化了不同金屬材料的填充率并獲得了填充率和孔隙率對熔化性能的影響。發(fā)展了新型的傾斜角度環(huán)形翅片來增強(qiáng)換熱器的換熱性能，采用液相分?jǐn)?shù)、溫度分布、熔點(diǎn)、儲能密度和蓄熱率等參數(shù)對環(huán)形翅片的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了比較和優(yōu)化。提出并研究了考慮相變材料熔化溫度、膠囊直徑和填充體積比的填料床儲熱系統(tǒng)雙層填充結(jié)構(gòu)，對膠囊尺寸、容積填充率等參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。通過數(shù)值模擬與實驗，研究了臥式管殼潛熱儲冷裝置在夜間儲冷時的性能。設(shè)計并制造了可擴(kuò)展吸附式熱電池，通過誘導(dǎo)吸附式氣液相變策略，實現(xiàn)了高能量密度和高功率密度的儲冷。開展了隧道襯砌地?zé)釗Q熱器與相變材料板的耦合傳熱模型研究，分析了基于隧道襯砌地?zé)釗Q熱器的相變材料儲冷的可行性。通過仿真模擬的方法，優(yōu)化了自然冷源食品冷藏陳列柜，并分析了系統(tǒng)運(yùn)行特性。提出了由變密度多層絕熱材料和蒸汽冷卻屏蔽材料組成的具有對-鄰位氫轉(zhuǎn)化的復(fù)合絕熱系統(tǒng)，用于液態(tài)氫的長期儲存；提出了新型能源系統(tǒng)為多棟建筑的社區(qū)提供電力和冷能，采用基于長短期記憶的預(yù)測算法實現(xiàn)日前調(diào)度。
3.3 集成示范
在儲熱系統(tǒng)集成示范方面，2023年我國在熔鹽儲熱技術(shù)應(yīng)用示范方面取得較大進(jìn)展。遼寧省遼河油田世界首臺電熱熔鹽儲能注氣試驗站建成投產(chǎn)，總儲熱規(guī)模15 MW。國內(nèi)首套660 MW煤電機(jī)組耦合蒸汽熔鹽儲熱調(diào)峰調(diào)頻示范項目在華能魏家峁煤電公司成功投運(yùn)，儲熱容量為80 MWh。全國首個GWh級熔鹽儲熱耦合煤電機(jī)組熱電解耦項目在安徽宿州開工建設(shè)。
在儲冷集成示范方面，分布式儲熱儲冷產(chǎn)品已應(yīng)用于火電廠儲熱調(diào)峰項目，可根據(jù)客戶需求定制供暖制冷的整體解決方案。我國首個液化天然氣冷能養(yǎng)殖示范項目在廣東大鵬LNG接收站正式運(yùn)行。
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，是實現(xiàn)電壓穩(wěn)定、頻率調(diào)節(jié)的重要技術(shù)。2023年，我國學(xué)者在飛輪、電機(jī)、單機(jī)及陣列控制研究以及儲能系統(tǒng)集成示范應(yīng)用方面均有重要進(jìn)展。
4.1 基礎(chǔ)研究
在基礎(chǔ)研究方面，我國學(xué)者在飛輪及電機(jī)的結(jié)構(gòu)力學(xué)、電機(jī)損耗及散熱、陣列協(xié)同控制、混合儲能管理等方面取得了進(jìn)展。
在飛輪及電機(jī)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方面，王澤崢等以大尺寸的復(fù)合材料飛輪轉(zhuǎn)子為對象，基于應(yīng)力疊加原理推導(dǎo)出復(fù)合材料輪緣與金屬輪轂過盈配合下的應(yīng)力解析解。Hu等對飛輪結(jié)構(gòu)和材料進(jìn)行了總結(jié)梳理，分析了各種方案的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用前景；還比較分析了內(nèi)置式和表貼式兩種結(jié)構(gòu)飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)子的結(jié)構(gòu)力學(xué)，并開展了軸系的動力學(xué)特性分析。
在電機(jī)損耗及散熱方面，焦淵遠(yuǎn)等闡述了飛輪儲能電機(jī)轉(zhuǎn)子發(fā)熱的原因及危害，分析了轉(zhuǎn)子渦流損耗、電機(jī)溫度場的計算方法。王成等針對飛輪儲能用永磁同步電機(jī)散熱困難的問題，利用磁熱耦合的方法，研究永磁同步電機(jī)的損耗及電機(jī)溫度分布；利用熱仿真模型，研究電機(jī)關(guān)鍵部件散熱的影響因素。在陣列協(xié)同控制方面，菅春等為了優(yōu)化氣隙磁通密度波形的幅值與正弦畸變率兩個關(guān)鍵指標(biāo)，提出了一種基于Kriging模型與差分進(jìn)化算法(differential evolution algorithm, DEA)相結(jié)合的多目標(biāo)優(yōu)化方法。
魏樂等基于飛輪儲能系統(tǒng)運(yùn)行的小樣本數(shù)據(jù)，提出了一種結(jié)合Logistic混沌麻雀優(yōu)化算法和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的飛輪損耗計算模型。Lei等為了提高飛輪儲能裝置的控制效果，對模型預(yù)測控制算法進(jìn)行了改進(jìn)，并利用模型預(yù)測控制方法配置飛輪儲能裝置，實現(xiàn)風(fēng)電場平穩(wěn)輸出功率。Xiao等提出了一種分布式功率分配策略，設(shè)計了一個分布式估計器來估計分配策略中每個飛輪單機(jī)所需的全局狀態(tài)信息。在混合儲能管理方面，李曉峰等提出采用鈦酸鋰電池、飛輪儲能和超級電容這3種不同的新型功率型儲能技術(shù)構(gòu)成的一次調(diào)頻儲能系統(tǒng)，對功率型儲能技術(shù)在新能源場站一次調(diào)頻中的作用和功能進(jìn)行了驗證等。
4.2 關(guān)鍵技術(shù)
在飛輪轉(zhuǎn)子技術(shù)方面，利用1000 MPa級屈服強(qiáng)度的高強(qiáng)合金鋼，研制出儲能高達(dá)125 kWh的中等轉(zhuǎn)速飛輪，能以功率500 kW放電持續(xù)15分鐘，實現(xiàn)在電力系統(tǒng)中的二次調(diào)頻應(yīng)用。
在電機(jī)技術(shù)方面，多家機(jī)構(gòu)研制了500～1000 kW的飛輪儲能電機(jī)，其速度范圍為5000～9500 r/min。轉(zhuǎn)速10000 r/min以上的飛輪儲能電機(jī)的功率要超過1000 kW，其面臨的挑戰(zhàn)主要一是轉(zhuǎn)子長徑比、飛輪大質(zhì)量、強(qiáng)陀螺效應(yīng)所引出的轉(zhuǎn)子動力學(xué)問題；二是真空運(yùn)行條件下，電機(jī)轉(zhuǎn)子的散熱極其困難。
在控制技術(shù)方面，國內(nèi)學(xué)者的研究主要集中在針對不同應(yīng)用場景下的控制技術(shù)領(lǐng)域。梁志宏等結(jié)合工程實踐提出了火電機(jī)組耦合大規(guī)模飛輪儲能群組協(xié)同調(diào)頻的控制方案。目前，該技術(shù)已成功應(yīng)用在靈武電廠2臺600 MW亞臨界火電機(jī)組，火儲聯(lián)合系統(tǒng)一次調(diào)頻合格率提升了21.26%。王云輝等采用矩陣變流器作為飛輪儲能系統(tǒng)的控制變流器，避免了傳統(tǒng)背靠背變流器中直流環(huán)節(jié)及電解電容帶來的問題。梁璐等提出了一種多模態(tài)下飛輪陣列的雙層自治控制技術(shù)，實現(xiàn)對陣列內(nèi)飛輪功率輸出以及電量的優(yōu)化管理。仿真效果驗證了控制方法的有效性，相比于虛擬下垂控制，系統(tǒng)頻率偏差減少了20.34%。金都等提出一種改進(jìn)飛輪儲能輔助風(fēng)電場一次調(diào)頻的控制策略，采用虛擬慣性控制參與一次調(diào)頻，結(jié)合模糊規(guī)則防止飛輪轉(zhuǎn)速越限，從而彌補(bǔ)風(fēng)電場在一次調(diào)頻中的功率缺額。李月明等為緩解大功率脈沖負(fù)載投切造成的船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)功率波動，將由飛輪儲能和蓄電池組成的混合儲能系統(tǒng)應(yīng)用于船舶燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)，提出一種采用變分模態(tài)分解(VMD)和模糊控制策略的船舶微型燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)混合儲能功率分配策略，可使脈沖負(fù)載投切所造成的直流母線電壓最大波動減小6.4%。
4.3 集成示范
集成示范方面，國內(nèi)主要在電網(wǎng)調(diào)頻領(lǐng)域開展了飛輪儲能的集成示范應(yīng)用。由坎德拉新能源提供技術(shù)支撐的5 MW/175 kWh飛輪儲能項目通過了河南省電力科學(xué)研究院一次調(diào)頻現(xiàn)場試驗。由中海油新能源二連浩特風(fēng)電有限公司牽頭，聯(lián)合北京泓慧、中國科學(xué)院、清華大學(xué)等單位共同實施的內(nèi)蒙古自治區(qū)科技重大專項“MW級飛輪儲能關(guān)鍵技術(shù)研究”項目示范工程在二連浩特市成功并網(wǎng)。該項目由3臺1 MW級飛輪陣列與3 MW鋰電組成混合儲能系統(tǒng)，為二連浩特99 MW的風(fēng)電場提供調(diào)頻輔助服務(wù)支持?！帮w輪儲能和百萬千瓦級中間二次再熱火電機(jī)組聯(lián)合調(diào)頻”項目在華能萊蕪電廠正式投運(yùn)，該項目采用北京奇峰聚能研制的10臺單體600 kW飛輪儲能裝置。
5 鉛蓄電池
鉛蓄電池具有技術(shù)成熟、產(chǎn)業(yè)鏈體系健全、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，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。近年來鉛蓄電池的研發(fā)重點(diǎn)在鉛炭電池，主要通過在負(fù)極添加高活性炭材料和在正極使用添加劑的方式，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，促進(jìn)正極活性物質(zhì)中的電荷傳遞及改善反應(yīng)動力學(xué)，從而有效提升循環(huán)壽命，并提高電池的快速充放電能力，在電源側(cè)和用戶側(cè)儲能場景有廣泛應(yīng)用前景。
5.1 基礎(chǔ)研究
在負(fù)極用碳材料研發(fā)方面，浙江大學(xué)開發(fā)出單原子鉛/還原氧化石墨烯(PbSAs@rGO)和石墨化氮化碳/還原氧化石墨烯(g-C3N4@rGO)兩種復(fù)合材料。通過在rGO表面錨定單原子鉛或g-C3N4，使復(fù)合材料的工作電位范圍和Pb/PbSO4氧化還原電對相匹配，在延緩負(fù)極活性物質(zhì)硫酸鹽化的同時，使析氫反應(yīng)得到有效抑制。負(fù)極摻加PbSAs@rGO的鉛炭電池在高倍率部分荷電狀態(tài)(HRPSoC)下的循環(huán)壽命達(dá)到16097次(50% SOC)和22606次(75% SOC)。安徽建筑大學(xué)制備出氮摻雜的寡聚糖基碳材料，并將其作為負(fù)極添加劑應(yīng)用于鉛炭電池，顯著提高了電池的循環(huán)壽命。
在正極用添加劑研發(fā)方面，昆明理工大學(xué)將MnO2作為正極添加劑，通過促進(jìn)正極活性物質(zhì)中的電荷傳遞及改善PbSO4/PbO2電對的氧化還原反應(yīng)動力學(xué)，顯著提高了鉛炭電池的容量和循環(huán)壽命。此外，昆明理工大學(xué)開發(fā)出用于鉛炭電池正極的二氧化鉛納米顆粒修飾的氧化石墨烯(nano-PbO2/GO)雙功能添加劑。該添加劑在正極活性物質(zhì)中起到導(dǎo)電劑和成核劑的雙重作用。正極摻加nano-PbO2/GO的鉛炭電池2C放電倍率下的HRPSoC循環(huán)壽命達(dá)到15000次以上。
5.2 關(guān)鍵技術(shù)
在鉛炭電池綠色制造技術(shù)方面，浙江工業(yè)大學(xué)與天能集團(tuán)合作，在鉛炭電池綠色制造、耦合煙氣制酸直接熔池側(cè)吹煉鉛、再生鉛多污染源協(xié)同治理、鉛蓄電池-再生鉛閉路循環(huán)等技術(shù)取得進(jìn)展，建成年產(chǎn)1500萬kVAh鉛炭電池綠色制造線。在大容量鋁基鉛炭電池技術(shù)方面，昆明理工恒達(dá)科技股份有限公司攻克鋁基鉛合金板柵制造關(guān)鍵技術(shù)，在云南陸良縣建設(shè)年產(chǎn)40萬噸鉛炭儲能電池用鋁基鉛合金復(fù)合材料項目。開發(fā)出電極板柵原位陶瓷膜制備和多孔炭添加劑抑制鉛活性物質(zhì)鹽化新技術(shù)，大幅度提升了鉛炭電池容量、能量密度和淺充放循環(huán)壽命。使用柵欄型鋁基鉛合金復(fù)合材料陽極，使鉛合金用量減少30%，顯著降低了電池整體重量。在膠體鉛炭電池隔板方面，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理所公開了一種基于無機(jī)二維材料的羥磷灰石隔膜及其制備方法，該復(fù)合隔膜同時具有避免酸分層和耐熱耐火等特點(diǎn)。在雙極性鉛炭電池技術(shù)方面，恒豐國能(山東)能源科技有限公司開發(fā)出水平層疊雙極性固態(tài)鉛炭電池關(guān)鍵技術(shù)，顯著提高了鉛炭電池的比能量、比功率和循環(huán)壽命。
5.3 集成示范
2023年，江蘇長強(qiáng)鋼鐵公司用戶側(cè)儲能電站順利并網(wǎng)投運(yùn)，該電站裝機(jī)規(guī)模為25.3 MW/243.3 MWh，總投資2.24億元，是國內(nèi)用戶側(cè)單體最大的鉛炭電池儲能項目。此外，國家電投煤山用戶側(cè)共享鉛炭電池儲能項目完成招標(biāo)，建設(shè)規(guī)模為5.04 MW/48.66 MWh，吉洋綠儲200 MW/400 MWh共享鉛炭電池儲能電站項目和中衛(wèi)市塞上江南200 MW/400 MWh共享鉛炭電池儲能示范項目完成招標(biāo)。昆工科技發(fā)布了年產(chǎn)2000萬kVAh新型鉛炭長時儲能電池生產(chǎn)基地項目，該項目計劃投資24億元。目前，鉛炭電池已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用階段，由于其安全性較高，有望進(jìn)入人口密集地區(qū)和工業(yè)園區(qū)周邊的商業(yè)儲能市場，市場規(guī)模的有望得到提升。
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、循環(huán)壽命較長等優(yōu)點(diǎn)，是目前發(fā)展最快的新型儲能技術(shù)。2023年，我國在液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池研究保持活躍，并繼續(xù)向大容量、長壽命、高密度方向發(fā)展；半固態(tài)固態(tài)鋰離子電池、磷酸錳鐵鋰電池、錳基儲能鋰離子電池等新型鋰電池技術(shù)也取得重要進(jìn)展。
6.1 基礎(chǔ)研究
在高能量密度鋰電池方面，短期內(nèi)主要通過對現(xiàn)有材料體系的迭代升級和電池結(jié)構(gòu)革新來實現(xiàn)。其中，鋰電池材料體系的迭代升級包括正負(fù)極材料、電解液和隔膜的迭代升級；電池結(jié)構(gòu)革新包括電芯、模組、封裝方式等的結(jié)構(gòu)改進(jìn)和精簡。從長期來看，由于磷酸鐵鋰電池能量密度上限較低，并且為了應(yīng)對不同應(yīng)用場景下的不同需求，鋰電池技術(shù)路線將朝多元化方向發(fā)展。除了磷酸鐵鋰電池和三元鋰電池之外，固態(tài)鋰離子電池、磷酸錳鐵鋰電池、錳基儲能鋰離子電池等新型鋰電池技術(shù)路線的發(fā)展趨勢向好。
在正極材料方面，Zhang等合成了不含Co的LiNi0.5Mn0.43Ti0.02Mg0.02Nb0.01Mo0.02O2正極，軟包電池1000次循環(huán)后容量保持率達(dá)95%，為低成本長壽命鋰離子電池的開發(fā)提供了思路；Fu等采用鎂晶格摻雜和硒表面處理的協(xié)同調(diào)控策略，顯著地穩(wěn)定了LiCoO2在高電壓下(≥4.6 V)的層狀結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了長壽命循環(huán)；Xu等通過硫輔助表面修飾方法增強(qiáng)了負(fù)離子氧化還原反應(yīng)的穩(wěn)定性，有效提升了富鋰錳基正極的高壓穩(wěn)定性。
在負(fù)極材料方面，Chen等使用Mg、Al對Li進(jìn)行摻雜得到鋰合金，使用該超薄鋰合金預(yù)鋰化后，磷酸鐵鋰||石墨體系電池循環(huán)壽命從500次提高到1500次；Dressler等對比了單壁碳納米管(SWCNTs)和多壁碳納米管在Si基負(fù)極中的應(yīng)用，發(fā)現(xiàn)利用SWCNTs和活性物質(zhì)離子的交聯(lián)復(fù)合可以有效提升電極穩(wěn)定性。
在電解質(zhì)和隔膜方面，Yang等設(shè)計了一種基于環(huán)醚的電解質(zhì)，該電解質(zhì)與硅負(fù)極具有很高的兼容性，使得硅/石墨-磷酸鐵鋰全電池在600次循環(huán)后可保持80%以上的容量；Cui等采用含有30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氟代碳酸亞乙酯的電解液，同時對Fe摻雜LiNi0.5Mn1.5O4正極進(jìn)行預(yù)鋰化，為實現(xiàn)長壽命石墨-LNMO全電池提供了一種新策略；Qin等基于聚合物電解質(zhì)提出了一種新型的無隔膜雙固化策略，在保持離子導(dǎo)電性的同時可以有效改善界面性能。
同時，在新材料新體系、長壽命鋰離子電池、新型高比能鋰電池、電池測試技術(shù)等方面取得了重要進(jìn)展。Song等通過引入局部晶格畸變來解決鹵化物固體電解質(zhì)的高壓限制，這種高熵鹵化物電解質(zhì)使得全固態(tài)電池在500次循環(huán)中容量保持率達(dá)88.9%(0.5C)；Zhu等提出了一種延長鋰離子電池壽命的方法，即當(dāng)電池達(dá)到不一致的非線性容量衰減閾值時，將下截止電壓提高到3 V，不僅可以延長電池壽命，而且可以提高電池的一致性；點(diǎn)新中國采用固態(tài)電解質(zhì)以及固態(tài)電解質(zhì)涂層隔膜，顯著提高了電池的安全性，特別是組串過充不起火不燃燒；衛(wèi)藍(lán)新能源推出了280～315 Ah的固態(tài)鋰離子儲能電池，已開始在戶用、工商業(yè)、大儲方面獲得應(yīng)用示范。
6.2 關(guān)鍵技術(shù)
在電池技術(shù)方面，儲能鋰電池進(jìn)一步向大容量電池方向發(fā)展。多家電池廠商先后推出了應(yīng)用于儲能領(lǐng)域的300+ Ah大容量電芯產(chǎn)品，大容量電池設(shè)計和加工技術(shù)都已經(jīng)從280 Ah進(jìn)入到300 Ah時代，其中314 Ah的代表電池廠商有寧德時代、中創(chuàng)新航、欣旺達(dá)、天合儲能、贛鋒鋰電等，320 Ah的代表電池廠商有瑞浦蘭鈞、鵬輝能源、海辰儲能等。億緯儲能和海辰儲能更是推出了560 Ah和1130 Ah的超大容量電池。大圓柱電池將進(jìn)一步加速滲透儲能領(lǐng)域，比如已經(jīng)批量運(yùn)用的工商業(yè)儲能、戶用儲能、便攜式儲能細(xì)分場景。
電池加工技術(shù)方面，超高效漿料制備、高速涂布、高精度裝配等核心工藝設(shè)備技術(shù)的普及，電池一致性得到明顯提升。正負(fù)極高壓實材料加工技術(shù)、超薄集流體和復(fù)合集流體的引入，磷酸鐵鋰電池能量密度提升到190～200 Wh/kg。儲能應(yīng)用場景對鋰電池循環(huán)壽命提出更高要求。當(dāng)前，總體上我國鋰電儲能電池單體電芯循環(huán)壽命約為6000次(80%SOH，100%DOD)；受益于正負(fù)極補(bǔ)鋰等技術(shù)的進(jìn)步，2023年多家企業(yè)發(fā)布的儲能電芯壽命達(dá)到12000次。
在熱管理技術(shù)方面，目前，磷酸鐵鋰電池儲能熱管理主流技術(shù)路線是風(fēng)冷和液冷。但風(fēng)冷由于占用體積大、散熱不均等劣勢限制了儲能系統(tǒng)的性能及安全性，效率更高的液冷技術(shù)方案逐步占據(jù)主導(dǎo)地位，如金昌20 MW/40 MWh液冷儲能電站項目、三峽能源慶云儲能二期示范項目等均采用了液冷技術(shù)。液冷儲能系統(tǒng)正在快速成為市場的主流技術(shù)路線。另外，浸沒式液冷隨著冷卻液的價格下降，滲透率有進(jìn)一步提升的可能。另外，隨著芯片算力、電池能量密度、充放電功率的不斷提升，設(shè)備單位時間產(chǎn)熱量大幅提升，溫控系統(tǒng)熱交換效率的提升是行業(yè)大趨勢。
另外，隨著單體電芯容量不斷增加，更高裝電量的儲能集裝箱也應(yīng)運(yùn)而生，寧德時代等多家電池廠家都推出了20尺5 MWh+儲能系統(tǒng)產(chǎn)品，將單艙電量從3 MWh提升到了5 MWh。為了提升儲能系統(tǒng)安全，浸沒式消防系統(tǒng)、高阻燃云母片等阻燃材料、大數(shù)據(jù)結(jié)合AI智能識別預(yù)防技術(shù)等用于鋰電池儲能系統(tǒng)。
6.3 集成示范
2023年，多個“最大”“首個”示范儲能項目順利并網(wǎng)。例如，國內(nèi)最大的光儲融合治沙電站“甘肅武威500 MW+103.5 MW/207 MWh新能源示范項目”完成了一期并網(wǎng)。國內(nèi)燃煤電廠最大電化學(xué)儲能輔助調(diào)頻項目，國家能源投資集團(tuán)有限責(zé)任公司廣東臺山電廠60 MW電化學(xué)儲能項目正式投入生產(chǎn)運(yùn)營。新疆首座電網(wǎng)側(cè)新型獨(dú)立儲能電站哈密十三間房90 MW/180 MWh儲能調(diào)峰調(diào)頻電站并網(wǎng)投運(yùn)。全球單機(jī)功率最大(單機(jī)20 MW)電化學(xué)儲能系統(tǒng)-華能上都35千伏高壓直掛儲能系統(tǒng)實現(xiàn)滿功率運(yùn)行。全國最大電網(wǎng)側(cè)共享儲能電站-三峽能源山東慶云儲能電站全面投入商業(yè)運(yùn)行，總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到301 MW/602 MWh。華能上都百萬千瓦級風(fēng)電基地配套儲能項目(200 MW/400 MWh)在內(nèi)蒙古自治區(qū)錫林郭勒盟正藍(lán)旗上都電廠內(nèi)實現(xiàn)全容量并網(wǎng)，是目前全球裝機(jī)容量最大的單層站房式儲能電站。江蘇省容量最大的獨(dú)立共享儲能項目-江蘇豐儲200 MW/400 MWh儲能電站在南通市如東縣正式并網(wǎng)。國能龍源火儲聯(lián)合調(diào)頻項目#2機(jī)組儲能(配置10 MW/10 MWh調(diào)頻儲能)順利試運(yùn)行，標(biāo)志著海南省第一個火儲聯(lián)合調(diào)頻項目正式投運(yùn)。
7 液流電池
液流電池儲能技術(shù)具有安全性高、壽命長、功率和容量單元配置靈活等特點(diǎn)，在大規(guī)模長時儲能領(lǐng)域極具優(yōu)勢。2023年，我國液流電池儲能技術(shù)取得了快速發(fā)展，100 MW/400 MWh全釩液流電池儲能調(diào)峰電站穩(wěn)定運(yùn)行超過一年。液流電池產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，已公布的規(guī)劃產(chǎn)能超過80 GWh。同時，我國學(xué)者在液流電池基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)等方面均取得了重要進(jìn)展。
7.1 基礎(chǔ)研究
在離子傳導(dǎo)膜方面，中國科技大學(xué)研究團(tuán)隊利用含疏水框架和親水功能側(cè)鏈的自支撐微孔框架離子膜，為離子傳遞提供了剛性微孔限域環(huán)境，降低離子在膜內(nèi)傳遞能壘，在中性和堿性電解液中離子電導(dǎo)率顯著提高。Wu等通過金屬離子與聚苯并咪唑的配位構(gòu)建了具有可控離子傳輸通道的膜材料，并用于堿性鋅鐵液流電池。
在流場結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，南方科技大學(xué)發(fā)展針對液流電池傳質(zhì)死區(qū)檢測與調(diào)控的新方法，以機(jī)器學(xué)習(xí)方法作為研究基礎(chǔ)，綜合三維多物理場數(shù)值仿真和實驗驗證，迭代式優(yōu)化流道深度降及局部活性物質(zhì)傳輸通量，實現(xiàn)了現(xiàn)有流場中傳質(zhì)死區(qū)檢測與調(diào)控。
在液流電池新體系方面，西湖大學(xué)研究團(tuán)隊報道了一類吩嗪衍生物1,8-ESP，利用其在水系液流電池電化學(xué)儲能，即充-放電中，發(fā)生的質(zhì)子耦合氧化還原反應(yīng)，在儲能的同時實現(xiàn)了二氧化碳的富集與釋放。相較于傳統(tǒng)胺吸收技術(shù)，該電化學(xué)過程能耗低且安全友好。香港中文大學(xué)報道了一種分子催化方式，將緩慢的多硫化物還原反應(yīng)轉(zhuǎn)化為FMN-Na的快速氧化還原反應(yīng)，催化的多硫化物-碘化物液流電池在40 mA/cm2下循環(huán)1300次，容量沒有任何衰減。大連化學(xué)物理研究所將電化學(xué)反應(yīng)與鐵/鐵氰化物偶對在自制鎳電極上的化學(xué)反應(yīng)相結(jié)合，制備了能量密度為208.9 Wh/L，能量效率為84.7%的堿性鋅-鐵/鎳混合液流電池，并在kW級電堆進(jìn)行了驗證。
7.2 關(guān)鍵技術(shù)
全釩電解液方面，2023年大連融科儲能技術(shù)發(fā)展有限公司、中國科學(xué)院過程工程研究所、興欣釩科技公司、新筑股份等企業(yè)相繼布局全釩電解液短流程開發(fā)，并進(jìn)行了試產(chǎn)。國內(nèi)全釩電解液租賃模式已逐漸走向?qū)嶋H應(yīng)用，大連融科與海螺融華推出的釩電池電解液租賃模式已在樅陽海螺6 MW/36 MWh全釩液流電池儲能項目中應(yīng)用。
電堆設(shè)計方面，大連化物所開發(fā)70 kW級高功率密度全釩液流電池單體電堆。該單體電堆體積功率密度由目前的70 kW/m3提高至130 kW/m3，在體積保持不變的條件下功率由30 kW提高至70 kW，成本較目前的30 kW級電堆降低40%。四川天府儲能推出128 kW全釩液流電池電堆技術(shù)。
新體系方面，大連化物所開發(fā)出面向用戶側(cè)的100 kWh鋅溴液流電池系統(tǒng)。該系統(tǒng)由電解液循環(huán)系統(tǒng)、4個單堆容量為30 kWh級的電堆以及與其配套的電力控制模塊組成，設(shè)計放電總能量為100 kWh。巨安儲能發(fā)布首臺250 kW全鐵液流儲能系統(tǒng)，并進(jìn)行3000小時穩(wěn)定性認(rèn)證。宿遷時代開發(fā)出20 kW水系有機(jī)液流電池電堆。
7.3 集成示范
2023年，國內(nèi)液流電池儲能招標(biāo)項目和容量相比2022年增速明顯，涉及全釩、鐵鉻、鋅基、全鐵等多種技術(shù)路線，其中全釩液流電池儲能項目40多個，產(chǎn)業(yè)實現(xiàn)了前所未有的高速增長。項目投運(yùn)方面，全球首套100 MW級全釩液流電池儲能調(diào)峰電站自2023年起接受遼寧省電網(wǎng)調(diào)度指令運(yùn)行，系統(tǒng)實現(xiàn)毫秒級快速響應(yīng)，電站一次調(diào)頻功能投入使用。自2023年度迎峰度夏以來，全年完成調(diào)度超過240次，有效支撐了電網(wǎng)的電力需求和清潔能源消納，完成了保供任務(wù)。我國首個MW級鐵-鉻液流電池儲能示范項目在內(nèi)蒙古成功試運(yùn)行，共安裝34臺國家電投公司研發(fā)的“容和一號”鐵-鉻液流電池堆。據(jù)悉，該項目刷新了該技術(shù)全球最大容量紀(jì)錄。察布查爾縣250 MW/1 GWh全釩液流電池儲能項目一期光伏儲能系統(tǒng)施工總承包開標(biāo)。
8 鈉離子電池
隨著新型儲能技術(shù)的高速發(fā)展，由于其資源豐富、低溫性能好、充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)，鈉離子電池受到了高度關(guān)注與廣泛研究。但相比鋰離子電池，鈉離子半徑大、質(zhì)量重，應(yīng)變大等，影響鈉離子電池的能量密度、充放電倍率、循環(huán)性能；研發(fā)重點(diǎn)在于新型正負(fù)極材料、電解質(zhì)及界面材料等，以實現(xiàn)長壽命、寬溫域和高密度的性能。2023年，鈉離子電池在基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)方面取得了豐富成果，諸多企業(yè)推出了鈉離子電池相關(guān)產(chǎn)品和應(yīng)用示范。隨著新型儲能技術(shù)的高速發(fā)展，由于其資源豐富、低溫性能好、充放電速度快等優(yōu)點(diǎn)，鈉離子電池受到了高度關(guān)注與廣泛研究。相比鋰離子電池，鈉離子半徑大、質(zhì)量重，應(yīng)變大等，影響鈉離子電池的能量密度、充放電倍率、循環(huán)性能；研發(fā)重點(diǎn)在于新型正負(fù)極材料、電解質(zhì)及界面材料等，以實現(xiàn)長壽命、寬溫域和高密度的性能。2023年，我國鈉離子電池在基礎(chǔ)研究和關(guān)鍵技術(shù)方面取得了豐富成果，諸多企業(yè)推出了鈉離子電池相關(guān)產(chǎn)品和應(yīng)用示范。
8.1 基礎(chǔ)研究
在鈉離子電池的關(guān)鍵材料中，正極材料是決定電池性能和成本的主要因素之一，基于正極材料不同發(fā)展為層狀氧化物、聚陰離子化合物、普魯士藍(lán)類化合物三大技術(shù)路線，目前的研究重點(diǎn)是層狀氧化物材料和聚陰離子材料。Ding等通過低價陽離子(Li+)取代過渡金屬離子(TM)和氟離子取代氧離子分別調(diào)控氧化物正極NaxCu0.11Ni0.11Fe0.3Mn0.48O2(CNFM)的電子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了高熵氧化物Na0.89Li0.05Cu0.11Ni0.11Fe0.3Mn0.43O1.97F0.03(LCNFMF)正極材料的穩(wěn)定合成。Chu等通過Ru/Ti共摻雜提升了NaCrO2正極材料的電化學(xué)性能。聚陰離子正極方面，Liu等揭示了Na3MnTi(PO4)3材料電壓滯后的原因，并探索了一種Mo摻雜策略以實現(xiàn)該材料容量和循環(huán)穩(wěn)定性的顯著提升。普魯士藍(lán)方面，Zhang等提出了一種鉀離子輔助策略，通過調(diào)控主晶面和增加空位，制備了高電壓普魯士藍(lán)類正極材料。
在負(fù)極材料方面，Chen等開發(fā)了一種空間限域化學(xué)氣相沉積法(SC-CVD)，將類石墨碳疇填充到商用活性炭的微孔中，并實現(xiàn)碳層間距、石墨微晶尺寸和微孔大小的可調(diào)控，最終得到了435.5 mAh/g的高可逆比容量。Li等通過硬碳儲鈉行為的深入研究，提出了平臺段類金屬欠電位沉積的機(jī)制，并闡明楔形納米孔尺寸調(diào)控是實現(xiàn)良好動力學(xué)的關(guān)鍵，最終在26700電芯中實現(xiàn)了高倍率6.5C/6.5C下3000周的循環(huán)壽命。
在電解質(zhì)及界面方面，Zhang等通過調(diào)整兩種常規(guī)線性醚溶劑的配比制備了復(fù)合電解液，構(gòu)筑了穩(wěn)定的正極/負(fù)極-電解液界面，可適應(yīng)高電壓層狀氧化物正極，并實現(xiàn)負(fù)極集流體上金屬鈉的平整、無枝晶生長。Ji等利用各類先進(jìn)表征手段，全方位表征了鈉金屬負(fù)極的界面信息和動態(tài)演化過程。在固態(tài)鈉電池方面，Dai等發(fā)現(xiàn)了一種無機(jī)玻璃電解質(zhì)材料具有聚合物的黏彈性，通過向NaAlCl4中引入氧，獲得了具有無定形結(jié)構(gòu)和低玻璃化轉(zhuǎn)變溫度的固體電解質(zhì)材料，使其兼具了高離子電導(dǎo)率和黏彈性。
8.2 關(guān)鍵技術(shù)
由于三大技術(shù)路線優(yōu)劣各異，且市場需求及響應(yīng)速度不同，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)度也存在差異。從三種鈉離子電池技術(shù)性能指標(biāo)對比來看，層狀過渡金屬氧化物在能量密度、循環(huán)壽命、倍率性能、物料成本等方面在三種技術(shù)路線中綜合表現(xiàn)最好，已率先實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化；聚陰離子化合物穩(wěn)定性高，具備最長的理論循環(huán)壽命，但需要進(jìn)一步提升儲鈉容量從而提升能量密度，降低成本；普魯士藍(lán)類化合物盡管能量密度、物料成本等方面具備優(yōu)勢，但由于制備結(jié)晶化及熱失控后產(chǎn)生有毒氣體、循環(huán)壽命較短等問題亟待解決，目前發(fā)展進(jìn)度相對較慢。
2023年，中國科學(xué)院物理研究所和中科海鈉結(jié)合高容量正負(fù)極材料，在圓柱電芯中實現(xiàn)了180 Wh/kg的能量密度，實現(xiàn)了鈉離子電池長壽命、寬溫域和高安全/功率的性能。國內(nèi)諸多企業(yè)發(fā)布了鈉離子電池新技術(shù)和新產(chǎn)品。中科海鈉針對不同應(yīng)用場景需求，發(fā)布了3款鈉離子電芯，其中12 Ah圓柱形電芯擁有140 Wh/kg的能量密度，循環(huán)壽命2000～3000次；50160118和73174207方形電芯能量密度分別為145 Wh/kg(80 Ah)和155 Wh/kg(240 Ah)，循環(huán)壽命可達(dá)6000次以上。湖南立方新能源推出了應(yīng)龍1號鈉離子軟包電芯，采用聚陰離子正極技術(shù)路線，可實現(xiàn)良好的倍率和低溫性能。興儲世紀(jì)開發(fā)了72174207方形鈉離子電芯，采用磷酸焦磷酸鐵鈉正極材料，容量達(dá)到160 Ah，能量密度約110 Wh/kg，循環(huán)壽命可達(dá)5000次以上。
8.3 集成示范
2023年，廣西電網(wǎng)公司聯(lián)合南網(wǎng)儲能公司、中科海鈉和中國科學(xué)院物理研究所等多家單位聯(lián)合攻關(guān)的全球首套電力儲能電站用鈉離子電池儲能系統(tǒng)成功研制。該系統(tǒng)能量達(dá)到10 MWh，能量轉(zhuǎn)換效率超過92%，這是我國大容量鈉離子電池儲能系統(tǒng)的研制方面的一個重要里程碑。興儲世紀(jì)于四川自貢成功投運(yùn)了50 kW/105 kWh鈉離子電池儲能示范項目，該項目是500 kW/1 MWh光儲充一體化示范項目的一期工程。中科海鈉聯(lián)合江淮釔為推出了A00級的鈉電版花仙子電動汽車示范，該車搭載了中科海鈉鈉離子圓柱電芯，并應(yīng)用了思皓新能源自主研發(fā)的蜂窩電池技術(shù)，續(xù)航里程約252 km。該車已于年底通過工信部整車公告，并于2024年初開始正式批量向用戶交付。
9 超級電容器
超級電容器是一種介于傳統(tǒng)電容器和二次電池之間的一種新型儲能裝置，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、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)。2023年，我國在超級電容器領(lǐng)域取得了顯著的技術(shù)進(jìn)展。通過不斷進(jìn)行技術(shù)創(chuàng)新，我國超級電容器儲能技術(shù)在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵原材料國產(chǎn)化、單體制備和系統(tǒng)集成、示范應(yīng)用等方面取得了重要進(jìn)展，超級電容器產(chǎn)業(yè)鏈得到完善，形成了一定規(guī)模的產(chǎn)業(yè)體系。這些創(chuàng)新不僅提高了超級電容器的能量密度和功率密度，還拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域，涵蓋了智能電網(wǎng)、軌道交通、電動汽車等高新技術(shù)領(lǐng)域。
9.1 基礎(chǔ)研究
在電極材料方面，主要包含碳基材料、導(dǎo)電聚合物和金屬氧化物等材料研究。其中，在碳基材料方面，Xu等采用乙酸鹽對MXene進(jìn)行處理，使得MXene片層發(fā)生膨脹，較大的層間距有利于離子在層間快速擴(kuò)散，并形成多孔結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)離子在垂直于片層的方向上的移動，從而提高了材料的插層贗電容。該多孔電極在100 A/g的高電流密度下，具有超十萬次的循環(huán)性能。國家納米科學(xué)中心的韓保航團(tuán)隊提出了一種多孔Ti3C2 MXenes衍生的復(fù)合材料(pTi3C2/C)，改善了動力學(xué)特性。他們通過減少表面基團(tuán)和擴(kuò)大平面間距增加了活性位點(diǎn)，加速了鋰離子擴(kuò)散，實現(xiàn)了優(yōu)異的電化學(xué)性能。浙江理工大學(xué)的武觀團(tuán)隊采用微流控紡絲技術(shù)構(gòu)建了NCDs-Ti3C2Tx/SNFs復(fù)合纖維，具有各向異性結(jié)構(gòu)、增大基元層間距、豐富多孔通道、降低離子吸附能壘、加快電荷遷移動力學(xué)和提高機(jī)械強(qiáng)度/柔性等優(yōu)點(diǎn)，在1 mol/L H2SO4液態(tài)電解質(zhì)中具有大容量和可逆充放電穩(wěn)定性。湘潭大學(xué)的陽梅團(tuán)隊報道了利用廢面膜合成N/S共摻雜的獨(dú)立式碳布，可用于高比電容和良好倍率能力的電極。在導(dǎo)電聚合物方面，戴李宗等提出了一種以銨離子為載流子的二硫化鉬和聚苯胺(MoS2@PANI)復(fù)合電極，結(jié)果表明氫鍵的有效生成/斷裂是控制NH4+插入/脫插入速率的機(jī)制，硫空位有效地提高了NH4+的吸附能，提高了整個復(fù)合材料的導(dǎo)電性。此外，金屬有機(jī)骨架材料(MOFs)具有比表面積高、孔隙率可調(diào)、晶體結(jié)構(gòu)有序、耐受性等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究。Song等通過精準(zhǔn)調(diào)控該MOF衍生中空多孔碳管的微納結(jié)構(gòu)，制備了具有高比容量可調(diào)控的多孔中空碳納米管(PHCNT-x)。由于其獨(dú)特的中空結(jié)構(gòu)和合適的微孔/介孔含量，在超級電容器和鈉離子電池的應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的比電容和倍率性能，為進(jìn)一步開發(fā)超高能量和功率密度碳材料提供了新策略。
在電解質(zhì)方面，主要涉及到水系電解質(zhì)和有機(jī)系電解質(zhì)。水系電解液由于低成本、高離子電導(dǎo)率、安全、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)被廣泛研究和關(guān)注。Huang等在低鹽濃度(1 mol/L Na2SO4)水系電解液中以乙二醇(EG)作為添加劑與陽離子配位來抑制多余水分子在電極表面的分解，EG的添加降低了電極表面的水分子含量，將器件工作電壓提高至3.2 V，在-40～90 ℃下仍然保持穩(wěn)定的電化學(xué)性能。Liang等提出一種兼容商用電解液的新型有機(jī)鐵電鹽電解液添加劑(高氯酸二異丙胺，DIPAP)來調(diào)控和提升非法拉第電容。解離的DIPA+更接近碳電極表面，壓縮界面雙電層中有效電介質(zhì)層的厚度，減緩其相對介電常數(shù)的衰減。僅添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)1%的DIPAP可獲得21.6%～45.8%的電容增量，同時保持理想的倍率性能。山西煤炭化學(xué)研究所Chen等發(fā)現(xiàn)在乙腈基電解液中一些涉及氣體生成的副反應(yīng)是由水和電極表面含氧官能團(tuán)引起的，導(dǎo)致電極孔結(jié)構(gòu)的坍塌和堵塞，集流體腐蝕和電解質(zhì)分解，最終表現(xiàn)為電化學(xué)性能衰減，因而在3.0 V下控制體系中水和含氧官能團(tuán)含量非常重要。
新型超級電容器件方面，閻興斌等融合了離子二極管的整流特性和贗電容器的快速充放電特性，提出了“贗電容器二極管”的概念。該器件內(nèi)部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)來實現(xiàn)，能夠有效地阻擋反向偏置電流，表現(xiàn)出較高的整流比。
9.2 關(guān)鍵技術(shù)
在新型集流器研制方面，北京大學(xué)李彥教授團(tuán)隊采用浮動催化劑化學(xué)氣相沉積法成功制備了具有三維互連多孔結(jié)構(gòu)的獨(dú)立式單壁碳納米管薄膜(SWCNFs)，并將其應(yīng)用于柔性超級電容器的集流體。這些SWCNF具有高質(zhì)量負(fù)載效率、出色的機(jī)械堅固性和卓越的防腐蝕性能，相比傳統(tǒng)的金屬箔集流體，具有明顯的優(yōu)勢。在負(fù)載氫氧化碳酸鈷(II)贗電容材料方面，其負(fù)載效率高達(dá)75%，在比電容、倍率能力和循環(huán)性能方面表現(xiàn)出優(yōu)異的電化學(xué)性能。
在電極結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，西安交通大學(xué)李祥明教授團(tuán)隊研究了在石墨烯薄膜中制備微裂紋陣列，作為快速離子擴(kuò)散通道，將曲折擴(kuò)散轉(zhuǎn)化為直接擴(kuò)散，同時保持0.92 g/cm3的高堆積密度。優(yōu)化微裂紋陣列的薄膜離子擴(kuò)散系數(shù)提高了六倍，體積電容高達(dá)221 F/cm2(240 F/g)，代表了優(yōu)化離子擴(kuò)散向緊湊型儲能的關(guān)鍵突破。
在界面工程優(yōu)化方面，西北工業(yè)大學(xué)郭威課題組通過界面調(diào)制與Kirkendall效應(yīng)的協(xié)同耦合，成功構(gòu)建了具有完全暴露活性位點(diǎn)的高縱橫比MnO2異質(zhì)結(jié)構(gòu)(Heter-MnO2)的原位拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)重組。該結(jié)構(gòu)易于組裝成具有抗自聚集的自支撐高質(zhì)量負(fù)載薄膜(30 mg/cm2)，在1 mA/cm2時具有4762 mF/cm2的優(yōu)異面電容?；贖eter-MnO2電極的準(zhǔn)固態(tài)對稱微型超級電容器(MSC)具有181 mF/cm2的顯著比電容和10.3 MWh/cm3的可觀體積能量密度。貴州大學(xué)的葛翔團(tuán)隊通過構(gòu)建基于預(yù)鋰化氧化鈮的共軛超級電容器，闡明了載流子固相擴(kuò)散能壘在自放電過程中的關(guān)鍵作用。他們建立了具有不同擴(kuò)散能壘的超級電容器，驗證了固相擴(kuò)散能壘對自放電的影響。
在新型超級電容器二極管技術(shù)方向，蘭州大學(xué)蘭偉教授課題組開發(fā)了基于氧化鉬電極的電容式離子二極管。氧化鉬電極通過致密的二維層狀晶體結(jié)構(gòu)和帶負(fù)電的層間離子傳輸通道，對電解液陰陽離子表現(xiàn)出尺寸和電荷雙重離子篩分效應(yīng)。氧化鉬電極表現(xiàn)出136的超高整流比，配合插層贗電容的電荷存儲機(jī)制和優(yōu)化匹配的電解液體系，表現(xiàn)出448 F/g的高比電容和20000次循環(huán)的優(yōu)異循環(huán)穩(wěn)定性。這種優(yōu)異的整流特性和電化學(xué)性能使電容式離子二極管可以在邏輯運(yùn)算電路中高效穩(wěn)定地工作，展示出巨大的潛力。
在器件和系統(tǒng)開發(fā)方面，上海奧威提出了增效技術(shù)，提升了超級電容器的能量密度。今朝時代成功研發(fā)新一代方形混合電容，能量密度可達(dá)50~100 Wh/kg，循環(huán)壽命在100%DOD條件下達(dá)到50000次。合眾匯能提出“超級電容+”概念，推出了大容量、大功率的智能化超級電容儲能包，針對大型儲能系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。
9.3 集成示范
2023年，我國在超級電容器領(lǐng)域取得了顯著的技術(shù)進(jìn)展，不僅提高了超級電容器的能量密度和功率密度，還拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域，總體上我國超級電容儲能已進(jìn)入工程示范階段。
在材料規(guī)?；苽浞矫?，山西煤炭化學(xué)研究所推動淀粉基電容炭料-材-器-用技術(shù)，啟動了500噸電容炭產(chǎn)業(yè)化項目，已進(jìn)入量產(chǎn)階段。河南省大潮炭能科技有限公司開工年產(chǎn)3000噸超級電容炭項目，提升了碳材料自主科研和產(chǎn)業(yè)水平。山東圣泉采用“圣泉生物溶劑法”生物質(zhì)精煉技術(shù)，提高了硬碳的可控性和一致性，并將硬碳壓實密度提高到1.1 g/cm3。佰思格利用生物質(zhì)材料制備滿足快充性能的硬碳，實現(xiàn)了千噸級硬碳生產(chǎn)線投產(chǎn)。上海杉杉實現(xiàn)千噸級樹脂基硬炭量產(chǎn)，容量超過350 mAh/g。中輕特種纖維材料有限公司的超薄型25 μm隔膜通過驗證，短路率極低，已實現(xiàn)量產(chǎn)。寧波柔創(chuàng)納米科技有限公司研發(fā)的Alta隔膜具有豐富孔隙結(jié)構(gòu)，有效降低短路率。在電極制備方面，天津力容開發(fā)了活化干法電極制備技術(shù)，推出了儲能型電梯節(jié)能系統(tǒng)。上海奧威優(yōu)化了材料粒徑比和質(zhì)量比，改善了電極片導(dǎo)電性和柔性，解決了活性炭吸附溶劑的問題，掌握了復(fù)合正極片批量制備技術(shù)。
在儲能領(lǐng)域，中國華能福建羅源電廠全球首套“5 MW超級電容+15 MW鋰電池”混合儲能輔助調(diào)頻系統(tǒng)成功并網(wǎng)運(yùn)行，標(biāo)志著電網(wǎng)級火儲聯(lián)合儲能應(yīng)用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重要突破。山西省首個“超級電容+磷酸鐵鋰”等多類型混合儲能系統(tǒng)項目——山西智慧能源互聯(lián)網(wǎng)示范工程正式投運(yùn)。國內(nèi)首套100千瓦光伏發(fā)電可變慣量裝置在河北電力科技園并網(wǎng)成功，使用超級電容模組作為能源可以實時跟蹤電網(wǎng)頻率變化并調(diào)整慣性時間常數(shù)。此外，廣東能源集團(tuán)“16 MW/8 MWh磷酸鐵鋰電池+4 MW×10 min超級電容”新型儲能系統(tǒng)示范項目啟動，該項目是廣東省首個“鋰電+超級電容器”火儲聯(lián)合調(diào)頻項目。甘肅嘉峪關(guān)“500 MW/1000 MWh磷酸鐵鋰+超級電容”混合儲能電站和安徽靈璧“200 MW/400 MWh磷酸鐵電池+20 MW/30 s超級電容”共享混合儲能調(diào)頻電站項目已開工建設(shè)。
在交通和能量回收領(lǐng)域，京滬鐵路三界牽引變電所基于超級電容儲能的電氣化鐵路再生制動能量利用裝置正式投運(yùn)，裝機(jī)容量1.5 MW，超級電容儲能系統(tǒng)容量為11.6 kWh，具備牽引負(fù)荷“削峰填谷”和電能質(zhì)量治理功能。采用氫燃料電池和超級電容相結(jié)合的全球首列氫能源市域列車和上海臨港中運(yùn)量2號線超級電容及氫能源雙源供電數(shù)字膠輪列車技術(shù)是公共交通領(lǐng)域的大膽實踐。由浙江大學(xué)和杭州思拓瑞吉科技有限公司聯(lián)合設(shè)計制造的超級電容能量回收裝置在寧波港口正式交付試運(yùn)行。
10 新型儲能技術(shù)
除以上儲能技術(shù)外，我國學(xué)者還開展了多種新型儲能技術(shù)的研究，為儲能技術(shù)的未來發(fā)展提供了創(chuàng)新方向，這里選取2023年發(fā)展比較快的液態(tài)金屬、熱泵儲電、重力儲能技術(shù)，做簡要介紹。
10.1 液態(tài)金屬
液態(tài)金屬電池是基于液態(tài)金屬和無機(jī)熔鹽的新型電化學(xué)儲能體系。電池材料和結(jié)構(gòu)簡單，充放電過程中避免了傳統(tǒng)固態(tài)電極結(jié)構(gòu)坍塌和隔膜失效等問題，具有容量易放大、儲能成本低、循環(huán)壽命長、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。近年來液態(tài)金屬電池重點(diǎn)研究方向為低成本電池材料體系設(shè)計與優(yōu)化，大容量電池構(gòu)筑與批量化制造，電池狀態(tài)估計與成組管理等。
在基礎(chǔ)研究方面，基于液態(tài)金屬電池原理上的諸多優(yōu)勢，研究者在關(guān)鍵材料體系、界面特性調(diào)控與能質(zhì)傳遞機(jī)理等基礎(chǔ)方面開展了大量的研究。Yan等發(fā)展了基于置換反應(yīng)的液態(tài)金屬電池新體系，通過控制反應(yīng)電壓窗口調(diào)控低溶解度、密度適中的中間產(chǎn)物，構(gòu)建了基于置換反應(yīng)的Zn基高電壓液態(tài)金屬電池體系。Xie等設(shè)計了一種新型雙活性Sb-Zn電極，揭示了該電極體系中多電壓平臺的鋰化過程。Zhou等提出了一種新型鈉基液態(tài)金屬電池，基于Na負(fù)極與熔鹽的置換機(jī)制原位構(gòu)建了LiCl-NaCl-KCl混合陽離子電解質(zhì)，顯著抑制了電池的自放電，實現(xiàn)了電池穩(wěn)定運(yùn)行超過2500圈，其庫侖效率維持在98%以上，容量保持率接近100%。Zhou等提出在Bi正極中摻入摩爾分?jǐn)?shù)4%的硫族元素Se，調(diào)控使液態(tài)金屬電極與304不銹鋼的浸潤性(接觸角從144.7°減小到74.3°)，有效提升了電池循環(huán)性能。Zhang等從集流體構(gòu)型層面出發(fā)，設(shè)計了一種新型的陣列式集流體，通過增加正極產(chǎn)物的形核位點(diǎn)以及提供高效的電極/電解質(zhì)傳質(zhì)界面從而加速電極動力學(xué)，提升了電池能量效率。在液態(tài)金屬電池能質(zhì)傳遞機(jī)理研究方面，Zhou等對比研究了熔鹽電解質(zhì)中的熱致流動和電磁致流動的形成機(jī)理和流動強(qiáng)度，揭示了熔鹽中自驅(qū)動流動影響界面反應(yīng)物濃度進(jìn)而使界面電流密度分布不均勻的機(jī)理，提出了液態(tài)金屬電池外部磁場主動調(diào)控方法，顯著降低了放電過程中的濃差極化。在液態(tài)金屬電池關(guān)鍵材料回收利用方面，Yan等首次提出了熔鹽電解法回收廢舊電池中的電解質(zhì)和電極材料，實現(xiàn)了高達(dá)95%以上的電池材料的綠色高效回收和再利用。
在關(guān)鍵技術(shù)方面，液態(tài)金屬電池長效服役調(diào)控和高效成組技術(shù)近年來得到了研究者的重點(diǎn)關(guān)注。華中科技大學(xué)Shi等提出了一種基于多元數(shù)據(jù)驅(qū)動方法的壽命預(yù)測方法，采用經(jīng)驗?zāi)Ｊ椒纸夥椒ǚ纸庖簯B(tài)金屬電池歷史容量數(shù)據(jù)，結(jié)合高斯過程回歸和支持向量回歸方法，實現(xiàn)液態(tài)金屬電池容量再生與容量衰減過程的預(yù)測，預(yù)測均方根誤差小于1%。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊率先提出了基于機(jī)理-數(shù)據(jù)混合驅(qū)動方法的壽命預(yù)測框架，實現(xiàn)容量跳水后的模型自適應(yīng)更新，保證復(fù)雜工況下的壽命預(yù)測精度，將容量跳水過程的壽命預(yù)測精度從RMSE為0.93 Ah提升到0.24 Ah。在液態(tài)金屬電池一致性分選方面，Xia等提出一種基于深度學(xué)習(xí)和二維序列特征的電池快速分選方法，建立了液態(tài)金屬電池活化數(shù)據(jù)集中時間序列特征與電池容量之間的關(guān)系模型，實現(xiàn)電池數(shù)據(jù)集的總體RMSE均方根誤差為0.3762，在分類應(yīng)用中的總體準(zhǔn)確度為90.77%。
在液態(tài)金屬電池成組與高效管理方面，Zhang等發(fā)展了大容量液態(tài)金屬電池一致性篩選技術(shù)，結(jié)合電池電壓曲線的電池篩選指標(biāo)與組合聚類算法，實現(xiàn)了離群值檢測及篩選指標(biāo)自適應(yīng)分類，提高了電池篩選效率；提出了一種圖解模型直觀模擬了液態(tài)金屬電池組容量與電池單體容量、SOC和庫侖效率等電池參數(shù)之間的動態(tài)關(guān)系，成功應(yīng)用于液態(tài)金屬串聯(lián)模組。Cai等設(shè)計了一種基于電感和反激式多繞組變壓器的模塊化雙層電池對電池均衡拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，提出了一種基于圖論和蟻群優(yōu)化(ACO)的均衡策略，實現(xiàn)控制策略的均衡速度提高了88.62%，均衡效率提高了19.43%。上述研究成果為液態(tài)金屬電池儲能技術(shù)的規(guī)模應(yīng)用提供了重要的方法與技術(shù)支撐。
在示范應(yīng)用方面，由美國Ambri公司提供的Ca基液態(tài)金屬電池模組已成功應(yīng)用于美國微軟公司數(shù)據(jù)庫備用電源(UPS)，運(yùn)行情況良好。國內(nèi)武漢吉兆儲能科技有限公司于2023年成立，依托華中科技大學(xué)在液態(tài)金屬電池技術(shù)，推進(jìn)液態(tài)金屬電池的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。同時，南方電網(wǎng)與華中科技大學(xué)開展合作，預(yù)計2025年建成國內(nèi)首個MWh級液態(tài)金屬電池儲能系統(tǒng)示范電站。
10.2 熱泵儲電
熱泵儲電技術(shù)(pumped thermal electricity storage, PTES)，又稱卡諾電池，利用熱泵與熱機(jī)循環(huán)實現(xiàn)電-熱的雙向高效轉(zhuǎn)化實現(xiàn)以熱能形式存儲電能，具有儲能密度大、成本低、壽命長等特點(diǎn)，是當(dāng)前新型長時儲能技術(shù)的研究熱點(diǎn)。目前，我國在熱泵儲電技術(shù)方面處于基礎(chǔ)研究至關(guān)鍵技術(shù)突破的階段。
在系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)創(chuàng)新方面，Sui等提出了一種基于吸濕性鹽溶液的吸收-解吸過程的新型吸收式卡諾電池。在此技術(shù)中，產(chǎn)熱、儲熱，以及熱發(fā)電模塊被整合在一個緊湊的系統(tǒng)中。通過優(yōu)化，確定了系統(tǒng)最佳運(yùn)行濃度范圍為45%～60%，循環(huán)效率為45.80%。Iqbal等研究了一種基于儲冷的熱泵儲電技術(shù)。在儲能期間，利用蒸汽壓縮制冷循環(huán)產(chǎn)生冷能并存儲；在釋能期間，利用儲存的冷能與外部熱源發(fā)電。Ai等研究了一種新型熱泵-液態(tài)空氣儲能技術(shù)的三種不同系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。通過多目標(biāo)優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)采用閉式間接蓄熱的熱泵-液態(tài)空氣儲能系統(tǒng)的綜合性能最佳，循環(huán)效率可達(dá)63.3%～70.1%。Wang等研究了一種應(yīng)用液體活塞實現(xiàn)近等溫壓縮從而降低儲冷溫度的熱泵儲電系統(tǒng)，探討了液體活塞對系統(tǒng)的影響機(jī)制。結(jié)果表明，與傳統(tǒng)熱泵儲電系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的循環(huán)效率提高了2.5%。
在部件與材料研究方面，Jiang等建立了廢氣熱能回收的熱泵儲電系統(tǒng)模型，選擇R600、R245fa、R601a和R1336mzz(Z)四種有機(jī)流體組成16個不同的工質(zhì)對進(jìn)行熱力學(xué)分析，研究發(fā)現(xiàn)了最佳的工質(zhì)對。Zhao等建立了固體儲熱和液體儲熱的布雷頓式熱泵儲電系統(tǒng)的熱經(jīng)濟(jì)性模型，對熱泵儲電系統(tǒng)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，獲得了最優(yōu)工質(zhì)流體、固體和液體儲熱材料。孛衍君等對基于布雷頓循環(huán)和相變儲熱技術(shù)的10 MWh級熱泵儲電系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析，結(jié)果表明在葉輪機(jī)械壓比為10，等熵效率為0.9時循環(huán)效率可達(dá)60%。小型蓄冷蓄熱實驗研究發(fā)現(xiàn)，傳熱工質(zhì)溫度和壓力的提升對儲能容量和功率均有較大的提升。
在動態(tài)特性與控制策略方面，An等開發(fā)了熱泵儲電系統(tǒng)的動態(tài)仿真模型，研究了系統(tǒng)啟動和可變運(yùn)行條件下溫度、壓力、流量、功率等關(guān)鍵參數(shù)的動態(tài)響應(yīng)。Zhang等提出了熱泵儲電系統(tǒng)的壓縮機(jī)和膨脹機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速運(yùn)行的兩種運(yùn)行模式，將所提出的模式與傳統(tǒng)的定流量-定壓比運(yùn)行模式進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，所提出的定轉(zhuǎn)速運(yùn)行模式顯著提高了系統(tǒng)性能：定轉(zhuǎn)速-變流量模式可獲得最高64.67%的循環(huán)效率；定轉(zhuǎn)速-定流量模式可獲得更好的釋能功率穩(wěn)定性，功率衰減率從50%以上降低到最低19.13%。
在系統(tǒng)集成方面，Zhang等利用低品位余熱提升了朗肯式熱泵儲電系統(tǒng)的往返效率。盧沛等研究了一種全時段耦合余熱的熱泵儲電系統(tǒng)，實現(xiàn)了余熱與熱泵儲電系統(tǒng)的全時段高效集成。研究發(fā)現(xiàn)相比普通余熱集成的熱泵儲電系統(tǒng)，所提出的系統(tǒng)最高可提高95.67%的發(fā)電能力和降低30.90%的度電成本。Wang等對熱集成熱泵儲電系統(tǒng)進(jìn)行了綜合分析和優(yōu)化，結(jié)果表明由熱泵循環(huán)和有機(jī)閃蒸循環(huán)組成的系統(tǒng)是最佳系統(tǒng)。Zhang等提出并評估了不同儲/釋能循環(huán)的朗肯式熱泵儲電系統(tǒng)，并將優(yōu)化結(jié)果匯總成了系統(tǒng)配置選擇圖。Yong等設(shè)計了一種基于梯級儲熱的熱泵儲電與超臨界燃煤電廠耦合系統(tǒng)。韓瑞等研究了熔鹽熱泵儲電系統(tǒng)與火電廠的結(jié)合，發(fā)現(xiàn)了有回?zé)嵯到y(tǒng)的熱泵制熱系數(shù)和儲能系統(tǒng)往返效率均高于無回?zé)嵯到y(tǒng)。Wang等研究了一個與太陽能集成的熱泵儲電系統(tǒng)，通過多目標(biāo)優(yōu)化方法優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計，研究了釋能過程中變壓模式和恒壓模式的變工況性能。Yang等對與太陽能集成的熱泵儲電系統(tǒng)開展了多目標(biāo)優(yōu)化，獲得了能量密度、往返效率和平準(zhǔn)化成本之間的關(guān)聯(lián)特性。
10.3 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、放電深度高、響應(yīng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，2023年我國學(xué)者積極探索重力儲能體系領(lǐng)域，推動了重力儲能在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范方面的重要進(jìn)展。
重力儲能基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)方向包括系統(tǒng)設(shè)計與實驗、系統(tǒng)耦合特性與容量配置、儲能介質(zhì)和選址，以及混合儲能等方面。在系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究方面，王卓冉等搭建了由供能裝置、儲放能裝置和外電路三部分組成的重力儲能實驗裝置，采取控制變量法研究了影響能量轉(zhuǎn)換效率的因素及規(guī)律；楊振清等自主研制了一種輕便簡潔的小型重力儲能裝置，通過動滑輪組和定滑輪來控制重物的上升和下降，用于研究重力儲能轉(zhuǎn)化效率影響因素。在系統(tǒng)耦合特性與容量配置研究方面，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/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、斜坡高度等因素對系統(tǒng)效率的影響規(guī)律；聶亞惠等建立了鐵軌重力儲能系統(tǒng)儲/釋能過程車輛牽引系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，分析了上/下坡速度、載重質(zhì)量等對鐵軌重力儲能系統(tǒng)的影響規(guī)律，研究了耦合系統(tǒng)運(yùn)行特性及配置方案；邱清泉等針對垂直式重力儲能系統(tǒng)，分析了垂直提升系統(tǒng)和水平轉(zhuǎn)移系統(tǒng)的能量損耗特性，分析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。盧子敬等用改進(jìn)鯨魚算法分析了新能源-重力儲能系統(tǒng)的容量配置和電力調(diào)度問題，并對其并網(wǎng)輸電、電力孤島和無儲能三種模式方案進(jìn)行對比；劉曉輝等對框架式重力儲能系統(tǒng)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)組成分析和成本計算；Yang等研究了一種基于重力儲能系統(tǒng)的智能微電網(wǎng)系統(tǒng)模型，并從重塊數(shù)量和廢礦儲能深度方面分析了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。在儲能介質(zhì)與選址方面，王玉瑩等分析了塔吊、依托山體及依托廢棄礦井三種重力儲能形式的工作原理和模式，提出成本、壽命和環(huán)保是重塊選材需考慮的主要因素，地形、地層穩(wěn)定性及其與發(fā)電站距離是選擇重力儲能電站位置需要考慮的主要因素；楊闖等提出選擇建筑廢料作為儲能介質(zhì)更具有成本優(yōu)勢。在混合儲能方面，向開端等提出一種利用廢棄礦區(qū)建立含重力儲能-蓄電混合儲能的風(fēng)光儲微電網(wǎng)模型，通過改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法求解容量配置優(yōu)化問題；張陵等提出了一種由重力儲能電池和超級電容組成的混合儲能系統(tǒng)，采用Pareto檔案多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法求解模型，驗證了技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性與可行性；王建元等提出一種應(yīng)用蓄電池與重力儲能相結(jié)合的混合儲能模型，采用量子粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行配置巡優(yōu)，驗證了混合儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢。
重力儲能的關(guān)鍵技術(shù)研究方向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。在重力儲能發(fā)電/電動機(jī)及其控制系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)方面，中國科學(xué)院電工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)計方案；中國天楹等在重力儲能項目中采用常規(guī)的電勵磁同步機(jī)作為電動發(fā)電機(jī)，其他項目嘗試將永磁同步機(jī)、電勵磁同步機(jī)、雙饋異步電機(jī)、鼠籠式異步電機(jī)用于重力儲能等。在多重物連續(xù)高效和快速傳動技術(shù)方面，中國科學(xué)院電工所在垂直式重力儲能系統(tǒng)中利用雙轎廂卷揚(yáng)提升機(jī)配合軌道平車實現(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，有效縮短了功率間歇的時間；循環(huán)傳送鏈技術(shù)方案也是研究重點(diǎn)，既通過掛鉤或刮板將水平傳送鏈傳遞過來的重物接駁到垂直傳送鏈上，實現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行等。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重力儲能耦合超級電容器儲能的技術(shù)方案；分別針對同步電機(jī)直接并網(wǎng)以及永磁同步電機(jī)經(jīng)變流器并網(wǎng)兩種方案提出了相應(yīng)的多機(jī)組功率柔性補(bǔ)償方法；國網(wǎng)智能電網(wǎng)研究院提出了一種基于重力儲能同步電機(jī)并網(wǎng)指標(biāo)最優(yōu)分配的并網(wǎng)控制方法，結(jié)合輸出功率需求配置各組重力儲能機(jī)組中投運(yùn)的重物塊數(shù)量以及重物塊投入間隔時間以實現(xiàn)協(xié)同序貫控制。此外，還開展了面向重力儲能電池多模式控制策略、斜坡纜-軌式重力儲能技術(shù)等，重點(diǎn)在于解決重力儲能系統(tǒng)的連續(xù)性與穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性問題。
2023年，重力儲能系統(tǒng)在集成示范方面也取得了重要進(jìn)展。中國天楹如東26 MW/100 MWh重力儲能主體工程于2023年9月封頂；甘肅省張掖市17 MW/68 MWh重力儲能項目、甘肅酒泉金塔50 MW/200 MWh重力儲能項目、河北懷來縣25 MW/100 MWh重力儲能項目等正式開工。中國能建華北院在張家口啟動了基于豎井(1000米高差)的50 MW /300 MWh級豎井式重力儲能示范項目等。
11 系統(tǒng)集成技術(shù)
2023年，儲能系統(tǒng)集成繼續(xù)往高安全、大容量、高效率和一體化的方向發(fā)展，儲能電站的規(guī)模從100 MWh級向GWh級邁進(jìn)，儲能集裝箱集成度進(jìn)一步提高，容量已突破5 MWh，標(biāo)準(zhǔn)式一體化儲能柜得到推廣。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。
11.1 基礎(chǔ)研究
在功率變換方面，隨著新型電力系統(tǒng)新能源裝機(jī)占比增加，同步電機(jī)占比減小，系統(tǒng)慣性常數(shù)減小，電網(wǎng)故障下的頻率穩(wěn)定控制難，面對上述挑戰(zhàn)，“構(gòu)網(wǎng)型儲能”正引起業(yè)內(nèi)廣泛關(guān)注。構(gòu)網(wǎng)型電池儲能系統(tǒng)以構(gòu)網(wǎng)儲能變流器作為儲能電池與電網(wǎng)能量交互的接口設(shè)備，通過變換拓?fù)浜涂刂扑惴▌?chuàng)新可實現(xiàn)對電網(wǎng)的主動支撐，對于減小頻率變化率，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，具有明顯支撐作用，是目前新型儲能領(lǐng)域的熱點(diǎn)方向，但隨之而來的成本控制難、并網(wǎng)特性控制難、構(gòu)網(wǎng)控制對儲能電池性能影響機(jī)理不清等問題仍有待進(jìn)一步深入研究。
在電池管理方面，更精準(zhǔn)地獲取電池內(nèi)部的物理、化學(xué)及電化學(xué)等參量對于實現(xiàn)安全、可靠、精準(zhǔn)、實時的鋰電池狀態(tài)監(jiān)測及安全管理具有重要意義。暨南大學(xué)團(tuán)隊研制出一款可植入電池內(nèi)部的高精度光纖傳感器，在實驗室，率先實現(xiàn)對商業(yè)化圓柱型鋰電池?zé)崾Э厝^程的精準(zhǔn)分析與提早預(yù)警。松下四維與東方旭能合作，從壓差、溫度、溫升等多個參數(shù)出發(fā)，實時監(jiān)測評估每一個電芯的健康狀態(tài)，主動識別電池內(nèi)部風(fēng)險隱患，進(jìn)而實現(xiàn)電池主動安全預(yù)警。除此之外，針對大規(guī)模儲能對電池管理系統(tǒng)(BMS)提出的精確管理能力與可靠性等應(yīng)用需求，BMS在硬件拓?fù)湓O(shè)計和軟件算法等方面正持續(xù)改進(jìn)，以適應(yīng)變流器及電網(wǎng)干擾下的采集精度劣化嚴(yán)重、管控的電芯數(shù)量多帶來的管理難度大等挑戰(zhàn)。
在運(yùn)行控制方面，隨著多能源系統(tǒng)的發(fā)展，對新型儲能與其他形式能源之間的協(xié)調(diào)和管理提出了新的要求，混合儲能、儲能集群以及新型儲能、可再生能源和傳統(tǒng)能源的協(xié)調(diào)運(yùn)行、調(diào)度和優(yōu)化技術(shù)成為了近年來的研究熱點(diǎn)。此外，針對有效提升新型儲能利用率，解決儲能項目“建而不用、用未用好”等問題，行業(yè)內(nèi)開始逐漸關(guān)注多場景、多類型儲能統(tǒng)籌規(guī)劃和運(yùn)行調(diào)控模擬仿真分析技術(shù)等方面的研究，以提升儲能配置科學(xué)性、電網(wǎng)支撐能力，支撐儲能系統(tǒng)市場化交易、多時間尺度調(diào)用，增強(qiáng)源網(wǎng)荷儲互動效率，滿足新型電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定發(fā)展需求。
11.2 關(guān)鍵技術(shù)
能量精準(zhǔn)管控對提升儲能系統(tǒng)效率具有重要作用。華為公司基于數(shù)字技術(shù)+電力電子技術(shù)融合，研發(fā)了“一簇一管理、一包一優(yōu)化”的智能組串式電池儲能系統(tǒng)，實現(xiàn)了儲能電池系統(tǒng)分層分區(qū)的智能能量精準(zhǔn)管控，并在沙特紅海1.3 GWh全球最大微網(wǎng)光儲項目應(yīng)用。規(guī)?；姵叵到y(tǒng)中包含海量電芯，而電芯間參數(shù)和狀態(tài)失配導(dǎo)致的環(huán)流和短板效應(yīng)等問題已經(jīng)日漸凸顯，也受到了業(yè)內(nèi)專家的廣泛關(guān)注。國內(nèi)外學(xué)者通過優(yōu)化變流器拓?fù)洌瑢壜?lián)型電池儲能技術(shù)開展了大量研究工作，上海交通大學(xué)系統(tǒng)性地開展了H橋級聯(lián)型電池儲能技術(shù)和MMC儲能技術(shù)研究，在H橋級聯(lián)型儲能系統(tǒng)的電池簇充放電低頻電流平滑技術(shù)、電池簇間共模電流抑制技術(shù)、SOC主動均衡技術(shù)、大容量變換器邊界設(shè)計和安全評估技術(shù)、新型模塊化多電平(MMC)儲能系統(tǒng)的拓?fù)浜涂刂撇呗苑矫姘l(fā)表了系列成果。
對儲能系統(tǒng)開展精準(zhǔn)的狀態(tài)辨識、故障診斷與安全預(yù)警，是提升電池儲能系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的可知可控能力，進(jìn)而提升儲能系統(tǒng)全生命周期安全性的重要保障。目前儲能電池的狀態(tài)評估較多集中在以電池容量、阻抗為代表性指標(biāo)的健康狀態(tài)評估，對包含能量、放電性能等在內(nèi)的多維度標(biāo)準(zhǔn)化評估指標(biāo)的研究近年來也開始興起。電池故障診斷與安全預(yù)警方法主要可分為三大類：基于模型、基于知識與基于數(shù)據(jù)驅(qū)動，其中基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法無需高精度的電池模型和豐富的知識庫，通過對電池外信號，如電壓、溫度等，提取故障敏感特征，即可實現(xiàn)異常電池的辨識。在實際應(yīng)用中，數(shù)據(jù)驅(qū)動方法正成為電池健康狀態(tài)評估、壽命預(yù)測及故障診斷的最重要方法之一，逐漸成為研究熱點(diǎn)。
11.3 集成示范
南網(wǎng)儲能佛山寶塘300 MW/600 MWh儲能電站項目是粵港澳大灣區(qū)目前規(guī)模最大的儲能站，該電站在我國首次實現(xiàn)了多條鋰電池儲能技術(shù)路線的“一站集成”，搭配組合不同技術(shù)方式，形成了9條技術(shù)路線，各路線裝機(jī)規(guī)模從5 MW到75 MW不等。在熱管理方面，寶塘儲能站運(yùn)用了風(fēng)冷、板式液冷和浸沒式液冷三種熱管理技術(shù)；在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方面，寶塘儲能站采用五種連接方式，包括組串式、雙極式、單極式、低壓級聯(lián)、高壓級聯(lián)等；此外，寶塘儲能站將形成涵蓋20項關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的“數(shù)據(jù)富礦”，其多技術(shù)路線成套評價結(jié)果，將為國內(nèi)新型儲能的技術(shù)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供重要實證參考。內(nèi)蒙古額濟(jì)納地區(qū)“源網(wǎng)荷儲”微電網(wǎng)示范工程，儲能系統(tǒng)規(guī)模25 MW/25 MWh，以構(gòu)網(wǎng)型儲能為支撐，具備廣域純新能源電力系統(tǒng)黑啟動、長周期離網(wǎng)運(yùn)行等能力，該工程的實施，成功構(gòu)建了以構(gòu)網(wǎng)型儲能為核心技術(shù)的多能互補(bǔ)、源荷互動的廣域純新能源新型電力系統(tǒng)，為電網(wǎng)綠色低碳發(fā)展轉(zhuǎn)型升級和邊疆民族地區(qū)供電可靠性提升提供了全新方案。華能上都百萬千瓦級風(fēng)電基地配套儲能項目，儲能系統(tǒng)總規(guī)模300 MW/600 MWh，其中40 MWh的儲能系統(tǒng)采用35 kV高壓直掛技術(shù)，PCS單機(jī)容量25 MVA，具備有功20 MW及無功15 MVar輸出能力，是建成時全球電化學(xué)儲能領(lǐng)域單機(jī)功率最大的儲能系統(tǒng)。
12 消防安全技術(shù)
隨著電化學(xué)儲能裝機(jī)規(guī)模逐步擴(kuò)大，儲能系統(tǒng)消防安全性已成為規(guī)模儲能領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)和焦點(diǎn)問題之一。2023年，我國在儲能電池火災(zāi)發(fā)生機(jī)理、儲能電池模組熱失控傳播機(jī)制、浸沒式液冷技術(shù)、熱失控火災(zāi)預(yù)警技術(shù)、滅火機(jī)理及不同裝置層級火災(zāi)抑制等方面均取得重要進(jìn)展。
12.1 基礎(chǔ)研究
2023年，在單體鋰離子電池的熱失控機(jī)理及產(chǎn)氣機(jī)制研究基礎(chǔ)上，研究者們更加關(guān)注儲能電池模組熱失控傳播機(jī)理，及不同裝置層級滅火劑的滅火效果。
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)等研究了濫用方式對儲能電池?zé)崾Э禺a(chǎn)熱和產(chǎn)氣行為的影響，發(fā)現(xiàn)過充產(chǎn)氣總量小于過熱，毒性也小于過熱條件。針對儲能電池產(chǎn)氣行為，中國石油大學(xué)建立了電池產(chǎn)氣多相過程的多尺度模型以描述產(chǎn)生的氣體和射流顆粒，研究表明熱失控發(fā)生前產(chǎn)氣以電解液蒸汽為主導(dǎo)，熱失控后以化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)氣占主導(dǎo)。針對儲能電池模組，Song等研究了280 Ah磷酸鐵鋰電池模組的熱失控傳播特性，揭示了熱失控傳播過程中能量傳遞分布規(guī)律，超過75%的能量用于加熱電池本身，10%的能量即可觸發(fā)熱失控傳播。
在電池系統(tǒng)滅火劑及其機(jī)理方面，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)綜合對比了氣體滅火劑如七氟丙烷和全氟己酮，以及水系滅火劑，如細(xì)水霧、F-500和FireIce滅火劑對243 Ah磷酸鐵鋰電池火災(zāi)的滅火效果。結(jié)果證實添加少量濃度的F-500和FireIce可以大大加快細(xì)水霧的滅火速度。在未來，需要研發(fā)一種兼?zhèn)鋬?yōu)異滅火能力、高潤濕性、冷卻性能和低毒性的新型電絕緣滅火劑用于抑制鋰離子電池火災(zāi)。
12.2 關(guān)鍵技術(shù)
在熱管理技術(shù)方面，現(xiàn)有電化學(xué)儲能系統(tǒng)大多數(shù)采用間接接觸式液冷方案，主要依靠冷卻液在管路中的流動與電池進(jìn)行對流換熱來調(diào)控電池組的溫度。為了提高熱管理效率，研究者們設(shè)計了不同的液冷板結(jié)構(gòu)，如蜂窩結(jié)構(gòu)、方形螺旋環(huán)狀小通道液冷板、仿生葉脈分支通道液冷板等達(dá)到更優(yōu)異的散熱性能。此外，直接接觸式液冷，也稱浸沒式液冷，也得到廣大研究者的關(guān)注，現(xiàn)有研究大多聚焦冷卻液種類對儲能系統(tǒng)散熱的影響，如使用低沸點(diǎn)、高介電常數(shù)的介電制冷劑，如1-二氯-1-氟乙烷、10號變壓器油等。在單一液冷方式的基礎(chǔ)上，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)等關(guān)注復(fù)合熱管理系統(tǒng)，通過液冷與風(fēng)冷、液冷與相變材料、液冷與熱管耦合等方式實現(xiàn)性能的優(yōu)化提升。
在熱失控火災(zāi)預(yù)警技術(shù)方面，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)聯(lián)合暨南大學(xué)共同提出一種新型的基于光纖傳感的電池?zé)崾Э卦缙陬A(yù)警技術(shù)，該團(tuán)隊設(shè)計并成功研制出可在1000℃的高溫高壓環(huán)境下正常工作的多模態(tài)集成光纖傳感器，實現(xiàn)了對電池?zé)崾Э厝^程內(nèi)部溫度和壓力的同步精準(zhǔn)測量，提出了耦合電池內(nèi)部產(chǎn)熱和氣壓變化速率的熱失控早期預(yù)警方法，可精確識別電池內(nèi)部微觀“不可逆反應(yīng)”，為快速切斷電池?zé)崾Э劓準(zhǔn)椒磻?yīng)、保障電池在安全區(qū)間運(yùn)行提供了重要手段。
在熱失控抑制及滅火技術(shù)方面，研究者們提出了間隔阻隔布局方式，在實現(xiàn)儲能電池模組的熱失控抑制的同時，也提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研發(fā)出一種耐壓性能優(yōu)異的隔熱材料，以丙烯酸乳液和中空玻璃微球作為堅固的力學(xué)支撐框架，表現(xiàn)出優(yōu)異的隔熱和耐壓性能。針對儲能模組滅火技術(shù)，研究者發(fā)現(xiàn)全氟己酮可以成功抑制243 Ah儲能磷酸鐵鋰電池模組中的熱失控傳播，且不會造成剩余電池的破壞，為儲能電站鋰離子電池系統(tǒng)的消防設(shè)計提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。
12.3 集成示范
在浸沒式液冷技術(shù)應(yīng)用方面，全球首個浸沒式液冷儲能電站——南方電網(wǎng)梅州寶湖儲能電站于2023年3月6日正式投運(yùn)，其規(guī)模為70 MW/140 MWh，按照每天1.75次充放測算，具有每年可充放近8100萬kWh的潛力。該電站的熱管理系統(tǒng)采用的冷卻液為硅油系的LD5，具有熱穩(wěn)定性高、不易氧化變質(zhì)且絕緣強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)。梅州寶湖儲能電站的每個浸沒式液冷電池艙容量為5.2 MWh，能夠?qū)崿F(xiàn)電池運(yùn)行溫升不超過5 ℃，不同電池溫差不超過2 ℃，電池系統(tǒng)散熱效率得到顯著提升。
在儲能系統(tǒng)消防技術(shù)應(yīng)用方面，2023年國內(nèi)儲能電站消防系統(tǒng)在以往單一滅火系統(tǒng)的基礎(chǔ)上采用復(fù)合消防系統(tǒng)，如廣西崇左建設(shè)的200 MW/400 MWh集中儲能站，采用的消防滅火系統(tǒng)為全氟己酮和水噴淋復(fù)合消防系統(tǒng)，進(jìn)一步加強(qiáng)了消防系統(tǒng)的控火能力。
13 綜合分析
13.1 基礎(chǔ)研究
圖1給出了依據(jù)“Web of Science”核心數(shù)據(jù)庫，以“Energy Storage”為主題詞統(tǒng)計的2023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)。2023年度中國機(jī)構(gòu)和學(xué)者共發(fā)表SCI論文數(shù)16532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。
圖1 2023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)計的2023年度世界主要國家儲能技術(shù)相關(guān)SCI論文數(shù)。2023年全世界共發(fā)表儲能技術(shù)相關(guān)SCI論文數(shù)35017篇。其中，中國、印度、美國、韓國、沙特、英國、德國、澳大利亞、伊朗9個國家發(fā)表SCI論文數(shù)超過1000篇。與2022年相比，排名前9位的國家沒有變化，但各國排名位次發(fā)生了變化，印度超過美國成為發(fā)表SCI論文數(shù)第二多的國家，沙特的排名也由去年的第八位增加到第五位。2023年度中國機(jī)構(gòu)和學(xué)者發(fā)表了16532篇SCI論文，繼續(xù)居世界第一，在全世界儲能領(lǐng)域的占比為47.2%，比2022年增加了近2500余篇。世界儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究較2022年更加活躍，中國仍然是全球儲能技術(shù)研究最為活躍的國家。從分項技術(shù)看，圖1中給出的所有單項技術(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2023年發(fā)表SCI論文數(shù)均位于世界第一。
圖2 2023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)計的2010—2023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、德國、韓國、英國、澳大利亞、意大利、加拿大、日本、法國、西班牙、伊朗、沙特位列前14位。需要說明的是，圖3中2010—2022年發(fā)表的SCI論文的數(shù)據(jù)和去年統(tǒng)計的數(shù)據(jù)稍有不同，這主要是由于“Web of Science”數(shù)據(jù)庫本身更新的原因，但總體趨勢與文獻(xiàn)[3-4]是一致的。相較于2022年，中國學(xué)者發(fā)表SCI論文數(shù)有所增加、美國學(xué)者發(fā)表的SCI論文數(shù)有所減少。相較于2022年，中國、印度、韓國和沙特2023年度發(fā)表SCI論文數(shù)有明顯增加，而美國在2023年度發(fā)表SCI論文數(shù)3518篇，相較于2022年的3612篇有所減少，其他國家在2023年度發(fā)表SCI論文數(shù)相較于2022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—2023)
從發(fā)展趨勢看，自2010年以來，所有14個國家發(fā)表的儲能相關(guān)SCI論文數(shù)均有所增加。這14個國家可以分為兩類：一類是西方發(fā)達(dá)國家，包括美國、德國、英國、澳大利亞、意大利、日本、法國、加拿大和西班牙，它們的儲能相關(guān)SCI論文數(shù)2017年開始基本保持穩(wěn)定；另一類為新興國家，包括中國、印度、韓國、伊朗和沙特，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，比如中國儲能相關(guān)SCI論文數(shù)2013年超過美國后仍繼續(xù)增長，目前已大幅領(lǐng)先美國；印度2010年只有美國SCI論文數(shù)的約1/6，2023年首次超過美國，且仍保持增長趨勢。
綜合分析圖2和圖3，可以反映出當(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、英國和日本為代表的西方發(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—2022年的基本格局沒有變化。但新興國家的基礎(chǔ)研究活躍度持續(xù)增加，而發(fā)達(dá)國家基本進(jìn)入穩(wěn)定期。中國目前每年發(fā)表約16000篇儲能相關(guān)SCI論文，成為儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究活躍程度的第一梯隊；而印度和美國目前每年發(fā)表約3500篇儲能相關(guān)SCI論文，為儲能技術(shù)基礎(chǔ)研究活躍程度的第二梯隊；其他11個國家在第三梯隊，每年發(fā)表儲能相關(guān)SCI論文數(shù)為500～1500篇。
13.2 關(guān)鍵技術(shù)
表1給出了2023年中國儲能關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展的總結(jié)。從表中可見，2023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)，實現(xiàn)從實驗室技術(shù)到集成示范的轉(zhuǎn)變。同2022年相比，儲能技術(shù)的三種分類總體沒有變化，單項技術(shù)中鋰離子電池、壓縮空氣、液流電池和鈉離子電池的成熟度進(jìn)一步提升，鈉離子電池有望提升至集成示范類。
表1 2023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)計的，2010—2023年中國機(jī)構(gòu)在中國地區(qū)申請的發(fā)明專利數(shù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)與去年統(tǒng)計的數(shù)據(jù)稍有差異，這是由于數(shù)據(jù)庫自身更新的結(jié)果。從圖中可知，2010—2023年中國儲能技術(shù)發(fā)明專利申請數(shù)持續(xù)增長，2023年中國儲能技術(shù)發(fā)明專利申請數(shù)為47138篇，相較于2010年增長近十倍，與去年基本持平。
圖4 中國儲能技術(shù)申請發(fā)明專利數(shù)(2010—2023)
圖5給出了依據(jù)全球?qū)＠麛?shù)據(jù)庫incoPat統(tǒng)計的，2023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?，2023年，各種儲能技術(shù)中，儲熱儲冷技術(shù)申請的發(fā)明專利數(shù)仍為最多11095件，其次是鋰離子電池技術(shù)10020件，液流電池、鈉離子電池技術(shù)、鉛蓄電池也非?；钴S?？傮w上，各種儲能技術(shù)的發(fā)明專利數(shù)排名和2021—2022年基本吻合，化學(xué)儲能發(fā)明專利數(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、鈉離子電池、鉛蓄電池等，申請專利的活躍度很高。同2021—2022年類似，各種儲能技術(shù)申請發(fā)明專利數(shù)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 2023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)計的，2010—2023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，一方面，2023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)庫更新滯后的原因，圖中2010—2022年的數(shù)據(jù)更具參考價值；另一方面，圖中國際發(fā)明專利數(shù)與2021年和2022年稍有增加，也是數(shù)據(jù)庫更新的原因。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(不考慮2023年滯后數(shù)據(jù))，且2018年以后一直保持世界第一。
圖6 各國儲能技術(shù)WIPO國際發(fā)明專利申請數(shù)(2010—2023)
圖7給出了2022年各國儲能技術(shù)WIPO發(fā)明專利申請數(shù)。2022年，中國儲能WIPO國際發(fā)明專利申請數(shù)為2027篇，比2021年1188篇增長近1倍，占全球的38%，位居世界第一，其次是美國、德國、日本等國家。2022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，中國超越美國國際發(fā)明專利申請數(shù)(959篇)一倍以上。綜合圖6和圖7可見，除中國外，國際發(fā)明專利申請數(shù)靠前的國家均為發(fā)達(dá)國家，反映了當(dāng)前國際儲能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)領(lǐng)域的基本格局，這和圖3中SCI論文數(shù)的基本格局有所不同。綜合圖1～7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，中國在儲能技術(shù)方面保持了世界上最活躍的國家的地位。
圖7 2022年各國儲能WIPO國際發(fā)明專利申請數(shù)
13.3 集成示范
表1給出了2023年中國儲能集成示范進(jìn)展的總結(jié)。從表中可見，2023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)?；蛘咝阅芴嵘募墒痉叮饕ǔ樗钅?、鋰離子電池、壓縮空氣儲能、鉛蓄電池和儲熱儲冷等。二是驗證關(guān)鍵技術(shù)突破的集成示范，主要包括鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲能、鈉離子電池和飛輪儲能等。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2022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，如圖8所示，截止到2023年底，中國已投運(yùn)的儲能項目累計裝機(jī)容量(包括物理儲能、化學(xué)儲能以及熔融鹽儲熱)達(dá)到86.5 GW，同比增長45%，居世界第一位；其中抽水蓄能累計裝機(jī)容量為51.3 GW，同比增長11%，新型儲能累計裝機(jī)容量為35.2 GW，同比增長166%。2023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36.7 GW，其中新增新型儲能投運(yùn)裝機(jī)21.5 GW，居世界第一位，約為2022年同期水平300%。從圖8可見，雖然抽水蓄能也發(fā)展較快，但由于新型儲能裝機(jī)增長幅度更大，我國2023年抽水蓄能裝機(jī)比例比2022年下降18.2%，歷史上首次低于60%；在新型儲能技術(shù)中，鋰離子電池占主導(dǎo)地位，鉛蓄電池、壓縮空氣儲能、液流電池和儲熱技術(shù)等，也占據(jù)一定的市場份額。需要引起注意的是，2023年電池級碳酸鋰價格持續(xù)下降，年終均價已跌破10萬元/噸，與最高60萬元/噸時相比，降幅超過80%；另一方面，資源向儲能集聚，帶來投資擴(kuò)張和產(chǎn)能增加，和原材料價格下降因素疊加，使鋰電池電芯價格下降超過40%，新型儲能行業(yè)競爭加劇，企業(yè)壓力增大。
圖8 2023年底中國儲能項目累計裝機(jī)分布
圖9 2023年中國儲能集成示范和產(chǎn)業(yè)化梯隊
綜合分析各儲能技術(shù)2023年的基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范的情況，和2022年基本一致，各種儲能技術(shù)仍可以大致分為四個梯隊。其中，第一梯隊為抽水蓄能；第二梯隊為鋰離子電池、壓縮空氣儲能、液流電池、鉛蓄電池和儲熱儲冷技術(shù)，其中鋰離子電池裝機(jī)最多，成為單獨(dú)一個梯隊的趨勢更加明顯；第三梯隊為鈉離子電池、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；第四梯隊為重力儲能、熱泵儲電和液態(tài)金屬儲能等儲能新技術(shù)，需要進(jìn)一步的研發(fā)，以便實現(xiàn)集成示范和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。
圖10給出了2023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，同世界先進(jìn)水平相比，中國儲能技術(shù)水平總體進(jìn)入國際先進(jìn)國家行列，同美國和歐洲為世界先進(jìn)水平的第一梯隊。常規(guī)抽水蓄能、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；變速抽水蓄能、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2022年相比，各儲能技術(shù)的總體發(fā)展水平基本一致，鋰電池、壓縮空氣儲能、鈉離子電池和飛輪儲能的技術(shù)成熟度有所提升。綜合圖3、圖6和圖10可知，2023年中國保持了全球基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)和集成示范最為活躍的國家，中國發(fā)表SCI論文數(shù)、申請WIPO國際發(fā)明專利數(shù)和儲能系統(tǒng)總裝機(jī)均居世界第一。
圖10 2023年中國儲能技術(shù)和世界先進(jìn)水平的比較成熟度
13.4 政策分析
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，截止到2023年底，全國已發(fā)布約1700余項儲能相關(guān)政策，其中2023年全國共發(fā)布儲能相關(guān)政策655項，國家層面發(fā)布約60項，重點(diǎn)在技術(shù)研發(fā)、示范應(yīng)用、電價機(jī)制、市場建設(shè)、規(guī)范管理方面出臺管理政策；地方層面多地實施儲能產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略布局，加大支持力度，推動儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。伴隨著政策體系的進(jìn)一步完善，儲能的戰(zhàn)略地位及其在新型電力系統(tǒng)中的作用也愈加受到重視。
技術(shù)研發(fā)方面，以建設(shè)新型電力系統(tǒng)需求為導(dǎo)向，國家能源局實施“首臺套”“試點(diǎn)示范”等政策措施，聚焦高安全、大容量、低成本、不同時長的儲能關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及試點(diǎn)示范應(yīng)用?！秶夷茉淳志C合司關(guān)于公示第三批能源領(lǐng)域首臺(套)重大技術(shù)裝備(項目)的通知》中，兆瓦時級固態(tài)鋰離子電池儲能系統(tǒng)等多項新型儲能技術(shù)裝備入選。國家能源局印發(fā)的《新型儲能試點(diǎn)示范項目名單》，將“山東肥城300 MW/1800 MWh壓縮空氣儲能示范項目”等56個項目列為新型儲能試點(diǎn)示范項目。此外，工信部批復(fù)組建國家地方共建新型儲能創(chuàng)新中心，開展產(chǎn)業(yè)前沿及共性關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)、建立產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新機(jī)制。地方層面，多地政府圍繞關(guān)鍵共性技術(shù)攻關(guān)、行業(yè)關(guān)鍵核心技術(shù)“卡脖子”難題，推動新型儲能領(lǐng)域重點(diǎn)科技攻關(guān)項目“揭榜掛帥”，并對新獲批的各級技術(shù)創(chuàng)新中心、制造業(yè)創(chuàng)新中心、重點(diǎn)實驗室等創(chuàng)新平臺給予資金獎勵，支持新型儲能企業(yè)加大研發(fā)創(chuàng)新，按實際研發(fā)費(fèi)用的一定比例給予5%～30%不等的支持。
在產(chǎn)業(yè)方面，2023年，國家能源局發(fā)布了《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》，對未來新型電力系統(tǒng)發(fā)展制定“三步走”的發(fā)展路徑，明確了新型電力系統(tǒng)發(fā)展的不同發(fā)展階段對儲能技術(shù)的需求。工業(yè)和信息化部等六部門發(fā)布《關(guān)于推動能源電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，政策從供給側(cè)入手、在制造端發(fā)力、以硬科技為導(dǎo)向、以產(chǎn)業(yè)化為目標(biāo)，著力推動能源電子全產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同和融合發(fā)展，加強(qiáng)新型儲能電池產(chǎn)業(yè)化技術(shù)攻關(guān)，開發(fā)安全經(jīng)濟(jì)的新型儲能電池，推進(jìn)先進(jìn)儲能技術(shù)及產(chǎn)品規(guī)模化應(yīng)用。地方層面，各地裝機(jī)目標(biāo)持續(xù)攀升，并加大力度支持儲能產(chǎn)業(yè)發(fā)展。截至2023年底，全國已有26個省市制定了2025年的新型儲能裝機(jī)目標(biāo)，總規(guī)模達(dá)到81 GW，遠(yuǎn)超國家制定的30 GW規(guī)劃目標(biāo)。2023年，有63項區(qū)域產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃或?qū)嵤┓桨赴l(fā)布，全面推動新型儲能規(guī)?；?、集群式發(fā)展；有74項地方補(bǔ)貼政策發(fā)布，其中廣東發(fā)布補(bǔ)貼政策數(shù)量達(dá)到32項，其次是浙江(15項)和江蘇(7項)。補(bǔ)貼形式以放電、容量、投資補(bǔ)貼和產(chǎn)業(yè)補(bǔ)貼為主，以支持企業(yè)投資落戶、建設(shè)特色產(chǎn)業(yè)園區(qū)等促進(jìn)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展。
在應(yīng)用方面，新能源配儲仍是儲能發(fā)展重要驅(qū)動力，各地加大新能源配儲的激勵與考核，共享儲能是主要模式。2023年有超過20個區(qū)域發(fā)布了新能源配儲5%～20%，2～4小時不等的新能源配置儲能比例要求。多地提升了配置比例和時長要求，分布式光伏配儲也成為趨勢。集中共享式配置儲能的模式仍是各地鼓勵發(fā)展的方向，山東、河南等地提出滿足條件的場站內(nèi)配建儲能可以轉(zhuǎn)為獨(dú)立儲能。2023年各地在推動新能源配儲的同時，通過新能源容量指標(biāo)獎勵、優(yōu)先消納、輔助服務(wù)費(fèi)用減免等獎勵或考核措施，激勵配儲項目的落地。
在電力市場方面，2023年，電力市場改革進(jìn)程提速，正在逐步建立反映靈活資源價值的價格機(jī)制?，F(xiàn)貨市場方面，先后發(fā)布《電力現(xiàn)貨市場基本規(guī)則(試行)》《關(guān)于進(jìn)一步加快電力現(xiàn)貨市場建設(shè)工作的通知》，制定了各區(qū)域現(xiàn)貨市場建設(shè)時間表，鼓勵儲能等新型主體參與電力市場，探索“新能源+儲能”等新方式聯(lián)合運(yùn)營，探索建立容量補(bǔ)償機(jī)制。輔助服務(wù)市場方面，至2023年底，六個區(qū)域能源監(jiān)管局均已發(fā)布新版兩個細(xì)則，全年全國輔助服務(wù)相關(guān)政策共發(fā)布40項，輔助服務(wù)市場優(yōu)化，費(fèi)用逐步得到疏導(dǎo)。中長期市場方面，新疆、廣東、河北南部電網(wǎng)等發(fā)布獨(dú)立儲能參與電力中長期交易細(xì)則和方案，明確準(zhǔn)入與退出、交易組織、計量結(jié)算等條款。
在儲能電價機(jī)制方面，2023年，我國在儲能電價機(jī)制上有了新的進(jìn)展。輸配電價方面，《第三監(jiān)管周期省級電網(wǎng)輸配電價及有關(guān)事項的通知》新設(shè)立了系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用，推動輔助服務(wù)費(fèi)用向用戶側(cè)傳導(dǎo)。容量電價方面，《關(guān)于抽水蓄能電站容量電價及有關(guān)事項的通知》《關(guān)于建立煤電容量電價機(jī)制的通知》，分別核定了抽蓄電站、調(diào)峰火電站的容量價格，體現(xiàn)了國家對靈活性調(diào)節(jié)資源的重視，這對新型儲能容量電價機(jī)制極具參考意義。各地通過容量租賃、容量裝機(jī)補(bǔ)償、容量調(diào)峰市場、容量電價等方式對新型儲能的容量成本進(jìn)行補(bǔ)償。分時電價方面，機(jī)制愈發(fā)靈活，用戶側(cè)儲能收益渠道進(jìn)一步拓寬。2023年，共有15個地區(qū)更新了分時電價政策，進(jìn)一步優(yōu)化時段劃分、拉大峰谷價差、擴(kuò)大浮動范圍；共有18個地區(qū)最大峰谷價差超過0.7元/kWh，各地價差持續(xù)拉大，推動了用戶側(cè)儲能發(fā)展。
在規(guī)范管理方面，2023年，國家逐步將新型儲能納入到電力系統(tǒng)各項常規(guī)管理中。一方面加強(qiáng)對儲能各環(huán)節(jié)的規(guī)范管理，保障儲能電站安全建設(shè)運(yùn)行，另一方面也進(jìn)一步明確新型儲能在電力系統(tǒng)中的相關(guān)要求和責(zé)任。2023年，國家能源局發(fā)布《關(guān)于開展電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)性電源建設(shè)運(yùn)營綜合監(jiān)管工作的通知》，旨在全面摸清底數(shù)，加強(qiáng)規(guī)劃建設(shè)、調(diào)度運(yùn)行、市場交易、價格機(jī)制等方面的綜合監(jiān)管。國家能源局發(fā)布《發(fā)電機(jī)組進(jìn)入及退出商業(yè)運(yùn)營辦法》，將獨(dú)立新型儲能與常規(guī)發(fā)電機(jī)組類同，對其進(jìn)入及退出商業(yè)運(yùn)營進(jìn)行管理。國家能源局發(fā)布《關(guān)于加強(qiáng)發(fā)電側(cè)電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲能電站安全運(yùn)行風(fēng)險監(jiān)測的通知》，明確加強(qiáng)發(fā)電側(cè)、電網(wǎng)側(cè)電化學(xué)儲能電站安全運(yùn)行風(fēng)險監(jiān)測及預(yù)警，電化學(xué)儲能電站的安全監(jiān)管責(zé)任進(jìn)一步落實。
在本文成稿的過程中，2024年2月，國家發(fā)改委、國家能源局發(fā)布了《關(guān)于加強(qiáng)電網(wǎng)調(diào)峰儲能和智能化調(diào)度能力建設(shè)的指導(dǎo)意見》首次將儲能與電網(wǎng)調(diào)峰、智能化調(diào)度并列，作為提升電力系統(tǒng)調(diào)節(jié)能力的主要舉措、推動新能源大規(guī)模高比例發(fā)展的關(guān)鍵支撐，和構(gòu)建新型電力系統(tǒng)的重要內(nèi)容。2024年十四屆全國人大二次會議上，新型儲能首次被納入政府工作報告。報告指出：“積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)峰碳中和、加快建設(shè)新型能源體系、發(fā)展新型儲能?！边@為新型儲能的發(fā)展進(jìn)一步指明了方向。
14 結(jié)論與展望
2023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。中國保持了全球基礎(chǔ)研究、技術(shù)研發(fā)和集成示范最為活躍國家的地位。這一年，中國機(jī)構(gòu)和學(xué)者在儲能領(lǐng)域發(fā)表SCI論文16532篇；申請中國發(fā)明專利47138件，申請WIPO國際發(fā)明專利2027件(2022年數(shù)據(jù))，新增集成示范和產(chǎn)業(yè)化項目裝機(jī)容量36.7 GW；均居世界第一。總體上，中國儲能經(jīng)歷了高速發(fā)展的一年。
（1）物理儲能方面：在抽水蓄能方面，總體上我國抽水蓄能技術(shù)向“高、低、寬、大、變”，即高水頭、高海拔；低水頭；寬水頭變幅、寬負(fù)荷；大容量、大直徑；可變速等方向發(fā)展。在大直徑大傾角斜井隧道掘進(jìn)、300 MW交流勵磁變速抽蓄機(jī)組、10 MW全功率可變速機(jī)組等方面有重要進(jìn)展。在壓縮空氣儲能方面，總體上我國壓縮空氣儲能技術(shù)從單機(jī)100 MW級向300 MW級推進(jìn)，在系統(tǒng)總體特性、核心部件關(guān)鍵技術(shù)、系統(tǒng)集成示范等方面均取得了重要進(jìn)展；10 MW和100 MW示范電站高頻次接受電網(wǎng)調(diào)度運(yùn)行；山東肥城300 MW項目實現(xiàn)并網(wǎng)返送電等。在儲熱儲冷方面，在高性能材料的物性及制備、過程能量損失機(jī)理及控制、系統(tǒng)控制與優(yōu)化技術(shù)等基礎(chǔ)研究方面取得重要進(jìn)展；在15 MW電熱熔鹽儲能注氣站、660 MW煤電機(jī)組耦合蒸汽熔鹽儲熱、液化天然氣冷能存儲與利用等示范項目取得了突破性進(jìn)展。在飛輪儲能方面，我國學(xué)者在飛輪、電機(jī)、單機(jī)及陣列控制取得了重要進(jìn)展；飛輪儲能單機(jī)功率向500～2000 kW發(fā)展，陣列向1～5 MW發(fā)展。
（2）化學(xué)儲能方面：在鉛蓄電池方面，近年來的研發(fā)重點(diǎn)在鉛炭電池，主要通過在負(fù)極添加高活性炭材料和正極使用添加劑，提升循環(huán)壽命和快速充放電能力，在用戶側(cè)儲能、通信基站和電網(wǎng)側(cè)儲能等方面有廣泛應(yīng)用。在鋰離子電池方面，鋰離子電池是目前發(fā)展最快的新型儲能技術(shù)，我國在液態(tài)電解質(zhì)鋰離子電池研究方面保持活躍，并繼續(xù)向大容量、長壽命、高密度方向發(fā)展；半固態(tài)固態(tài)鋰離子電池、磷酸錳鐵鋰電池、錳基儲能鋰離子電池等新型鋰電池技術(shù)也取得重要進(jìn)展。在液流電池方面，離子傳導(dǎo)膜、電堆設(shè)計技術(shù)、電池新體系研究取得重要進(jìn)展，100 MW全釩液流電池承擔(dān)電網(wǎng)調(diào)度任務(wù)，實現(xiàn)了毫秒級快速響應(yīng)。在鈉離子電池方面，研發(fā)重點(diǎn)在于新型正負(fù)極材料、電解質(zhì)及界面材料等，以實現(xiàn)長壽命、寬溫域和高密度的性能；全國首套10 MWh鈉離子電池儲能系統(tǒng)研制成功，諸多企業(yè)推出了鈉離子電池相關(guān)產(chǎn)品和應(yīng)用示范。在超級電容器方面，在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵材料國產(chǎn)化、單體制備、系統(tǒng)集成示范等方面取得了重要進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)鏈更加完善；應(yīng)用領(lǐng)域涵蓋了智能電網(wǎng)、軌道交通、電動汽車等高新技術(shù)。在新型儲能技術(shù)方面，研究熱點(diǎn)有液態(tài)金屬電池、熱泵儲電、重力儲能等。
（3）集成與安全方面：在集成技術(shù)方面，我國規(guī)模儲能系統(tǒng)集成技術(shù)繼續(xù)往高安全、大容量、高效率和一體化的方向發(fā)展，儲能電站的規(guī)模從100 MWh級向GWh級邁進(jìn)，儲能集裝箱集成度進(jìn)一步提高，容量已突破5 MWh，標(biāo)準(zhǔn)式一體化儲能柜得到推廣。在消防安全技術(shù)方面，我國在儲能電池火災(zāi)發(fā)生機(jī)理、儲能電池模組熱失控傳播機(jī)制、浸沒式液冷技術(shù)、熱失控火災(zāi)預(yù)警技術(shù)、滅火機(jī)理及不同裝置層級火災(zāi)抑制等方面均取得重要進(jìn)展；在單體鋰離子電池的熱失控機(jī)理及產(chǎn)氣機(jī)制研究基礎(chǔ)上，研究者們更加關(guān)注儲能電池模組熱失控傳播機(jī)理，及不同裝置層級滅火劑的滅火效果。
展望2024年，中國儲能有望繼續(xù)保持高速發(fā)展態(tài)勢。中國儲能技術(shù)在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范有望繼續(xù)保持全球最活躍國家地位，發(fā)表論文數(shù)、申請專利數(shù)、集成示范與應(yīng)用裝機(jī)規(guī)模有望繼續(xù)保持世界第一；預(yù)計全年中國儲能新增裝機(jī)有望突破40 GW，將在向規(guī)模化發(fā)展過程中迎來實質(zhì)性轉(zhuǎn)變；新型儲能裝機(jī)比例將繼續(xù)提升，有望突破50%，首次超過抽水蓄能，迎來歷史性時刻；同時，由于資源集聚、投資擴(kuò)張和產(chǎn)能增加，有可能引起行業(yè)競爭加劇，企業(yè)壓力加大。2024年，中國儲能領(lǐng)域大概率將迎來又一個高速發(fā)展的一年，同時總體上需要向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)變。
