中國網(wǎng)/中國發(fā)展門戶網(wǎng)訊 “雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)，離不開可再生能源的大規(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、波動性和隨機(jī)性等特點，對電力系統(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)的儲能技術(shù)不僅能夠平抑能源的波動，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)動下，從長遠(yuǎn)來看，新能源取代化石能源是必然趨勢。為了構(gòu)建和提升新能源消納和存儲體系，科學(xué)界和工業(yè)界便推動了儲能技術(shù)的發(fā)展和規(guī)模化應(yīng)用。

儲能技術(shù)在促進(jìn)能源生產(chǎn)消費(fèi)、推動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)展儲能技術(shù)對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，儲能技術(shù)的國際競爭十分激烈；儲能技術(shù)涉及領(lǐng)域較多，突破每種儲能技術(shù)瓶頸，掌握引領(lǐng)能源科技的核心至關(guān)重要。因此，全面了解和掌握儲能技術(shù)發(fā)展動態(tài)是有效應(yīng)對復(fù)雜國際競爭形勢的前提，有利于進(jìn)一步加強(qiáng)優(yōu)勢，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能技術(shù)目前的研究熱點，以及未來的熱點方向和地位。文章主要基于對世界知識產(chǎn)權(quán)組織門戶網(wǎng)站“WIPO IP Portal”（https://ipportal.wipo.int/）公開授權(quán)專利的調(diào)研，主要分析對象為儲能技術(shù)專利數(shù)量排名世界前8位的國家——美國（USA）、中國（CHN）、法國（FRA）、英國（GBR）、俄羅斯（RUS）、日本（JPN）、德國（GER）、印度（IND）；以每個儲能技術(shù)名稱為主題詞，對這8個國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。需要說明的是，在進(jìn)行專利的統(tǒng)計時，國別的劃分均是以作者通信地址確定；多個國家作者合作完成的成果，均認(rèn)定為各自國家的成果。此外，本文通過對近3—5年中國境內(nèi)已授權(quán)專利重點分析，整理提煉中國目前常見的儲能技術(shù)及其未來發(fā)展態(tài)勢，以供全面了解儲能技術(shù)發(fā)展動態(tài)。

儲能技術(shù)簡介與分類

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

電氣式儲能，包括超級電容器、超導(dǎo)磁儲能。

機(jī)械式儲能，包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能。

化學(xué)式儲能，包括純化學(xué)儲能（燃料電池、金屬空氣電池）、電化學(xué)儲能（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)儲能（太陽能儲氫、太陽能解離-重組氨氣或甲烷）。

熱能式儲能，包括顯熱儲熱、潛熱儲熱、含水層儲能、液態(tài)空氣儲能。

氫能，一種來源廣泛、能量密度高、可規(guī)模化儲存的環(huán)保低碳二次能源。

專利發(fā)表情況分析

中國儲能技術(shù)相關(guān)專利發(fā)表情況分析

截至2022年8月，中國境內(nèi)申請的儲能技術(shù)相關(guān)專利已達(dá)15萬項以上。其中，僅鋰離子電池49168項（占比32%）、燃料電池38179項（占比25%）、氫能26734項（占比18%）3類就已占中國儲能技術(shù)專利總數(shù)的75%；結(jié)合目前實際情況，這3類技術(shù)無論是基礎(chǔ)研發(fā)還是商業(yè)化應(yīng)用，中國都處于領(lǐng)先地位。抽水蓄能11780項（占比8%）、鉛酸電池8455項（占比6%）、液態(tài)空氣儲能6555項（占比4%）、金屬空氣電池3378項（占比2%）4類占專利總數(shù)的20%；盡管金屬空氣電池時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。壓縮空氣儲能2574項（占比2%）、飛輪儲能1637項（占比1%），以及其他儲能技術(shù)相關(guān)專利均不足1500項（達(dá)不到1%），這些技術(shù)多以實驗室研究為主（圖1）。

世界儲能技術(shù)相關(guān)專利發(fā)表情況分析

截至2022年8月，全球申請的儲能技術(shù)相關(guān)專利已達(dá)36萬項以上。其中，僅燃料電池166081項（占比45%）、鋰離子電池81213項（占比22%）、氫能54881項（占比15%）3類就已占全球儲能技術(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、美國、日本處于領(lǐng)先地位。此外，鉛酸電池17278項（占比5%）、抽水蓄能16119項（占比4%）、液態(tài)空氣儲能7633項（占比2%）、金屬空氣電池7080項（占比2%）4類占專利總數(shù)的13%，也是目前較成熟的技術(shù)，多個國家已趨向于商業(yè)化應(yīng)用。壓縮空氣儲能4284項（占比1%）、飛輪儲能3101項（占比1%）、潛熱儲熱4761項（占比1%）3項或是未來主要研究的方向。其他儲能技術(shù)相關(guān)專利達(dá)不到1%，多以實驗室研究為主（圖2）。從專利數(shù)量上看，化學(xué)式儲能要比物理式儲能占比更大，對應(yīng)著化學(xué)式儲能目前研究更廣、發(fā)展更快。

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

儲能技術(shù)前沿研究方向

文章通過對世界知識產(chǎn)權(quán)組織公開授權(quán)專利的調(diào)研結(jié)果進(jìn)行分析近3年中國儲能技術(shù)相關(guān)專利的高頻詞及相應(yīng)專利內(nèi)容，總結(jié)并提煉中國儲能技術(shù)前沿研究方向。

電氣式儲能

超級電容器

超級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電容器的性能。主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在2個方面。

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電容器的成本、性能、使用壽命，同時也可能影響環(huán)境污染等；這是關(guān)系到電極材料規(guī)模化生產(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)和組分也會導(dǎo)致超級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)磁儲能

超導(dǎo)磁儲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)磁儲能的性能。主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在4個方面。

方向1：適用于電壓等級高的變流器。作為超導(dǎo)磁儲能的核心，變流器的核心作用是實現(xiàn)超導(dǎo)磁體與電網(wǎng)的能量變換。電壓等級較低時可用單相斬波器，電壓等級較高時可用中點鉗位型單相斬波器，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，而且易產(chǎn)生中點電位漂移；當(dāng)超導(dǎo)磁體與電網(wǎng)側(cè)電壓相近時，極易損壞超導(dǎo)磁體。

方向2：耐高溫超導(dǎo)儲能磁體。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能量；將超導(dǎo)儲能線圈改用類準(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，但其價格昂貴。采用混合磁體，如在磁場較高處使用YBCO帶材，磁場較低處使用二硼化鎂（MgB2）帶材，可以顯著降低制作成本，有利于儲能磁體大型化。

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

機(jī)械式儲能

抽水蓄能

抽水蓄能的核心即動能和勢能的轉(zhuǎn)化，作為技術(shù)最成熟和裝機(jī)最多的儲能，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）無法準(zhǔn)確地對水工樞紐工程和地下廠房硐室群定位；開發(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。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)對雨水頻發(fā)，但建設(shè)的難點在于如何在短時間內(nèi)將流入地下的雨水疏通、儲存并利用，建設(shè)服務(wù)于分布式抽水蓄能電站可以解決這一問題。

壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能主要由氣體存儲空間、電動機(jī)和發(fā)電機(jī)等構(gòu)成，氣體存儲空間規(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個方面。

方向1：地下廢棄空間壓縮空氣儲能。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)模儲氣庫的需求，利用地下廢棄空間作為氣體存儲空間可以很好地解決這一問題。

方向2：快速響應(yīng)的光熱壓縮空氣儲能。目前的技術(shù)存在3個問題：采用的大壓比準(zhǔn)絕熱壓縮方法，缺陷是壓縮過程功耗增大，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，即不能短時間達(dá)到額定溫度和負(fù)荷，系統(tǒng)響應(yīng)時間增加。快速響應(yīng)的光熱壓縮空氣儲能技術(shù)能徹底解決這些問題。

方向3：低成本儲氣裝置。目前所用的高壓儲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。地下鹽穴存儲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現(xiàn)終端用戶的商業(yè)化應(yīng)用。

飛輪儲能

飛輪儲能主要由飛輪、電動機(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個方面。

方向1：渦輪直驅(qū)飛輪儲能。這一儲能裝置，能解決在偏遠(yuǎn)地點傳統(tǒng)的電力驅(qū)動受供電條件限制，以及裝置體積大、重量沉、難以實現(xiàn)輕量化的問題。

方向2：飛輪儲能系統(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)成儲能飛輪，提高轉(zhuǎn)速會提高能量儲存密度，也會導(dǎo)致電機(jī)轉(zhuǎn)子產(chǎn)生過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)部永磁體溫升不會過高。

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，以實現(xiàn)動態(tài)工況下飛輪儲能系統(tǒng)出力的自適應(yīng)調(diào)整；與風(fēng)力發(fā)電等新能源場站協(xié)同視作整體，提升風(fēng)儲運(yùn)行靈活性與調(diào)頻的可靠性。

化學(xué)式儲能

 純化學(xué)儲能

燃料電池

燃料電池主要由陽極、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)存在諸多問題，如：以氫燃料電池為發(fā)電系統(tǒng)的新能源車只有一個儲氫罐供氣的問題，沒有替代儲氫罐；由于沒有大規(guī)模普及，一旦損壞就會影響使用。燃料電池內(nèi)的催化劑對于溫度有一定要求，在寒冷地區(qū)難以滿足時，會存在導(dǎo)致性能下降等問題。

方向2：氫燃料電池低溫適用性。低溫環(huán)境會影響氫燃料電池反應(yīng)性能進(jìn)而影響啟動，且反應(yīng)過程會生成水，低溫會結(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排放的氫氣如果直接排放到大氣或密閉空間都會產(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量低，開采成本高，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，或為負(fù)極表面增加疏水保護(hù)層以減少對金屬負(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)勢互補(bǔ)，提高超氧化物金屬空氣電池的性能。

電化學(xué)儲能

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，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氫合金等構(gòu)成，主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在3個方面。

方向1：負(fù)極用V基儲氫合金制備。目前主要使用AB5型儲氫合金，一般含有鐠（Pr）、釹（Nd）、鈷（Co）等昂貴的原材料；而釩（V）基固溶體儲氫合金是第三代新型儲氫材料，如Ti-V-Cr合金（釩合金）具有儲氫容量大、生產(chǎn)成本較低等優(yōu)點。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基儲氫合金，是需要深入研究的問題。

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，一旦一個大單體出現(xiàn)問題，也會影響其他電池組。鎳氫電池發(fā)生故障多以發(fā)熱、發(fā)燙為主，這種情況下無法短時間阻止電池出現(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，且鋰離子電池危險系數(shù)較高，由于鈉儲量豐富、成本低廉，且分布廣泛，鈉離子電池被認(rèn)為是一種極具競爭力的儲能技術(shù)。鋰離子電池主攻技術(shù)方向主要體現(xiàn)在1個方面。

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、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。如：高容量氧變價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。

鋅溴電池

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

方向1：無隔膜靜態(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)定等問題，且需采用循環(huán)泵來驅(qū)動電池中電解液的循環(huán)流動，以降低電池能量密度。隔膜的使用會使電池系統(tǒng)成本增加，影響電池循環(huán)壽命。水系鋅溴（Zn?Br2）電池就屬于無隔膜靜態(tài)，具有廉價、無污染、高安全性和高穩(wěn)定性等特點，被視為下一代最具潛力的大規(guī)模儲能技術(shù)。

方向2：隔膜與電解液恢復(fù)劑。無論是傳統(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，對電解液流動產(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，都會表現(xiàn)出更好的電化學(xué)性能。

熱化學(xué)儲能

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

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)儲熱材料，具有環(huán)保、安全和低成本等優(yōu)勢；但目前使用時存在速率慢、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)品無腐蝕性、不需要氣體存儲等優(yōu)點；但這些金屬氧化物存在反應(yīng)溫度區(qū)間固定等問題，無法滿足特定的場景需求，溫度不能線性調(diào)節(jié)，需要可溫度調(diào)節(jié)的儲熱材料。

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

熱能式儲能

顯熱儲熱/潛熱儲熱

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

方向1：利用太陽能的儲熱裝置。通過太陽能集熱并將轉(zhuǎn)化的熱量用來供暖和日用等；常規(guī)太陽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)計儲熱裝置利用太陽能的研究亟待開展。

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

方向3：顯熱與潛熱儲熱技術(shù)結(jié)合。顯熱儲存裝置存在體積龐大、儲熱密度低等問題，潛熱儲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題，極大地影響了儲熱裝置的效率。因此，將2種儲熱技術(shù)優(yōu)勢進(jìn)行整合的研究及儲熱裝置研究有待開展。

含水層儲能

含水層儲能通過熱交換器向儲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個方面。

方向1：中深層高溫含水層儲能井回灌系統(tǒng)。目前淺層含水層儲能井采用的PVC井管不適用中深層高溫含水層儲能系統(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：含水層儲能井的二次成井。含水層儲能井需要徹底洗井，否則會影響地下水回灌。強(qiáng)力活塞洗井方法會使聚氯乙烯（PVC）井壁管破裂的概率增大，而其他洗井方法無法達(dá)到完全消除泥漿護(hù)壁，這限制了含水層儲能井抽水和回灌的水量，影響整個系統(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)生的余熱無法進(jìn)行有效的回收，而冬季需要進(jìn)行獨立的熱量補(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，而太陽能熱水采暖需要大量的儲存空間，二者可耦合供能。

液態(tài)空氣儲能

液態(tài)空氣儲能是解決大規(guī)模可再生能源并網(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個方面。

方向1：優(yōu)化液態(tài)空氣儲能發(fā)電系統(tǒng)。空氣在分子篩純化系統(tǒng)吸附和再生時，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題。

方向2：液態(tài)空氣儲能工程應(yīng)用。由于制造工藝和成本的限制，較難實現(xiàn)工程應(yīng)用；國內(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，但氫氣的存儲和運(yùn)輸成本極高；氫能與液態(tài)空氣的聯(lián)合儲能發(fā)電，將氫能就地使用會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，這將對微電網(wǎng)產(chǎn)生一定沖擊，從而影響電能質(zhì)量；而儲能裝置是平衡其波動的解決方案。

氫能儲能

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

方向1：鎂基儲氫材料制備。氫化鎂擁有7.6%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的高儲氫量，一直是儲氫領(lǐng)域熱門材料，但存在放氫焓變高74.5 kJ/mol且熱傳導(dǎo)困難等問題，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)物儲氫（LOHC）-二氫化鎂（MgH2）鎂基儲氫材料很有前景。

方向2：氫能儲存與加氫站建設(shè)。露天氫氣儲罐存在被自然災(zāi)害等破壞的風(fēng)險，容量小、使用壽命短、維護(hù)成本高，將氫能地下儲存很有必要。國內(nèi)99 MPa級站用儲氫容器制造工藝難度較大，對大型設(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)金屬儲氫，以提高儲氫密度和儲氫安全性。

方向3：海陸氫能儲運(yùn)。液氫儲運(yùn)具有單位體積儲氫密度高、純度高和輸送效率高等優(yōu)勢，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，國內(nèi)多采用高壓氣態(tài)運(yùn)輸，國外液態(tài)運(yùn)輸略多。

目前，儲能技術(shù)百花齊放、各有千秋（表2），儲能技術(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)，早日實現(xiàn)大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用。如何整合多種儲能成一個系統(tǒng)以利用風(fēng)、光等可再生能源供電、供熱，將是未來最關(guān)注的焦點。

（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 中國石化石油勘探開發(fā)研究院。《中國科學(xué)院院刊》供稿）