中國(guó)網(wǎng)/中國(guó)發(fā)展門(mén)戶網(wǎng)訊 “雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，離不開(kāi)可再生能源的大規(guī)模裝機(jī)應(yīng)用；但是，由于可再生能源發(fā)電也存在諸多弊端，如受自然環(huán)境影響存在著間歇性、波動(dòng)性和隨機(jī)性等特點(diǎn)，對(duì)電力系統(tǒng)的調(diào)峰能力要求更加靈活，電壓、電流等電能質(zhì)量面臨更大挑戰(zhàn)。由于先進(jìn)的儲(chǔ)能技術(shù)不僅能夠平抑能源的波動(dòng)，還能提升能源消納能力，進(jìn)而備受各界關(guān)注。在“雙碳”目標(biāo)的有力驅(qū)動(dòng)下，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，新能源取代化石能源是必然趨勢(shì)。為了構(gòu)建和提升新能源消納和存儲(chǔ)體系，科學(xué)界和工業(yè)界便推動(dòng)了儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展和規(guī)?；瘧?yīng)用。

儲(chǔ)能技術(shù)在促進(jìn)能源生產(chǎn)消費(fèi)、推動(dòng)能源革命等方面舉足輕重，甚至成為繼石油、天然氣之后能夠改變?nèi)蚰茉锤窬值闹匾夹g(shù)；因此，大力發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于提高能源利用效率和可持續(xù)發(fā)展具有積極意義。在當(dāng)前全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型的背景下，儲(chǔ)能技術(shù)的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)十分激烈；儲(chǔ)能技術(shù)涉及領(lǐng)域較多，突破每種儲(chǔ)能技術(shù)瓶頸，掌握引領(lǐng)能源科技的核心至關(guān)重要。因此，全面了解和掌握儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)是有效應(yīng)對(duì)復(fù)雜國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)形勢(shì)的前提，有利于進(jìn)一步加強(qiáng)優(yōu)勢(shì)，彌補(bǔ)不足。

專利作為技術(shù)創(chuàng)新的重要信息載體，它能夠直接反映出儲(chǔ)能技術(shù)目前的研究熱點(diǎn)，以及未來(lái)的熱點(diǎn)方向和地位。文章主要基于對(duì)世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織門(mén)戶網(wǎng)站“WIPO IP Portal”（https://ipportal.wipo.int/）公開(kāi)授權(quán)專利的調(diào)研，主要分析對(duì)象為儲(chǔ)能技術(shù)專利數(shù)量排名世界前8位的國(guó)家——美國(guó)（USA）、中國(guó)（CHN）、法國(guó)（FRA）、英國(guó)（GBR）、俄羅斯（RUS）、日本（JPN）、德國(guó)（GER）、印度（IND）；以每個(gè)儲(chǔ)能技術(shù)名稱為主題詞，對(duì)這8個(gè)國(guó)家的研究人員或所屬機(jī)構(gòu)發(fā)表專利數(shù)量情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。需要說(shuō)明的是，在進(jìn)行專利的統(tǒng)計(jì)時(shí)，國(guó)別的劃分均是以作者通信地址確定；多個(gè)國(guó)家作者合作完成的成果，均認(rèn)定為各自國(guó)家的成果。此外，本文通過(guò)對(duì)近3—5年中國(guó)境內(nèi)已授權(quán)專利重點(diǎn)分析，整理提煉中國(guó)目前常見(jiàn)的儲(chǔ)能技術(shù)及其未來(lái)發(fā)展態(tài)勢(shì)，以供全面了解儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展動(dòng)態(tài)。

儲(chǔ)能技術(shù)簡(jiǎn)介與分類

儲(chǔ)能技術(shù)是指以設(shè)備或介質(zhì)為容器存儲(chǔ)能量，并在不同的時(shí)間空間釋放能量的技術(shù)。不同場(chǎng)景和需求會(huì)選擇不同的儲(chǔ)能系統(tǒng)，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換方式和儲(chǔ)能原理可分為五大類：

電氣式儲(chǔ)能，包括超級(jí)電容器、超導(dǎo)磁儲(chǔ)能。

機(jī)械式儲(chǔ)能，包括抽水蓄能、壓縮空氣儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能。

化學(xué)式儲(chǔ)能，包括純化學(xué)儲(chǔ)能（燃料電池、金屬空氣電池）、電化學(xué)儲(chǔ)能（鉛酸、鎳氫、鋰離子等常規(guī)電池，以及鋅溴、全釩氧化還原等液流電池）、熱化學(xué)儲(chǔ)能（太陽(yáng)能儲(chǔ)氫、太陽(yáng)能解離-重組氨氣或甲烷）。

熱能式儲(chǔ)能，包括顯熱儲(chǔ)熱、潛熱儲(chǔ)熱、含水層儲(chǔ)能、液態(tài)空氣儲(chǔ)能。

氫能，一種來(lái)源廣泛、能量密度高、可規(guī)?；瘍?chǔ)存的環(huán)保低碳二次能源。

專利發(fā)表情況分析

中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)專利發(fā)表情況分析

截至2022年8月，中國(guó)境內(nèi)申請(qǐng)的儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)專利已達(dá)15萬(wàn)項(xiàng)以上。其中，僅鋰離子電池49168項(xiàng)（占比32%）、燃料電池38179項(xiàng)（占比25%）、氫能26734項(xiàng)（占比18%）3類就已占中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)專利總數(shù)的75%；結(jié)合目前實(shí)際情況，這3類技術(shù)無(wú)論是基礎(chǔ)研發(fā)還是商業(yè)化應(yīng)用，中國(guó)都處于領(lǐng)先地位。抽水蓄能11780項(xiàng)（占比8%）、鉛酸電池8455項(xiàng)（占比6%）、液態(tài)空氣儲(chǔ)能6555項(xiàng)（占比4%）、金屬空氣電池3378項(xiàng)（占比2%）4類占專利總數(shù)的20%；盡管金屬空氣電池時(shí)間上起步較鋰離子電池等較晚，但是目前技術(shù)較成熟，已趨向于商業(yè)化應(yīng)用。壓縮空氣儲(chǔ)能2574項(xiàng)（占比2%）、飛輪儲(chǔ)能1637項(xiàng)（占比1%），以及其他儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)專利均不足1500項(xiàng)（達(dá)不到1%），這些技術(shù)多以實(shí)驗(yàn)室研究為主（圖1）。

世界儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)專利發(fā)表情況分析

截至2022年8月，全球申請(qǐng)的儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)專利已達(dá)36萬(wàn)項(xiàng)以上。其中，僅燃料電池166081項(xiàng)（占比45%）、鋰離子電池81213項(xiàng)（占比22%）、氫能54881項(xiàng)（占比15%）3類就已占全球儲(chǔ)能技術(shù)專利總數(shù)的82%；結(jié)合目前應(yīng)用情況，這3類技術(shù)均處于商業(yè)化應(yīng)用階段，主要是中國(guó)、美國(guó)、日本處于領(lǐng)先地位。此外，鉛酸電池17278項(xiàng)（占比5%）、抽水蓄能16119項(xiàng)（占比4%）、液態(tài)空氣儲(chǔ)能7633項(xiàng)（占比2%）、金屬空氣電池7080項(xiàng)（占比2%）4類占專利總數(shù)的13%，也是目前較成熟的技術(shù)，多個(gè)國(guó)家已趨向于商業(yè)化應(yīng)用。壓縮空氣儲(chǔ)能4284項(xiàng)（占比1%）、飛輪儲(chǔ)能3101項(xiàng)（占比1%）、潛熱儲(chǔ)熱4761項(xiàng)（占比1%）3項(xiàng)或是未來(lái)主要研究的方向。其他儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)專利達(dá)不到1%，多以實(shí)驗(yàn)室研究為主（圖2）。從專利數(shù)量上看，化學(xué)式儲(chǔ)能要比物理式儲(chǔ)能占比更大，對(duì)應(yīng)著化學(xué)式儲(chǔ)能目前研究更廣、發(fā)展更快。

本文統(tǒng)計(jì)了世界主要國(guó)家儲(chǔ)能技術(shù)的累計(jì)專利發(fā)表情況：橫向上，不同國(guó)家在每一項(xiàng)儲(chǔ)能技術(shù)上的專利數(shù)量對(duì)比；縱向上，同一國(guó)家在不同儲(chǔ)能技術(shù)上的專利數(shù)量對(duì)比（表1）。在大部分儲(chǔ)能技術(shù)上，中國(guó)在專利數(shù)量上都處于領(lǐng)先地位，這側(cè)面說(shuō)明中國(guó)在這些儲(chǔ)能技術(shù)上也處于世界前沿地位；然而，仍然有一些儲(chǔ)能技術(shù)是中國(guó)處于劣勢(shì)的。電氣式儲(chǔ)能方面，美國(guó)在超級(jí)電容器技術(shù)方面較為領(lǐng)先；化學(xué)式儲(chǔ)能方面，日本在燃料電池技術(shù)方面較為領(lǐng)先，中國(guó)處于第2位，美國(guó)處于第3位；熱能式儲(chǔ)能方面，日本在潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)方面領(lǐng)先，中國(guó)緊隨其后，美國(guó)第3位，這或許與日本獨(dú)特的地理環(huán)境和地質(zhì)背景息息相關(guān)。需要注意，中國(guó)雖然在含水層儲(chǔ)能方面看似領(lǐng)先，實(shí)則和其他國(guó)家一樣都處于實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的起步階段（圖3）。可以明確的是，中國(guó)在鋰離子電池、氫能、抽水蓄能、鉛酸電池等儲(chǔ)能技術(shù)方面處于領(lǐng)先的地位。

儲(chǔ)能技術(shù)前沿研究方向

文章通過(guò)對(duì)世界知識(shí)產(chǎn)權(quán)組織公開(kāi)授權(quán)專利的調(diào)研結(jié)果進(jìn)行分析近3年中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)專利的高頻詞及相應(yīng)專利內(nèi)容，總結(jié)并提煉中國(guó)儲(chǔ)能技術(shù)前沿研究方向。

電氣式儲(chǔ)能

超級(jí)電容器

超級(jí)電容器的主要組成部分有雙電極、電解液、隔膜、集流體等。在電極材料與電解液接觸面上，電荷發(fā)生分離和轉(zhuǎn)移，故而電極材料決定并影響著超級(jí)電容器的性能。主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在2個(gè)方面。

方向1：導(dǎo)電基膜的配方。由于導(dǎo)電基膜作為涂抹在集流體上的第一層電極材料，它和粘合劑的配方工藝影響超級(jí)電容器的成本、性能、使用壽命，同時(shí)也可能影響環(huán)境污染等；這是關(guān)系到電極材料規(guī)?；a(chǎn)的核心技術(shù)。

方向2：電極材料的選擇和制備。不同電極材料的結(jié)構(gòu)和組分也會(huì)導(dǎo)致超級(jí)電容器具備不同的容量、壽命等，主要為碳材料、導(dǎo)電高分子、金屬氧化物，如：副品紅堿@高比表面石墨烯復(fù)合材料、不含金屬離子的金屬有機(jī)聚合物、氧化釕（RuO2）金屬氧化物/氫氧化物和導(dǎo)電聚合物。

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能

超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的主要組成部分有超導(dǎo)磁體、功率調(diào)節(jié)系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)等。磁體的載流能力決定了超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的性能。主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在4個(gè)方面。

方向1：適用于電壓等級(jí)高的變流器。作為超導(dǎo)磁儲(chǔ)能的核心，變流器的核心作用是實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)磁體與電網(wǎng)的能量變換。電壓等級(jí)較低時(shí)可用單相斬波器，電壓等級(jí)較高時(shí)可用中點(diǎn)鉗位型單相斬波器，但這種斬波器存在著結(jié)構(gòu)控制邏輯復(fù)雜和擴(kuò)展性差等缺點(diǎn)，而且易產(chǎn)生中點(diǎn)電位漂移；當(dāng)超導(dǎo)磁體與電網(wǎng)側(cè)電壓相近時(shí)，極易損壞超導(dǎo)磁體。

方向2：耐高溫超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體。常規(guī)高溫磁體載流能力較差，增大電感、帶材用量、制冷成本等才能增加其儲(chǔ)能量；將超導(dǎo)儲(chǔ)能線圈改用類準(zhǔn)各向性導(dǎo)體（Like?QIS）螺旋纏繞是目前的一種研究方向。

方向3：降低儲(chǔ)能磁體制作成本。多以使用氧化釔鋇銅（YBCO）磁體材料為主，但其價(jià)格昂貴。采用混合磁體，如在磁場(chǎng)較高處使用YBCO帶材，磁場(chǎng)較低處使用二硼化鎂（MgB2）帶材，可以顯著降低制作成本，有利于儲(chǔ)能磁體大型化。

方向4：超導(dǎo)儲(chǔ)能系統(tǒng)控制。以往的變流器在執(zhí)行指令時(shí)沒(méi)有兼顧自身安全狀態(tài)、可響應(yīng)能力及溫升檢測(cè)，存在巨大的安全風(fēng)險(xiǎn)。

機(jī)械式儲(chǔ)能

抽水蓄能

抽水蓄能的核心即動(dòng)能和勢(shì)能的轉(zhuǎn)化，作為技術(shù)最成熟和裝機(jī)最多的儲(chǔ)能，已經(jīng)不再局限于常規(guī)發(fā)電應(yīng)用，逐步向城市建設(shè)融入。主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：適用于地下的定位裝置。運(yùn)維關(guān)系著已建成的電廠日常運(yùn)作，現(xiàn)有的全球定位系統(tǒng)（GPS）無(wú)法準(zhǔn)確地對(duì)水工樞紐工程和地下廠房硐室群定位；開(kāi)發(fā)適用于抽水蓄能電廠的定位裝置刻不容緩，特別是在融合5G通信技術(shù)背景下。

方向2：融入零碳建筑功能系統(tǒng)設(shè)計(jì)。由于風(fēng)能、光能等可再生能源發(fā)電的隨機(jī)性，為了穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)近零碳排放，基于風(fēng)光水氫一體化的建筑功能系統(tǒng)概念被提出，以盡量實(shí)現(xiàn)能源利用率的最大化并減少能源浪費(fèi)。

方向3：分布式抽水蓄能電站。海綿城市能夠有效應(yīng)對(duì)雨水頻發(fā)，但建設(shè)的難點(diǎn)在于如何在短時(shí)間內(nèi)將流入地下的雨水疏通、儲(chǔ)存并利用，建設(shè)服務(wù)于分布式抽水蓄能電站可以解決這一問(wèn)題。

壓縮空氣儲(chǔ)能

壓縮空氣儲(chǔ)能主要由氣體存儲(chǔ)空間、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等構(gòu)成，氣體存儲(chǔ)空間規(guī)模的大小牽制著該技術(shù)的發(fā)展，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：地下廢棄空間壓縮空氣儲(chǔ)能。主要集中在地下鹽穴，可用鹽穴資源受限遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大規(guī)模儲(chǔ)氣庫(kù)的需求，利用地下廢棄空間作為氣體存儲(chǔ)空間可以很好地解決這一問(wèn)題。

方向2：快速響應(yīng)的光熱壓縮空氣儲(chǔ)能。目前的技術(shù)存在3個(gè)問(wèn)題：采用的大壓比準(zhǔn)絕熱壓縮方法，缺陷是壓縮過(guò)程功耗增大，限制了系統(tǒng)效率的提高；常規(guī)系統(tǒng)采用單一電儲(chǔ)能工作模式，一定程度上限制了可再生能源的消納途徑；大型機(jī)械設(shè)備都存在升溫速率限制，即不能短時(shí)間達(dá)到額定溫度和負(fù)荷，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間增加?？焖夙憫?yīng)的光熱壓縮空氣儲(chǔ)能技術(shù)能徹底解決這些問(wèn)題。

方向3：低成本儲(chǔ)氣裝置。目前所用的高壓儲(chǔ)氣罐一般采用厚鋼板卷板再進(jìn)行焊接，材料和人工成本昂貴且鋼板焊接縫有破裂的風(fēng)險(xiǎn)。地下鹽穴存儲(chǔ)很大程度上受限于地理位置和鹽穴狀態(tài)，不能小型化推廣以實(shí)現(xiàn)終端用戶的商業(yè)化應(yīng)用。

飛輪儲(chǔ)能

飛輪儲(chǔ)能主要由飛輪、電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等構(gòu)成，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：渦輪直驅(qū)飛輪儲(chǔ)能。這一儲(chǔ)能裝置，能解決在偏遠(yuǎn)地點(diǎn)傳統(tǒng)的電力驅(qū)動(dòng)受供電條件限制，以及裝置體積大、重量沉、難以實(shí)現(xiàn)輕量化的問(wèn)題。

方向2：飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)中的永磁轉(zhuǎn)子。高速永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子和同軸連接構(gòu)成儲(chǔ)能飛輪，提高轉(zhuǎn)速會(huì)提高能量?jī)?chǔ)存密度，也會(huì)導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生過(guò)大離心力而危害安全運(yùn)行；需要永磁轉(zhuǎn)子在高轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，且轉(zhuǎn)子內(nèi)部永磁體溫升不會(huì)過(guò)高。

方向3：融入其他電站建設(shè)協(xié)同調(diào)頻。輔助參與建設(shè)抽水蓄能調(diào)峰、調(diào)頻電站；對(duì)城市供電系統(tǒng)中的冗余電能進(jìn)行調(diào)節(jié)，緩解市電電網(wǎng)的供電壓力；協(xié)同火力發(fā)電機(jī)組調(diào)頻控制，以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)工況下飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)出力的自適應(yīng)調(diào)整；與風(fēng)力發(fā)電等新能源場(chǎng)站協(xié)同視作整體，提升風(fēng)儲(chǔ)運(yùn)行靈活性與調(diào)頻的可靠性。

化學(xué)式儲(chǔ)能

 純化學(xué)儲(chǔ)能

燃料電池

燃料電池主要由陽(yáng)極、陰極、氫氣、氧氣、催化劑等構(gòu)成，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)。目前的氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)存在諸多問(wèn)題，如：以氫燃料電池為發(fā)電系統(tǒng)的新能源車只有一個(gè)儲(chǔ)氫罐供氣的問(wèn)題，沒(méi)有替代儲(chǔ)氫罐；由于沒(méi)有大規(guī)模普及，一旦損壞就會(huì)影響使用。燃料電池內(nèi)的催化劑對(duì)于溫度有一定要求，在寒冷地區(qū)難以滿足時(shí)，會(huì)存在導(dǎo)致性能下降等問(wèn)題。

方向2：氫燃料電池低溫適用性。低溫環(huán)境會(huì)影響氫燃料電池反應(yīng)性能進(jìn)而影響啟動(dòng)，且反應(yīng)過(guò)程會(huì)生成水，低溫會(huì)結(jié)冰，導(dǎo)致電池被破壞，需要適用于北方具有防凍功能的氫燃料電池。

方向3：燃料電池電堆及系統(tǒng)。燃料電池電堆在工作時(shí)排放的氫氣如果直接排放到大氣或密閉空間都會(huì)產(chǎn)生安全隱患。燃料電池電堆的輸出功率受限于活性區(qū)面積與電堆節(jié)數(shù)，難以滿足固定式發(fā)電用大功率系統(tǒng)的動(dòng)力需求。

金屬空氣電池

金屬空氣電池主要由金屬正極、多孔陰極和堿性電解液等構(gòu)成，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：良好的正極反應(yīng)固體催化劑。鉑炭（Pt/C）或鉑（Pt）合金貴金屬催化劑在地殼中的儲(chǔ)量低，開(kāi)采成本高，目標(biāo)產(chǎn)物選擇性較差；而氧化物催化劑電子轉(zhuǎn)移速率低，導(dǎo)致其正極反應(yīng)活性差，阻礙了其在金屬空氣電池中大規(guī)模應(yīng)用。用光熱耦合雙功能催化劑以降低極化程度，將目前被廣泛研究的鈣鈦礦鎳酸鑭（LaNiO3）用于鎂空氣電池研究，能解決這一問(wèn)題。

方向2：提高金屬空氣電池負(fù)極穩(wěn)定性。在金屬空氣電池放電結(jié)束間歇期，如何對(duì)金屬負(fù)極上的電解液和副產(chǎn)物殘留進(jìn)行處理以清洗金屬空氣電池，或?yàn)樨?fù)極表面增加疏水保護(hù)層以減少對(duì)金屬負(fù)極的腐蝕和反應(yīng)活性影響，已成為當(dāng)前亟待解決的問(wèn)題。

方向3：混合有機(jī)電解液。鈉氧電池（SOB）及鉀氧電池（KOB）反應(yīng)產(chǎn)物為超氧化物，可逆性很高；通過(guò)高供體數(shù)有機(jī)溶劑和低供體數(shù)有機(jī)溶劑的協(xié)同，使2種有機(jī)溶劑的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提高超氧化物金屬空氣電池的性能。

電化學(xué)儲(chǔ)能

鉛酸電池

鉛酸電池主要由鉛及氧化物、電解液等構(gòu)成，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：正極鉛膏制備。鉛酸電池正極活性物質(zhì)二氧化鉛（PbO2）導(dǎo)電性較差、孔率低，通常在和膏時(shí)加入大量含碳類組分導(dǎo)電劑以期改善其性能，但正極的強(qiáng)氧化性會(huì)將其氧化成二氧化碳，導(dǎo)致電池使用壽命縮短。加入何種導(dǎo)電劑能夠提高鉛酸電池的循環(huán)穩(wěn)定性是一項(xiàng)重要研究課題。

方向2：負(fù)極鉛膏制備。鉛酸電池負(fù)極多采用鉛粉和碳粉混合，二者密度差較大，很難得到均勻混合的負(fù)極漿料，這樣碳材料與硫酸鉛之間的接觸面積依然較小，影響鉛碳電池的性能。

方向3：電極板柵制備。鉛酸電池電極板柵主要材料是純鉛或者鉛錫鈣合金等；在制備鉛基復(fù)合材料時(shí)，熔融鉛具有高表面能，與其他元素或者材料不相親，導(dǎo)致板柵中材料分布不均勻，進(jìn)而導(dǎo)致板柵的機(jī)械性能差、導(dǎo)電性差。

鎳氫電池

鎳氫電池主要由鎳和儲(chǔ)氫合金等構(gòu)成，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：負(fù)極用V基儲(chǔ)氫合金制備。目前主要使用AB5型儲(chǔ)氫合金，一般含有鐠（Pr）、釹（Nd）、鈷（Co）等昂貴的原材料；而釩（V）基固溶體儲(chǔ)氫合金是第三代新型儲(chǔ)氫材料，如Ti-V-Cr合金（釩合金）具有儲(chǔ)氫容量大、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點(diǎn)。如何制備具備高電化學(xué)容量、高循環(huán)穩(wěn)定與高倍率放電性能的V基儲(chǔ)氫合金，是需要深入研究的問(wèn)題。

方向2：鎳氫電池模組成型一體化。如果模組采用大單體的電池模塊進(jìn)行組合形成大的供電體，一旦一個(gè)大單體出現(xiàn)問(wèn)題，也會(huì)影響其他電池組。鎳氫電池發(fā)生故障多以發(fā)熱、發(fā)燙為主，這種情況下無(wú)法短時(shí)間阻止電池出現(xiàn)爆燃。

方向3：生產(chǎn)高壓鎳氫電池。高壓鎳氫電池通過(guò)單電芯內(nèi)部串聯(lián)的方式提高電壓；由于是以電池組式的生產(chǎn)，使得其內(nèi)阻大，散熱效果不足，容易產(chǎn)生高溫或爆炸，目前生產(chǎn)方式制作昂貴，體積大，成本很高。

鋰離子電池/鈉離子電池

鋰礦資源日漸匱乏，且鋰離子電池危險(xiǎn)系數(shù)較高，由于鈉儲(chǔ)量豐富、成本低廉，且分布廣泛，鈉離子電池被認(rèn)為是一種極具競(jìng)爭(zhēng)力的儲(chǔ)能技術(shù)。鋰離子電池主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在1個(gè)方面。

方向1：高鎳三元正極材料制備。層狀高鎳三元正極材料具有高容量和倍率性能及更低的成本，受到廣泛關(guān)注。鎳含量越高，可進(jìn)行充電比容量越大，但是穩(wěn)定性較低。需要提高層狀結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，才能改善三元正極材料的循環(huán)穩(wěn)定性。

鈉離子電池主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：正極材料制備。與鋰離子電池層狀金屬氧化物正極材料不同，制備比容量高、循環(huán)壽命長(zhǎng)、功率密度大的鈉離子電池正極材料，并適合于大規(guī)模生產(chǎn)及應(yīng)用是主要難點(diǎn)。如：高容量氧變價(jià)鈉離子電池正極材料Na0.75Li0.2Mn0.7Me0.1O2。

方向2：負(fù)極材料制備。同樣，目前商業(yè)化很成熟的鋰離子電池石墨負(fù)極并不適用于鈉離子電池，石墨烯作為負(fù)極材料，只水洗一次不能將雜質(zhì)洗干凈；普通石墨烯負(fù)極材料質(zhì)量較差，容易氧化。

方向3：電解液制備。電解液影響電池的循環(huán)、倍率性能等，電解液中的添加劑是提升性能的關(guān)鍵。開(kāi)發(fā)能提高鈉離子電池性能的電解液添加劑是近幾年的研究熱點(diǎn)。

鋅溴電池

鋅溴電池主要由正負(fù)極儲(chǔ)罐、隔膜、雙極板等構(gòu)成，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：無(wú)隔膜靜態(tài)鋅溴電池。傳統(tǒng)的鋅溴液流電池中，存在正極活性面積低、鋅箔負(fù)極不穩(wěn)定等問(wèn)題，且需采用循環(huán)泵來(lái)驅(qū)動(dòng)電池中電解液的循環(huán)流動(dòng)，以降低電池能量密度。隔膜的使用會(huì)使電池系統(tǒng)成本增加，影響電池循環(huán)壽命。水系鋅溴（Zn?Br2）電池就屬于無(wú)隔膜靜態(tài)，具有廉價(jià)、無(wú)污染、高安全性和高穩(wěn)定性等特點(diǎn)，被視為下一代最具潛力的大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)。

方向2：隔膜與電解液恢復(fù)劑。無(wú)論是傳統(tǒng)鋅溴液流電池還是現(xiàn)在的鋅溴靜態(tài)電池的工作電壓（低于2.0 V）和能量密度受限于隔膜和電解液的技術(shù)依然存在較大不足，這限制了鋅溴電池的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。設(shè)計(jì)分隔負(fù)極與隔膜的隔離框解決負(fù)極碳?xì)峙c隔膜之間產(chǎn)生大量的鋅而引發(fā)的諸多問(wèn)題，或在電池性能下降后在電解液中添加恢復(fù)劑等。

全釩氧化還原電池

全釩氧化還原電池主要由不同價(jià)態(tài)V離子正負(fù)極電解液、電極和離子交換膜等構(gòu)成，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在1個(gè)方面。

方向1：電極材料的制備。聚丙烯腈碳?xì)质钱?dāng)前全釩氧化還原電池使用最普遍的電極材料，對(duì)電解液流動(dòng)產(chǎn)生的壓力較小，有利于活性物質(zhì)的傳導(dǎo)，但由于其具有較差的電化學(xué)性能而制約了大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。對(duì)聚丙烯腈碳?xì)蛛姌O材料進(jìn)行改性可以克服其缺陷，包括金屬離子摻雜改性、非金屬元素?fù)诫s改性等。將電極材料浸沒(méi)在三氧化二鉍（Bi2O3）溶液中，高溫煅燒改性；或加入N,N-二甲基甲酰胺再處理等，都會(huì)表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能。

熱化學(xué)儲(chǔ)能

熱化學(xué)主要是利用儲(chǔ)熱材料能夠發(fā)生可逆化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行能量存儲(chǔ)與釋放，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：水合鹽熱化學(xué)吸附材料。水合鹽熱化學(xué)吸附材料是一種常用的熱化學(xué)儲(chǔ)熱材料，具有環(huán)保、安全和低成本等優(yōu)勢(shì)；但目前使用時(shí)存在速率慢、反應(yīng)不均勻、膨脹結(jié)塊和導(dǎo)熱性能低等問(wèn)題，影響傳熱性能，進(jìn)而限制商業(yè)化應(yīng)用。

方向2：金屬氧化物儲(chǔ)熱材料。金屬氧化物體系材料，如Co3O4（四氧化三鈷）/CoO（氧化亞鈷）、MnO2（二氧化錳）/Mn2O3（三氧化二錳）、CuO（氧化銅）/Cu2O（氧化亞銅）、Fe2O3（氧化鐵）/FeO（氧化亞鐵）、Mn3O4（四氧化三錳）/MnO（一氧化錳）等，具有操作溫度范圍大、產(chǎn)品無(wú)腐蝕性、不需要?dú)怏w存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)；但這些金屬氧化物存在反應(yīng)溫度區(qū)間固定等問(wèn)題，無(wú)法滿足特定的場(chǎng)景需求，溫度不能線性調(diào)節(jié)，需要可溫度調(diào)節(jié)的儲(chǔ)熱材料。

方向3：低反應(yīng)溫度鈷基儲(chǔ)熱介質(zhì)。聚光太陽(yáng)能集熱電站的主要成本來(lái)自于儲(chǔ)熱介質(zhì)，主要存在昂貴的鈷基儲(chǔ)熱介質(zhì)會(huì)增加成本等問(wèn)題；此外，鈷基儲(chǔ)熱介質(zhì)反應(yīng)溫度高，導(dǎo)致太陽(yáng)能鏡場(chǎng)總面積增加，這也大幅增加了成本。

熱能式儲(chǔ)能

顯熱儲(chǔ)熱/潛熱儲(chǔ)熱

顯熱儲(chǔ)熱雖然比潛熱儲(chǔ)熱起步早，技術(shù)更成熟，但二者可優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：利用太陽(yáng)能的儲(chǔ)熱裝置。通過(guò)太陽(yáng)能集熱并將轉(zhuǎn)化的熱量用來(lái)供暖和日用等；常規(guī)太陽(yáng)能供暖以水為傳熱介質(zhì)，然而水的溫差范圍不大，大面積配置大體積水箱會(huì)提高保溫成本和水的用量。結(jié)合顯熱和潛熱材料共同設(shè)計(jì)儲(chǔ)熱裝置利用太陽(yáng)能的研究亟待開(kāi)展。

方向2：潛熱儲(chǔ)熱材料及裝置。相變儲(chǔ)熱材料對(duì)熱能具有高存儲(chǔ)密度，單位體積相變儲(chǔ)熱材料的儲(chǔ)熱能力往往是水儲(chǔ)熱能力的幾倍。因此，對(duì)于新型儲(chǔ)熱材料及儲(chǔ)熱裝置的研究有待進(jìn)一步開(kāi)展。

方向3：顯熱與潛熱儲(chǔ)熱技術(shù)結(jié)合。顯熱儲(chǔ)存裝置存在體積龐大、儲(chǔ)熱密度低等問(wèn)題，潛熱儲(chǔ)存裝置存在相變材料導(dǎo)熱系數(shù)低、換熱流體與相變材料之間的換熱能力較差等問(wèn)題，極大地影響了儲(chǔ)熱裝置的效率。因此，將2種儲(chǔ)熱技術(shù)優(yōu)勢(shì)進(jìn)行整合的研究及儲(chǔ)熱裝置研究有待開(kāi)展。

含水層儲(chǔ)能

含水層儲(chǔ)能通過(guò)熱交換器向儲(chǔ)能井抽提或注入冷熱水，多用作夏季供冷、冬季供暖，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：中深層高溫含水層儲(chǔ)能井回灌系統(tǒng)。目前淺層含水層儲(chǔ)能井采用的PVC井管不適用中深層高溫含水層儲(chǔ)能系統(tǒng)高溫、高壓環(huán)境，需要新的成井材料、工藝和與之相配套的回灌系統(tǒng)。

方向2：含水層儲(chǔ)能井的二次成井。含水層儲(chǔ)能井需要徹底洗井，否則會(huì)影響地下水回灌。強(qiáng)力活塞洗井方法會(huì)使聚氯乙烯（PVC）井壁管破裂的概率增大，而其他洗井方法無(wú)法達(dá)到完全消除泥漿護(hù)壁，這限制了含水層儲(chǔ)能井抽水和回灌的水量，影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

方向3：與其他熱源耦合供能。夏季燃?xì)馊?lián)供系統(tǒng)產(chǎn)生的余熱無(wú)法進(jìn)行有效的回收，而冬季需要進(jìn)行獨(dú)立的熱量補(bǔ)給，將二者耦合能降低供能系統(tǒng)的運(yùn)行成本，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。北方冬季供暖從地下提取的熱量大于夏季制冷輸入到地下的熱量，多年運(yùn)行后效率下降，冷熱嚴(yán)重失衡，而太陽(yáng)能熱水采暖需要大量的儲(chǔ)存空間，二者可耦合供能。

液態(tài)空氣儲(chǔ)能

液態(tài)空氣儲(chǔ)能是解決大規(guī)?？稍偕茉床⒕W(wǎng)和平抑電網(wǎng)的一種技術(shù)，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：優(yōu)化液態(tài)空氣儲(chǔ)能發(fā)電系統(tǒng)?？諝庠诜肿雍Y純化系統(tǒng)吸附和再生時(shí)，均需要增加額外的設(shè)備和能耗，系統(tǒng)的運(yùn)行效率較低且經(jīng)濟(jì)性較差；且傳統(tǒng)系統(tǒng)存在蓄冷單元占地面積較大、膨脹和壓縮單元噪聲大等問(wèn)題。

方向2：液態(tài)空氣儲(chǔ)能工程應(yīng)用。由于制造工藝和成本的限制，較難實(shí)現(xiàn)工程應(yīng)用；國(guó)內(nèi)壓縮機(jī)出口溫度很難保持均準(zhǔn)，壓縮熱的回收和液態(tài)空氣汽化冷能回收的循環(huán)效率低；還需解決對(duì)于不同品位壓縮熱進(jìn)行統(tǒng)一利用存在回收利用率低、能量浪費(fèi)的問(wèn)題。

方向3：與其他能源耦合供電。利用不穩(wěn)定的可再生能源電解水生產(chǎn)氫氣并存儲(chǔ)，但氫氣的存儲(chǔ)和運(yùn)輸成本極高；氫能與液態(tài)空氣的聯(lián)合儲(chǔ)能發(fā)電，將氫能就地使用會(huì)大幅降低氫能利用的經(jīng)濟(jì)性。受晝夜和天氣影響，光伏發(fā)電是間歇性的，這將對(duì)微電網(wǎng)產(chǎn)生一定沖擊，從而影響電能質(zhì)量；而儲(chǔ)能裝置是平衡其波動(dòng)的解決方案。

氫能儲(chǔ)能

氫能作為環(huán)保低碳的二次能源，它的制備、存儲(chǔ)、運(yùn)輸?shù)确矫嬉恢笔墙鼛啄昃痈卟幌碌臒狳c(diǎn)，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個(gè)方面。

方向1：鎂基儲(chǔ)氫材料制備。氫化鎂擁有7.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的高儲(chǔ)氫量，一直是儲(chǔ)氫領(lǐng)域熱門(mén)材料，但存在放氫焓變高74.5 kJ/mol且熱傳導(dǎo)困難等問(wèn)題，不利于大規(guī)模應(yīng)用；金屬取代的有機(jī)氫化物的放氫焓變比較低，如含有納米鎳（Ni）@載體催化劑的液態(tài)有機(jī)物儲(chǔ)氫（LOHC）-二氫化鎂（MgH2）鎂基儲(chǔ)氫材料很有前景。

方向2：氫能儲(chǔ)存與加氫站建設(shè)。露天氫氣儲(chǔ)罐存在被自然災(zāi)害等破壞的風(fēng)險(xiǎn)，容量小、使用壽命短、維護(hù)成本高，將氫能地下儲(chǔ)存很有必要。國(guó)內(nèi)99 MPa級(jí)站用儲(chǔ)氫容器制造工藝難度較大，對(duì)大型設(shè)備要求很高，制作工藝效率非常低下。利用谷電在加氫站水電解制氫，以降低氫制取和運(yùn)輸成本；利用固態(tài)金屬儲(chǔ)氫，以提高儲(chǔ)氫密度和儲(chǔ)氫安全性。

方向3：海陸氫能儲(chǔ)運(yùn)。液氫儲(chǔ)運(yùn)具有單位體積儲(chǔ)氫密度高、純度高和輸送效率高等優(yōu)勢(shì)，便于大規(guī)模的氫氣運(yùn)輸和利用；但是，目前陸地和海上制氫由于環(huán)境限制缺乏較為成熟的氫氣運(yùn)輸方式，國(guó)內(nèi)多采用高壓氣態(tài)運(yùn)輸，國(guó)外液態(tài)運(yùn)輸略多。

目前，儲(chǔ)能技術(shù)百花齊放、各有千秋（表2），儲(chǔ)能技術(shù)集中向核心部件或材料、裝置、系統(tǒng)等方面攻關(guān)。例如，化學(xué)式儲(chǔ)能多向正極、負(fù)極、電解液等方面彌補(bǔ)缺陷，核心目標(biāo)是已成型技術(shù)的降本增效及有發(fā)展?jié)摿Φ牟牧弦?guī)模量產(chǎn)，早日實(shí)現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。如何整合多種儲(chǔ)能成一個(gè)系統(tǒng)以利用風(fēng)、光等可再生能源供電、供熱，將是未來(lái)最關(guān)注的焦點(diǎn)。

（作者：姜明明，北京大學(xué)能源研究院；金之鈞，北京大學(xué)能源研究院 中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院；編審：劉一霖；《中國(guó)科學(xué)院院刊》供稿）