摘要

本文對2021年度中國儲能技術的研究進展進行了綜述。通過對基礎研究、關鍵技術和集成示范三方面的回顧和分析，總結得出了2021年中國儲能技術領域的主要技術進展，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、新型儲能技術、集成技術和消防安全技術等。研究結果表明，中國儲能技術在基礎研究、關鍵技術和集成示范方面均取得了重要進展，中國已經成為世界儲能技術基礎研究最活躍的國家，也已成為世界儲能技術研發和示范的主要核心國家之一。

關鍵詞： 儲能 ; 技術 ; 進展

Abstract

Research and development progress on energy storage technologies of China in 2021 is reviewed in this paper. By reviewing and analyzing three aspects of research and development including fundamental study, technical research, integration and demonstration, the progress on major energy storage technologies is summarized including hydro pumped energy storage, compressed air energy storage, flywheel, lead battery, lithium-ion battery, flow battery, sodium-ion battery, supercapacitor, new technologies, integration technology, fire-control and safety technology. The results indicate that extensive improvements of China's energy storage technologies have been achieved during 2021 in terms of all the three aspects. China is now the most active country in energy storage fundamental study and also one of the core countries of technical research and demonstration.

Keywords： energy storage ; technology ; progress

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陳海生, 李泓, 馬文濤, 徐玉杰, 王志峰, 陳滿, 胡東旭, 李先鋒, 唐西勝, 胡勇勝, 馬衍偉, 蔣凱, 錢昊, 王青松, 王亮, 王星, 徐德厚, 周學志, 劉為, 吳賢章, 汪東林, 和慶鋼, 陸雅翔, 張雪松, 李泉, 索鎏敏, 郭歡, 俞振華, 梅文昕, 秦鵬. 2021年中國儲能技術研究進展[J]. 儲能科學與技術, 2022, 11(3): 1052-1076

CHEN Haisheng. Research progress of energy storage technology in China in 2021[J]. Energy Storage Science and Technology, 2022, 11(3): 1052-1076

儲能是能源革命的關鍵支撐技術，是解決可再生能源大規模接入、提高電力系統和區域能源系統效率、安全性和經濟性的迫切需要[1-3]。2021年，國家雙碳戰略的實施，大幅促進了儲能技術和產業的發展，中國儲能實現了從商業化發展初期到規模化發展的轉變，總體上中國儲能的發展超出了業界預期[4]。一是支持儲能的政策不斷出臺，二是儲能系統的裝機大幅增加，三是多種儲能技術取得重要進展。學術界和工業界都非常希望能有一篇綜述性文章對中國2021年儲能技術的研究進展進行全面地回顧和分析。

本文是受《儲能科學與技術》期刊邀請，依托中國化工學會儲能工程專委會和中國能源研究會儲能專委會的專家，擬對2021年中國的主要儲能技術的研究進展進行綜述，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、超級電容器和新型儲能技術等，希望能夠通過對儲能技術基礎研究、關鍵技術和集成示范的回顧和分析，總結2021年中國儲能技術領域的主要進展，為儲能領域的研究生、科研工作者和工程技術人員提供參考。

本文共分15節，其中前言由陳海生撰寫，第1節抽水蓄能由陳滿、徐德厚、郭歡撰寫，第2節壓縮空氣儲能由徐玉杰、張新敬、王星撰寫，第3節儲熱儲冷由王志峰、王亮、張雪松撰寫，第4節飛輪儲能由胡東旭、周學志撰寫，第5節鉛蓄電池由唐西勝、吳賢章撰寫，第6節鋰離子電池由李泓、李泉、索鎏敏撰寫，第7節液流電池由李先鋒、馬文濤撰寫，第8節鈉離子電池由胡勇勝、陸雅翔、馬紫峰撰寫，第9節超級電容器由馬衍偉撰寫，第10節新型儲能技術由蔣凱、和慶鋼和俞振華撰寫，第11節集成技術由錢昊、汪東林、劉為撰寫，第12節消防安全技術由王青松、梅文昕、秦鵬撰寫，第13節綜合分析和第14節結論與展望由陳海生撰寫，全文由陳海生統稿。由于時間倉促，且作者水平有限，相關內容如有不全面甚至謬誤之處，請各位讀者批評指正。

1 抽水蓄能

抽水蓄能具有儲能容量大、系統效率高、運行壽命長、響應快速、工況靈活、技術成熟等優點，是當前大規模儲能的主流技術。2021年，在雙碳目標的驅動下，國家從規劃、政策等方面對抽水蓄能給予了引導和支持，我國抽水蓄能的發展迎來歷史性機遇，得到了飛速發展。可變速抽水蓄能、大容量超高水頭抽水蓄能、抽水蓄能與新能源聯合運行控制、海水抽水蓄能以及基于廢棄礦洞的抽水蓄能等技術成為研究重點。

1.1 基礎研究

針對變速機組的控制及運行問題，Gong等[5-6]提出了水泵工況啟動控制、低電壓穿越控制等方法，Chen等[7-8]提出了有功勵磁控制器與調速器協調控制、一次調頻控制策略和技術、有功無功快速控制等新方法。武漢大學與南方電網調峰調頻公司[9-10]通過實證研究，量化了機組變速性能、出力性能、效率性能和壓力脈動性能共性指標，揭示了可變速機組變速行為演化機理，闡明了變速運行壓力脈動“拐點”效應，明晰了定揚程條件下變速入力調節的“遷移三角形”規律。

圍繞風光等新能源與抽水蓄能結合發電的控制特性和系統優化，Yao等[11]提出了可變速海水抽蓄電站與海上風電聯合運行調度策略，優化計算了海水抽水蓄能電站的最優容量。楊森等[12]在粒子群萬有引力混合算法中引入混沌算法、慣性權重和改進步長因子，建立以經濟效益最大化為目標的風-光-抽水儲能聯合發電系統數學模型。Xu等[13]針對不同的風況(隨機風、梯度風和陣風)，從動態調節性能和互補特性的角度研究了抽水蓄能發電對間歇性風電注入的調節能力。王玨等[14]建立了反映抽水儲能機組過渡過程和雙饋風電機組特性的抽水儲能-風電聯合系統模型，探究了有功功率跟蹤和功率平滑模式的動態響應特性，并驗證抽水蓄能機組的功率調節補償性能。

圍繞水泵水輪機流動特性，Tao等[15]對水泵水輪機的不可逆流動能量耗散特性進行了可視化、跟蹤、量化和對比分析，指出有針對性地消除渦流、降低表面粗糙度和提高幾何流動適應性有助于提高水泵水輪機的能量轉換效率。Zhang等[16]分析了水泵水輪機內水流破壞和重組的全過程，提高了對水柱分離危險現象的認識。Gao等[17]根據水泵水輪機的完整特性曲線，建立了雙饋抽水蓄能快速高精度模型。張金鳳等[18]以提高水泵水輪機泵工況的效率與揚程為目標，用近似模型和改進PSO算法結合的方法對轉輪9個結構參數進行全局尋優。

針對廢棄礦井構建抽水蓄能地下水庫的問題，張慶賀等[19]以常規抽水蓄能電站主要工程結構為藍本，提出了淮南礦區沉陷區—地下洞室群抽水蓄能電站的構建模型。卞正富等[20]研究了水文地質與水化學特征及水循環過程對選址的影響，以及廢棄礦井地下空間巖體穩定性和密閉性對運行的影響。Shang等[21]開展了廢棄煤礦地下空間改造為抽水蓄能電站的指標評價體系研究，指出上下水庫的高差是影響最大的指標，其次為上下水庫庫容。另外，趙海鏡等[22]綜合考慮寒冷地區抽水蓄能電站水庫最大冰厚的影響因素，利用實測資料采用多元回歸方法建立了我國北方抽水蓄能電站最大冰厚計算公式。

1.2 關鍵技術

我國大型抽水蓄能電站工程建設技術取得了長足進步。大型抽水蓄能電站地下洞室群、水力系統快速機械化施工技術成熟應用，國產盾構機在2020年首次實現在抽水蓄能電站成功應用后，到2021年底已在8個抽水蓄能項目推廣應用。

超高水頭、超大容量抽水蓄能機組設計制造安裝技術取得新突破，國內單機容量最大(400 MW)700米級水頭的陽江抽水蓄能機組攻克了長短轉輪葉片與導葉匹配技術、雙鴿尾結構磁極技術、磁軛通風溝鍛件整體銑槽工藝、磁軛鴿尾槽預裝后整體銑槽工藝等新型制造和安裝技術，機組穩定性指標優越，達到國際領先水平。

抽水蓄能電動發電機技術取得新突破，分數極路比繞組技術在國內首次成功應用于黑龍江荒溝抽水蓄能電站，與常規繞組方式相比，可優化電站電氣系統配置，改善發電電動機性能，定子繞組布局合理，提高定子線棒剛強度，機組安裝與維護更方便。

抽水蓄能機組安裝及調試技術也取得新進步，梅州抽水蓄能電站在機組施工過程中通過安裝調試措施優化，創造了從項目開工至首臺機投產僅用時41個月的國內抽蓄建設工期新紀錄。

1.3 集成示范

2021年全國共建設投產了敦化、荒溝、周寧、沂蒙、長龍山、梅州、陽江、豐寧8座抽水蓄能電站。敦化蓄能電站在國內首次實現700米級超高水頭、高轉速、大容量抽水蓄能機組的完全自主研發、設計和制造，成功建設嚴寒地區抽水蓄能電站首個瀝青混凝土心墻堆石壩;長龍山蓄能電站最大發電水頭(756 m)、機組額定轉速(5號6號機組600 r/min)、高壓鋼岔管HD值(4800 m×m)均為世界第一;黑龍江荒溝電站填補國內空白的技術創新成果——“分數極路比”繞組技術;沂蒙電站1號、2號機組投產發電，是首例高轉速“零配重”抽水蓄能機組;梅州蓄能電站主體工程創造了國內抽水蓄能電站最短建設工期紀錄的同時，機組運行穩定性在國內首次實現了三導軸承擺度精度達到0.05 mm;陽江蓄能電站實現了40萬千瓦級單機容量、700 m高水頭抽蓄機組全自主化制造，電站水道是世界首條800 m級水頭的鋼筋混凝土襯砌水道;豐寧蓄能電站是世界裝機容量最大的抽水蓄能電站，在國內首次引進使用變速機組技術。

南方電網調峰調頻公司等多家單位建設了國內外首臺完備的水-機-電-控制系統的可變速抽水蓄能動態特性實驗裝置，建設了變速抽水蓄能仿真平臺，實現了國內可變速抽蓄技術的集成示范應用，深入研究了10 MW級可變速海水抽水蓄能機組關鍵技術。

2 壓縮空氣儲能

壓縮空氣儲能技術具有儲能容量大、儲能周期長、系統效率高、運行壽命長、比投資小等優點，被認為是最具有廣闊發展前景的大規模儲能技術之一。2021年，我國壓縮空氣儲能技術取得了里程碑式的發展，在系統特性分析、壓縮機和膨脹機關鍵技術、10～100 MW集成示范等方面均取得重要進展。

2.1 基礎研究

在系統特性分析與優化方法方面，Guo等[23]建立超臨界壓縮空氣儲能系統各個部件的動態模型，研究系統的容腔效應、熱慣性的影響規律，進而提出系統運行的控制方法，提升了系統的響應特性。Chen等[24]通過對儲熱系統優化設計使蓄熱式壓縮空氣儲能循環效率得到提升。通過調節運行參數，實現了蓄熱式壓縮空氣儲能系統冷熱電三聯供。Dzido等[25]研究了液態空氣儲能中冷能的回收利用對系統性能的影響，研究發現不同的液化工藝流程及釋能壓力對系統循環效率存在影響。?損分析表明，系統?損最大的為節流損失。Guo等[26]通過理論分析得到了水下壓縮空氣儲能系統的熱力學特性，研究得到水下壓縮空氣儲能系統的效率可達70.7%，降低部件?損的優化順序為膨脹機前換熱器、膨脹機、壓縮機末級、低溫蓄熱罐。Chen等[27]研究了等溫壓縮空氣儲能的系統特性，系統循環效率最高可達76%。Mucci等[28]研究了小型壓縮空氣儲能系統性能，研究發現通過對壓縮機、膨脹機的轉速調節、壓力閥門控制等方法，能夠提升系統效率并降低成本。

在壓縮機內流特性與寬工況調節方面，Liang等[29]在對離心式壓縮機進行數值模擬的基礎上，結合改進的二區模型和低稠度葉片擴壓器(LSVD)設計方法，完成了整體齒式(IGC)壓縮機第一級的氣動設計，多變效率可達91.0%。張丹等[30]研究了軸流式壓縮機動靜葉彎參數耦合特征對角區分離和激波的影響并進行優化設計，使失速裕度提升了60.56%。Sun等[31-32]在壓縮機中引入濕壓縮方法，研究了該方法對壓縮機性能的影響特性及汽霧顆粒的運動規律，發現設計工況下壓縮機耗功可降低1.47%。孟沖等[33]發現采用進口導葉調節可以使工作流量范圍擴大30.4%，壓比范圍擴大427.4%。 Guo等[34]實驗研究了可調導葉和可調擴壓器對壓縮機性能的影響規律，發現二者聯合調節能夠使壓縮機效率最高提高1.2%，并獲得了聯合調節策略。

在膨脹機內流特性與高效調節方面，Wang等[35]分析了壓縮空氣儲能閉式和半開式向心膨脹機內部三維流場結構，揭示了流動損失機理。孫冠珂等[36-37]對膨脹機進氣結構內部的二次流漩渦結構開展了研究并揭示了流動損失機理。此外，現有研究也分別對膨脹機閉式葉輪輪蓋空腔間隙泄漏流[38-39]、輪背空腔泄漏流[40]、半開式葉頂間隙泄漏流[41]等開展分析，并提出了多元耦合流動控制方法[42]、葉片三維造型[43-44]、新型輪背空腔泄漏流密封結構[45]、集氣室表面局部低粗糙度流動控制法[46]等流場優化方法，有效提高了膨脹機效率。針對壓縮空氣儲能膨脹機非穩態運行工況，劉祖煜等[47]對啟動過程下膨脹機內部流動損失特性開展研究，揭示了其內部通道分離渦與前緣渦演化規律。李輝等[48]研究了多級膨脹機級間耦合下膨脹機可調導葉內部流場結構與損失特征。劉棟等[49]對多級再熱式向心渦輪第一、三級導葉開度采用聯調方式，發現該方法能夠擴大多級渦輪流量和總出功的調節范圍。

在蓄熱換熱器傳蓄熱特性方面，Liao等[50]和Li等[51]通過研究流量、壓力等對填充床蓄冷單元的影響，得到了優化運行參數，同時利用液體透平回收超臨界空氣儲能過程的能量，使系統循環效率進一步提升10%。Zhang等[52]將壓縮熱與太陽能熱利用結合，構建一種有封裝相變材料的級聯填充床梯級儲熱單元，實現了不同溫度熱能的梯級利用，使系統效率有所提升。液態空氣儲能中冷能的回收利用對系統性能具有重要的影響，通過構建液體空氣儲能系統的多種結構，采用多組分流體循環回收系統的冷能，可提升系統效率2.3%[53]。在液態空氣存儲罐中會液體分層現象，Heo等[54]根據液空溫度和其中氧成分濃度定義了分層發生的條件，評估了分層穩定性比和穩定性圖譜，利用液氣儲罐內部分層的操作策略，可以最大限度地減少儲罐內液氣的蒸發氣體。

在壓縮空氣儲能系統與其他系統耦合研究方面，Fu等[55]將蓄熱式壓縮空氣儲能與有機朗肯循環耦合系統，將系統中多余的壓縮熱用來驅動有機朗肯循環，并采用變結構實現壓縮與膨脹單元的壓力調節，使該系統的最大效率達70.5%。Alirahmi等[56]將壓縮空氣儲能與太陽熱能、海水淡化耦合構成新型能源系統并分析其技術經濟性，結果表明該系統可以提供電力調峰以及淡水系統的投資回報期為2.65年。Li等[57]開展了蓄熱式壓縮空氣儲能系統全生命周期技術經濟和環境優化分析，較好評估了系統的度電成本及其對環境的影響，同時通過對壓縮空氣儲能系統全生命周期環境影響評估，得到各個環節折合CO2排放及能源與水消耗，獲得了其全生命周期環境影響特性。

2.2 關鍵技術

壓縮空氣儲能的關鍵技術主要包括壓縮機技術、蓄熱換熱器技術、膨脹機技術、系統集成與控制技術等。

2021年，中國科學院工程熱物理所依托國家能源大規模物理儲能研發中心建成了壓縮機實驗與檢測平臺，測試平臺系統壓力測量范圍0.5～110 bar (1 bar=0.1 MPa)，轉速測量范圍0～40000 r/min，功率測量范圍0～10 MW，具有開展單/多級壓縮機氣體動力學、力學性能、壓縮機與換熱設備的耦合特性、壓縮系統變工況控制規律、壓縮系統性能檢測以及特殊工質壓縮機性能等功能。依托該實驗平臺，中國科學院工程熱物理所研制了10 MW先進壓縮空氣儲能系統用10 MW級六級間冷離心式壓縮機(最大工作壓力10 MPa，效率為86.3%)、10 MW級四級再熱組合式透平膨脹級(最大入口壓力為7 MPa，效率為88.2%)、高效超臨界蓄熱換熱器(蓄熱量達68 GJ，蓄熱效率為97.3%)，并應用于肥城10 MW鹽穴壓縮空氣儲能商業電站。

中國科學院工程熱物理所還攻克了100 MW級先進壓縮空氣儲能系統的寬工況組合式壓縮機技術、高負荷軸流式膨脹機技術、高效蓄熱換熱器技術，以及系統集成與控制技術，研制出國際首套100 MW系統壓縮機、膨脹機和蓄熱換熱器，目前正在開展張家口示范系統的集成調試。

2.3 集成示范

2021年，壓縮空氣儲能示范項目取得了多個里程碑式的進展。中國科學院工程熱物理所于2021年8月在山東肥城建成了國際首套10 MW鹽穴先進壓縮空氣儲能商業示范電站，順利通過項目驗收，并正式并網發電商業運行，系統效率達到60.7%，創造了新的世界紀錄。位于貴州畢節的集氣裝置儲氣10 MW先進壓縮空氣儲能系統于2021年10月完成并網發電。江蘇金壇建設了60 MW/300 MW·h鹽穴壓縮空氣儲能示范項目，并于2021年10月開展了并網試驗。中國科學院工程熱物理所在張家口市建設的國際首套100 MW先進壓縮空氣儲能國家示范項目，已經完成關鍵部件研制和系統集成安裝，并于2021年12月底順利并網，開始進入系統帶電調試階段，成為我國壓縮空氣儲能技術新的里程碑。

3 儲熱儲冷

儲熱儲冷技術具有規模大、成本低、壽命長等優點，在電力、建筑、工業等領域得到廣泛應用。根據存儲方式不同，儲熱儲冷技術可分為顯熱、潛熱和熱化學儲熱三類。2021年，我國學者在儲熱材料物性調控機理、儲熱換熱特性與強化、儲熱材料制備技術、系統控制與優化技術、系統集成示范等方面，取得了重要進展。

3.1 基礎研究

在儲熱材料物性調控及其機理方面，形成從量子力學到牛頓力學，從納米尺度到宏觀的多尺度研究手段。基于第一性原理對物質電子和晶格的熱運動規律進行研究，得到材料物性的調控方法;采用分子動力學對物質原子體系行為進行研究，得到物質的微觀熱物性機理，尤其是揭示了熱化學儲熱的核殼結構[58]。在溫度對能壘的作用，材料原子間相互作用，熱作用下晶格振動和電子運動規律等的研究方面取得了較大進展。研究了新工質和維持多孔物理吸附材料反應活性和吸附循環熱穩定性的方法;利用相圖理論發展了低熔點高分解溫度混合熔鹽的設計方法[59]。

儲熱換熱特性與機理方面，在相變材料中添加一維到三維的納米尺度高導熱材料，形成熱輸運通道和增加聲子傳輸能力。Tian等[60]開展了利用莫里定律的仿生儲熱換熱研究;Yao等[61]基于拓撲優化方法獲得儲熱換熱器新結構;Yu等[62]研發了熔鹽納米流體的比熱容提升和對流傳熱強化特性，熔鹽納米流體的比熱容提升和對流傳熱強化機理等;Lin等[63]研究了新型噴淋式填充床內滲流流動及儲熱特性;文獻[64-66]研究了多種水合鹽類、糖醇類和石蠟類儲釋熱性能，并且開展多種復合強化、微膠囊化、翅片增強等方法研究;Chen等[67]研究了相變材料儲釋熱過程體積變化產生的縮孔縮松特征及其影響。Feng等[68]在吸附式儲熱儲冷方面、新工質和維持多孔物理吸附材料反應活性、吸附循環熱穩定性等方面有較多研究。

3.2 關鍵技術

在儲熱儲冷材料制備技術方面，基于碳化硅、黑剛玉與高嶺土等材料研制出可在1100 ℃條件下安全使用的儲熱陶瓷顆粒材料[69];在熔鹽儲熱材料方面，重點開展了低熔點二元熔鹽、低熔點高溫三元熔鹽體系研究[70]。Guo等[71]研發了堿金屬和堿土金屬的氯化物熔鹽體系，實現了700 ℃下氯化物熔鹽對316不銹鋼的腐蝕速率低于205.37 μm/年;還開展了復合相變、定形相變和仿生相變儲熱材料研究，提出了基于納米顆粒、多孔仿生陶瓷、共晶鹽體系的比熱容和熱導率協同提升方法，導熱系數可達116 W/(mK)[71];在太陽能熱化學儲熱方面，韓翔宇等[72]開展了Co3O4/CoO等金屬氧化物反應物體系和鈣基熱化學儲熱的動力學研究;Liu等[73]實現了太陽能直接驅動光熱轉換與熱化學儲熱一體化。

在儲熱儲冷裝置設計技術方面，賀明飛等[74]研究了大容量長周期跨季節儲熱，進行了蓄熱水體承重浮頂熱力耦合特性和逆斜溫層控制技術研究;Guo等[75]研究了土壤跨季節儲熱的傳蓄熱機理和結構參數;Zhu等[76]和Liu等[77]研究了換熱器、熱管等相變儲冷儲熱強化技術，Chen等[78]開展了高效動態冰漿蓄冷換熱性能研究與性能優化等。

在系統控制與優化方面，研究人員[79-82]開展了儲熱儲冷應用于太陽能熱發電、火電調峰、風電消納、分布式能源系統等領域的能源系統設計、參數優化和運行調控策略等方面研究;張涵等[83]研究了熱泵儲電、卡諾電池等以熱能和冷能存儲電能的新型儲能系統;林釀志等[84]和徐德厚等[85]開展了基于水體和土壤等方式的大容量長周期跨季節儲熱研究，建立了考慮技術經濟性的儲熱供熱系統性能分析方法。

3.3 集成示范

在儲熱集成示范方面，2021年度在敦煌建成了采用熔鹽儲熱的50 MW線性菲涅爾式太陽能熱發電站，熱熔鹽溫度550 ℃，冷熔鹽溫度290 ℃，熔鹽儲熱可發電750 MW·h;在新疆哈密建成了50 MW熔鹽塔式光熱發電，采用熔鹽儲熱可實現12 h連續發電;在河北黃帝城建成1.06萬m3水體儲熱的太陽能儲熱采暖項目，在北京建立了50 kW/500 kW·h中低溫熱化學儲熱中試系統;在張家口建成100 MW亞臨界水蓄熱子系統應用于100 MW先進壓縮空氣儲能系統;在張家口應用水合鹽相變材料實現為冬奧會轉播中心供暖。江蘇金合公司己實現中高溫復合相變材料及其系統技術(450～750 ℃)的規模化應用。

在儲冷集成示范方面，在北京環球影城建成三聯供系統耦合冰蓄冷系統，每年冰蓄冷系統“移峰填谷”的電量可達630萬 kW·h;北京用友軟件園采用冰儲冷技術，為18.5萬 m2建筑供熱供冷;相變儲冷材料、裝備和系統研究進展迅速，基于相變材料的冷鏈運輸技術已獲得應用[84]。

4 飛輪儲能

飛輪儲能具有功率密度較高、充放電次數高、工作環境要求低、無污染等特點，在短時高頻領域具有很好的應用前景。2021年，國內飛輪儲能行業在基礎研究、關鍵技術和集成示范方面均取得了重要進展。

4.1 基礎研究

基礎研究方面，國內學者在飛輪材料、電機損耗、動力學及控制等方面取得進展。洛陽船舶材料研究所宋金鵬等[86]通過對復合材料進行拉伸性能試驗，建立了復合材料儲能飛輪力學模型。中國科學院工程熱物理研究所戴興建等[87]進行了高強合金鋼飛輪轉子材料結構分析，表明了合金鋼飛輪的安全性和經濟性。江蘇大學孫玉坤等[88]進行了高速永磁同步電機損耗分析與優化，結果表明徑向分段和Halbach充磁方式均能大幅度降低永磁體渦流損耗。清華大學賈翔宇等[89]分析了接觸參數對儲能飛輪轉子碰摩行為的影響，為優化系統接觸參數、提升系統穩定性提供依據。哈爾濱工程大學任正義等[90]探究了接觸應力對飛輪轉子動力特性的影響，結果表明不同的過盈量對轉子系統的模態有很大的影響;同時還進行了剛性飛輪轉子-基礎耦合系統的徑向振動分析。西安電子科技大學Xiang等[91]探究了飛輪儲能系統充放電過程控制，提出了一種復合控制模型，以提高響應速度和輸出電壓精度。

4.2 關鍵技術

關鍵技術方面，國內學者的研究重點在大儲能量飛輪本體、高速電機和調節控制技術等方面。中國科學院工程熱物理研究所突破了大儲能量飛輪及高速電機關鍵技術，完成了500 kW/180 MJ飛輪儲能工程樣機方案設計及關鍵部件研制。武漢理工大學劉鳴等[92]進行了磁懸浮飛輪中位移檢測信號工頻干擾分析及消除研究，提出一種變步長算法進行濾波處理和擾動消除可達到實時消除工頻干擾的效果。陳仲偉等[93]基于雙饋電機驅動的飛輪儲能多功能柔性功率調節器(FPC)設計了一套勵磁控制系統，該系統能夠實現軟啟動，適合于帶飛輪儲能的雙饋電機勵磁控制系統。沈舒楠等[94]為解決飛輪儲能用電機齒槽轉矩大，高速運行時鐵芯損耗高的問題，提出一種外轉子無鐵芯無軸承永磁同步電機，相較于傳統的有鐵芯電機運行穩定性更好。由中海油新能源二連浩特風電有限公司牽頭，中國科學院工程熱物理研究所、清華大學等單位參與的內蒙古自治區重大專項“MW級先進飛輪儲能關鍵技術研究”完成了系統方案設計及工程樣機研制，預計將于2022年并網發電。

4.3 集成示范

集成示范方面，國內多個示范項目在2021年取得了突破。華陽集團兩套單機600 kW全磁懸浮飛輪儲能系統成功下線，將用于深圳地鐵再生制動能量回收。由沈陽微控新能源技術有限公司承建的風電場站一次調頻和慣量響應的飛輪儲能應用項目順利通過并網前驗收，該項目坐落于大唐國際阜新風電場。國家能源集團寧夏電力靈武公司光火儲耦合22 MW/4.5 MW·h飛輪儲能項目開工，該項目是國內第一個全容量飛輪儲能-火電聯合調頻工程，實現大功率飛輪單體工程應用。國電投坎德拉(北京)新能源有限公司MW級飛輪儲能系統成功交付，該項目飛輪儲能系統規模為1 MW/200 kW·h，將應用于霍林河循環經濟的“源網荷儲用”示范項目大規模混合儲能系統。

5 鉛蓄電池

鉛蓄電池的特點是技術成熟、成本低、安全可靠，但是放電功率較低、壽命較短，鉛蓄電池的研發主要集中于鉛炭電池，通過在負極添加高活性的碳材料，可以有效抑制部分荷電態下因負極硫酸鹽化引起的容量快速衰減，并可以提高電池的快速充放電能力。

5.1 基礎研究

如何平衡好碳材料的兩面性，使其既能改善負極孔結構，抑制硫酸鹽化，提升大電流充電接受能力，充分發揮其延長電池壽命的優勢，又能使負極保持較高的析氫過電位，抑制析氫失水的負面作用，是近幾年基礎研究的主要方向。目前研究主要包括碳材料對負極活性物質的作用機理、電化學效應、結構特性，碳添加于負極活性物質的工藝、高倍率部分荷電態性能等方面。中國科學院福建物質結構所陳遠強[95-96]分別采用聚吡咯/炭黑復合材料和聚苯胺/木素復合膨脹劑，以改善負極析氫問題及不可逆“硫酸鹽化”問題，最終顯著提高了鉛酸電池的循環壽命，其中采用聚吡咯(PPy)/炭黑(CB)復合材料電池循環壽命可達7578次，比對照組的電池(負極只添加CB)提高了約109%。

5.2 關鍵技術

高電化學活性和鉛炭兼容的新型碳材料方面，開發了適用于硫酸環境、大孔和中孔結構合理、高的比表面利用率和良好的離子電導性的新型碳材料，良好的鉛炭相容性，使負極具備較高的析氫過電位，抑制析氫失水的副反應。

在寬溫區、超長壽命、高能量轉換效率、低成本的鉛炭儲能電池方面，開發了負極長循環配方技術，抑制硫酸鹽化。開發更耐腐蝕的正極板柵合金，提升正極耐腐蝕壽命，并改善合金表面氧化層，提高界面導電性。

在高電壓大容量系統集成技術方面，實現了電池系統電壓高于1500 V，單簇系統容量高于3 MW·h，系統能量轉換效率不低于90%。

在鉛炭儲能系統集成技術及智能管理技術方面，突破了充放電智能管理技術，使電池運行在合理的區間內，并延長系統使用壽命。

5.3 集成示范

與鋰離子電池相比，鉛炭電池的充放電速度慢，一般需要6～8 h以上才能實現容量的有效利用，而且能量密度低。鉛炭電池在經過幾年的快速發展后目前趨于沉寂，但安全性高、回收率高的特點使其在場地要求不高、有較長的充放電工作周期等場合仍然是有競爭力的儲能技術。2021年，中國鐵塔和中國聯通通過公開招標，分別采購了1.097 GW·h和1.089 GW·h鉛酸鉛炭電池。2020年并網的雉城(金陵變)12 MW/48 MW·h鉛炭儲能項目已實現正式運行。

6 鋰離子電池

鋰離子電池具有儲能密度高、充放電效率高、響應速度快、產業鏈完整等優點，是最近幾年發展最快的電化學儲能技術。2021年，我國鋰離子電池技術在基礎研究、關鍵技術、系統集成等方面均取得了一系列重要進展。

6.1 基礎研究

基礎研究方面，關鍵電池材料和固態電池設計是當前研發的熱點。在關鍵電池材料方面，復旦大學Shi等[97]成功研制了高性能的纖維鋰離子電池，通過揭示纖維鋰離子電池內阻隨長度的變化規律，構建出可以編織到紡織品中的新型纖維聚合物鋰離子電池。北京大學Liu等[98]提出了LiNi α Mn β X γ O2(X為單個或多個元素摻雜)無Co正極候選材料。中國科學院物理研究所Yue等[99]報道了溶解氣體CO2作為界面形成添加劑，在保證鹽包水電解質的寬電化學穩定性窗口的前提下，減小了鋰鹽濃度帶來的高成本問題。新型固態電解質開發方面，中國科技大學Wang等[100]報道了Li2ZrCl6新型電解質體系，成本較低，可以液相法制備。航天811所Gao等[101]研制出高電化學穩定性低成本的Li3Zr2Si2PO12，離子電導率達到了3.59 ×10-3 S/cm (20 ℃)。吉林大學Chi等[102]研制了超薄、高離子電導、高穩定性的鋰離子交換沸石X(LiX)固態電解質膜(LiXZM)。這三類固態電解質材料具有重要的應用價值，對于推動固態電池的發展具有十分重要的意義。

6.2 關鍵技術

在關鍵技術方面，正負極材料、快充技術、半固態電池技術等是當前技術研發的重點。在正極材料方面，從短期發展來看，高鎳主流材料為NCM811，隨著對能量密度要求的進一步提升，Ni88、Ni90、Ni92 等正極材料已實現研發和量產，Ni96等超高鎳產品(鎳含量≥90%)正在研發中。高鎳/超高鎳搭配硅碳新型負極，電芯的質量能量密度達到了350～400 W·h/kg。在負極材料方面，納米硅碳負極材料實現了高首效、長壽命、低膨脹。在快充技術方面，蜂巢新能源宣稱通過革新鋰電池正負極、電解液等關鍵材料，可實現充電10 min，續航400 km。在半固態電池研發方面，蔚來發布了基于原位固態化技術的 150 kW·h的動力鋰電池技術，電芯能量密度達360 W·h/kg以上，使得搭載該電池的ET7轎車單次充電續航達到1000 km以上。北京衛藍新能源與浙江鋒鋰開發的混合固液電解質鋰離子儲能電池也達到了一萬次的循環壽命，并實現了100 kW·h的小型儲能系統的示范。

6.3 集成示范

在系統集成方面，無模組技術(CTP，cell to pack)與比亞迪刀片電池的推廣，實現了磷酸鐵鋰系統能量密度提升到150 W·h/kg以上，并兼顧安全性。寧德時代在晉江建設的36 MW/108 MW·h基于鋰補償技術的磷酸鐵鋰儲能電池壽命達到1萬次，在福建省調頻和調峰應用方面取得了較好的應用效果。此外，寧德時代推出了將鋰離子電池和鈉離子電池集成到同一系統中的解決方案。蔚來汽車發布了三元正極與磷酸鐵鋰電芯混合排布的新電池包(75 kW·h)，構成雙體系電池系統，可實現低溫續航損失降低25%，也有望未來用于規模儲能系統。

7 液流電池

液流電池具有安全性高、壽命長、規模大等優點，在大規模儲能領域具有良好的應用前景。據美國DOE預計，在儲能時長為4～10 h的電網規模儲能方面，液流電池儲能技術將具有比較優勢。2021年，我國在液流電池研發領域開展了卓有成效的工作，并取得了重要的進展。

7.1 基礎研究

探索開發低成本、高能量密度的長壽命液流電池新體系，對于實現液流電池未來可持續發展具有較為重要的意義[103]。國內多家單位包括中國科學院大連化學物理研究所、中國科學技術大學、南京大學、西安交通大學、華南理工大學、西湖大學、中國科學院金屬所等開展了包括有機系、多電子轉移水系的液流電池新體系的開發工作。西湖大學Xu等[104]利用分子工程修飾了吩嗪類有機氧化還原電對，基于此電對所構建的水系有機液流電池具有良好的穩定性。除有機外，以中國科學院為代表單位開展高能量密度多電子轉移水系液流電池的開發工作，開發出包括鋅錳[105]、鋅碘[106]、鈦錳[107]等多個體系(鋅錳和鋅碘的研究是2020年及以前的)。中國科學院大連化學物理研究所Li等[108-109]首次引入機器學習方法用于預測全釩液流電池成本和性能，并建立液流電池用多孔膜溶劑處理后的性能預測模型。盡管如此，以上體系仍存在許多關鍵科學與技術問題需要解決[110-111]。

7.2 關鍵技術

面對雙碳背景下新型電力系統對儲能的重大需求，2021年我國在液流電池領域技術研發領域投入明顯增加。以中國科學院大連化學物理研究所、大連融科儲能技術發展有限公司、北京普能公司為代表的單位在新一代高功率密度全釩液流電池關鍵電堆技術以及高能量密度鋅基液流電池等方面取得重要進展。開發出新一代可焊接全釩液流電池技術，較傳統全釩液流電池，其膜材料選擇可焊接多孔離子傳導膜，雙極板采用可焊接雙極板，實現電堆的高效、自動化集成，系統可靠性進一步提高，電堆成本降低40%;全釩液流電池的單個電堆功率超過50 kW，單個儲能標準模組的功率達到500 kW，有望繼續增加到1 MW，這為降低系統集成成本、進一步推進液流電池產業化應用具有重要的意義。此外其他體系包括鋅基液流電池和鐵鉻液流電池等也取得重要成果，相繼開展了相關應用示范。

7.3 集成示范

近年來隨著電網側對大規模、高安全、長時儲能技術的需求急劇增加，吸引了大量研究單位和企業從事全釩液流電池產業化的開發。國內完成了多個標志性全釩液流電池儲能電站示范項目，其中，融科儲能兩套10 MW/40 MW·h網源友好型風場項目投運，北京普能交付了一套光伏、儲能戶外實證實驗平臺國家光伏、儲能實證實驗平臺(大慶基地)的全釩液流電池儲能系統，大連200 MW/800 MW·h全釩液流電池儲能調峰電站一期工程完成主體工程建設，進入單體模塊調試階段。此外，近期國內簽約落地多個100 MW級全釩液流電池電站，國電投集團襄陽100 MW/500 MW·h，中廣核100 MW/200 MW·h全釩液流電池儲能電站等。

8 鈉離子電池

鈉離子電池是最接近鋰離子電池的化學儲能技術，雖然在儲能密度、技術成熟度等方面同鋰離子電池還有差距，但由于其資源豐富、低溫性能好、充放電速度快等優點，特別是隨著鋰資源問題熱度的提高，鈉離子電池得到了儲能領域的高度關注。2021年，我國鈉離子電池在基礎研究、技術水平和產業化方面，均取得了快速發展。

8.1 基礎研究

正極、負極和電解質材料作為鈉離子電池的關鍵材料是當前基礎研究的熱點方向[112-113]。正極材料研究主要分為三類：一是層狀過渡金屬氧化物(Na x MO2)，其可逆比容量高達190 mA·h/g，平均放電電壓一般為2.8～3.3 V，制備方法簡單，是工程化開發的首選正極材料體系[114]，研究發現陰離子氧化還原的引入可進一步提升材料的比容量[115];二是聚陰離子類化合物，其具有開放的鈉離子擴散通道，平均電壓高達3.7 V，最具代表性的為氟磷酸釩鈉，其可逆比容量約120 mA·h/g，可實現室溫規模合成[116]，是一類重要的候選正極材料;三是普魯士藍類正極材料，其優點包括可低溫合成、平均電壓可達3.4 V，可逆比容量為100～160 mA·h/g，具有低成本化潛力，目前研究較多的為鐵氰化物類[117]，但該類材料結晶水難以去除，壓實密度較低，制備過程污染大、規模化應用還面臨一定難度。

在負極材料方面，目前接近實用化的是硬碳材料。無定形碳基材料因資源豐富、綜合性能優異，有望近期實現應用[118-119]。零應變鈦基材料也獲得廣泛關注，其中Na0.66[Li0.22Ti0.78]O2的可逆比容量約110 mA·h/g，循環性能優異[120]。其他合金和轉換類負極因體積形變較大，有機類負極因溶解等問題短期內尚難以實現應用[121]。

在電解質方面，目前仍沿用鋰離子電池在有機溶劑中加入鹽和添加劑的配方，因鈉離子具有較低的溶劑化能，使得使用低鹽濃度電解液進一步降低電池成本成為可能[122-123]。此外，在正負極材料與電解質間獲得離子傳輸性能好且電子絕緣的薄而致密的固體電解質界面膜也是研究的熱點和重點[124]。

8.2 關鍵技術

中國科學院物理所、寧德時代、上海交通大學等單位長期致力于鈉離子電池技術研發與產業化，在正極、負極、電解質等關鍵材料以及鈉離子電芯和應用系統等方面取得多項研究成果。2021年，我國鈉離子電池單體電池和電池系統關鍵技術方面取得了多項重要進展，包括低成本及高性能正負極核心材料制備放大技術、電解液/隔膜體系優選技術、電芯安全可靠性設計技術、高安全、高倍率和寬溫電芯設計制造技術、電池正負極材料的評價技術、大圓柱及大方形鋁殼電芯的制造工藝技術、電池的安全性設計與評價技術、電池大規模篩選及成組技術等，并建立了失效分析數據庫。鈉離子電池的能量密度已達到145 W·h/kg;2C/2C倍率下循環4500次后容量保持率>83%[125-126]。2021年，中科海鈉、鈉創新能源等企業建成了百噸級鈉離子電池正極、負極和電解液材料中試生產線，中科海鈉還正在建設千噸級負極材料生產線和電芯線。寧德時代(CATL)發布了鈉離子電池技術，該技術以普魯士白為正極、硬碳為負極，預計能量密度可達160 W·h/kg，引起儲能領域廣泛關注。

8.3 集成示范

2021年，在中國科學院A類戰略性先導科技專項大規模儲能關鍵技術與應用示范項目的支持下，中國科學院物理所與中科海鈉在山西太原綜改區推出了全球首套1 MW·h鈉離子電池光儲充智能微網示范系統，并成功投入運行。此次鈉離子電池示范系統的研制成功，以及寧德時代鈉離子電池技術的發布，標志著我國鈉離子電池技術已走在了世界前列。中科海鈉、鈉創新能源、佰思格、眾鈉科技等鈉離子電池初創企業也順利完成其融資計劃，為鈉離子電池產業發展奠定了良好的基礎。

9 超級電容器

超級電容器是一種重要的功率型儲能器件，具有功率密度高、循環壽命長、充放電速度快等優點，在智能電網、軌道交通、新能源汽車、工業裝備以及消費類電子產品等領域具有重要的應用市場。2021年，我國在超級電容器的基礎研究、單體制備技術、成組管控技術、系統集成與應用等方面取得了重要進展。

9.1 基礎研究

電極材料、水系超級電容器、柔性超級電容器、金屬離子電容器等是目前超級電容器基礎研究的重點方向[127-128]。在電極材料方面，石墨烯或石墨烯復合材料仍然是研究的熱點。中國科學技術大學Wu等[129]利用電化學石英晶體微天平技術研究了溶劑化離子液體在單層石墨烯表面的電化學雙電層響應機制。MXene作為一種新型二維過渡金屬碳化物，具有超高的導電性、高的理論比容量以及高本征密度等特點。天津大學Wu等[130]利用MXene水凝膠構建柔性多孔膜實現高倍率致密儲能，在功率密度高達41.5 kW/L時，基于電極材料的能量密度仍能保持21 W·h/L，是目前文獻報道的水系對稱型超級電容器的最高值。金屬離子電容器包括鋰離子電容器、鈉離子電容器、鉀離子電容器和鋅離子電容器等，由于金屬離子電容器具有更高的能量密度被譽為是下一代超級電容器，備受研究人員關注。中國科學院電工研究所An等[131]提出了一種基于自蔓延高溫合成規模化制備石墨烯/碳復合材料的通用方法，通過正負極碳材料同時修飾石墨烯后比容量和倍率都得到提升，并基于此研制出1100 F軟包裝鋰離子電容器，基于器件質量的能量密度高達31.5 W·h/kg，優于目前已商業化的鋰離子電容器。

9.2 關鍵技術

在活性炭材料制備技術方面，河南大潮炭能科技公司等開發出木質活性炭功能化定向調控關鍵技術，圍繞活性炭有效孔結構和表面活性中心定向調控，突破了水蒸氣梯級活化、熱解自活化、催化活化和氣氛介導綠色活化等關鍵技術。

在集流體技術方面，清華大學聯合中天科技等公司，建立了物理沉積鋁-氧化去除模板-梯度退火的泡沫鋁制備技術路線，搭建了國際首套連續沉積、一體化制備裝備與生產線，實現了寬幅達500 mm、厚度1～2 mm泡沫鋁的產線制備，在超級電容器、高功率鋰離子電池等領域具有重要的應用前景。

在負極技術方面，中國科學院電工研究所Sun等[132]融合內部短路預嵌鋰和電化學預嵌鋰，提出了一種新的電化學負極預嵌鋰方法可以大幅縮短預嵌鋰時間、提高預嵌鋰效率。復旦大學Yin等[133]開發出TiNb2O7與石墨復合的高功率負極，配合優化的電解液技術，實現了-60～55 ℃全氣候溫區工作的鋰離子電容器。

9.3 集成示范

2021年，國網江蘇省電力有限公司自主研制的國內首套變電站超級電容微儲能裝置在南京江北新區110 kV虎橋變電站投運，超級電容器由烯晶碳能電子科技無錫有限公司提供;西安合容新能源科技有限公司制備的超級電容器儲能系統應用于連云港自貿區-直流電壓波動治理系統，該超級電容器儲能系統是國內首次針對直流微網的應用。此外，超級電容器在新能源交通領域也取得了示范應用，由中國船舶重工集團公司設計研發的全國首艘超級電容新能源車客渡船下水試航，采用的上海奧威科技開發有限公司的超級電容器作為船舶動力電源。全球首批335 t智能無人魚雷車在大連華銳重工集團交付，項目采用了上海奧威科技研發生產的超級電容作為動力電源。

10 其他新技術

除以上儲能技術外，研究者們開展了多種儲能新概念、新材料和新體系的探索與研究，發展了系列儲能新體系，為規模儲能應用提供了可能的技術選項。近年來，具有代表性的有液態金屬電池、多價金屬離子電池、水系電池等，這里做簡要介紹。

10.1 液態金屬電池

液態金屬電池采用液態金屬和熔融無機鹽作為電極和電解質，具有長壽命、低成本、易放大等優勢，在規模電力儲能應用領域具有廣闊前景。近年來，液態金屬電池技術得到研究者的廣泛關注。針對傳統Sb基電極運行溫度高，材料利用率低的問題，2014年NATURE[134]報道了基于合金化電極設計思路的新型Li||SbPb電池體系，將工作溫度從700 ℃降至450 ℃，有效推動了液態金屬電池的實用化。2016年，華中科技大學Li等[135-136]提出了環境友好的Li||SbSn液態金屬電池新體系，揭示了液態合金電極的放電機制，設計實現了高電壓Li||TeSn體系[137]和高比能Li||Sb固液復合電池新體系[138]，實現了電極體系能量密度的重大突破(495 W·h/kg)。同時，西安交通大學與北京科技大學等團隊[139-140]在液態金屬電池創新材料體系等方面開展了系列研究，開發了Li||BiSb、Li||BiSbSn等液態金屬電池新材料體系。2018年以來，華中科技大學等單位在國家重點研發計劃項目“液態金屬儲能技術關鍵技術研究”的支持下，研究團隊在電池特性與系統構建方面開展了深入研究，建立多場耦合大尺寸液-液界面的動態特性模型，提出大容量電池界面穩定調控技術，實現了電池容量從2 A·h到400 A·h的放大;開發了表面陶瓷金屬梯度化設計工藝，突破了液態金屬電池高溫密封絕緣關鍵技術，實現了大容量電池的長效封裝;針對液態金屬電池低電壓、大電流特性，提出了雙等效電路融合模型，建立了包含模型參數與SOC作為可估計狀態的狀態空間方程，實現了液態金屬電池SOC的精準估計[141-142];在電池系統構建方面，構建了5.5 kW·h的電池組三維傳熱模塊耦合一維電化學模型[143]，實現了5 kW/18 kW·h液態金屬電池儲能系統，為液態金屬電池儲能技術的應用發展提供了支撐。

10.2 多價金屬離子電池

多價金屬離子電池主要包括了鎂、鋁和鋅離子電池等。這類電池充放電過程中的陽離子脫嵌伴隨著多個電子轉移，且鎂、鋁與鋅等元素在地殼中儲量豐富、成本低廉、清潔環保，在規模儲能領域具有良好的發展前景。

鎂離子電池方面，關鍵在于發展高性能、無腐蝕性、價格低廉的鎂離子電解液 [144]。青島能源所崔光磊等[145]以MgF2為前體，開發了非親核，無腐蝕性鎂離子電解液，實現了鎂硫電池的穩定循環。進一步針對MACC體系中AlCl3與硫的親核副反應導致電池不可逆的問題，清華大學張躍剛教授[146]將YCl3應用于MACC體系，顯著提高了鎂硫電池的電化學循環穩定性。

鋁離子電池方面，近年來國內外多個研究團隊對正極材料(石墨、硫系、過渡金屬化合物、有機物等)、負極材料(金屬鋁、鋁基合金等)以及電解質等進行了一系列研究[147]。其中，正極材料是制約鋁離子電池性能的關鍵。北京科技大學Sun等[148]利用石墨化碳紙正極，離子液體為電解液，實現了可逆性良好的高電壓(約2 V)新型鋁-碳電池。隨后，進一步發展了鋁-硫、鋁-硒、鋁-碲、鋁-過渡金屬硫族化合物等系列以及鋁離子固態電池，為實現超高容量提供了新途徑[149]。

鋅離子電池具有成本低廉、安全性好，特別是基于水溶液體系的鋅離子電池近年來備受研究者關注。水系鋅離子電池的正極材料主要包括錳基氧化物、普魯士藍衍生物、釩基氧化物、聚陰離子化合物等。負極方面，金屬鋅的枝晶問題以及溶解-沉積庫侖效率低嚴重限制了實際應用。現階段，抑制鋅枝晶生長的主要策略包括：構建三維導電基底，調控鋅的成核與生長[146];采用電解液添加劑延緩鋅枝晶的生長;設計高濃電解液，降低電解液與鋅離子的反應活性，提高電極穩定性等。

10.3 水系電池

水系電池是指基于水系電解液的電池的統稱。它是采用阻燃的水系電解液代替易燃易爆的有機電解液，具有高安全性、無毒環保、低成本等潛力，是近年研究的熱點。水系鋰離子電池、水系鈉離子電池，以及上文提到的水系鋅離子電池是目前研究的主要方向。目前，水系電池主要受到窗口電壓窄、電極副反應導致循環穩定性差等問題的限制，近年來研究者們對正、負極材料、電解液以及儲能機制等進行了大量研究。通過在石墨中鹵素的轉換-嵌入化學，構建了 4 V級的水系鋰離子全電池，能量密度高達460 W·h/kg[150];此外，通過電解液添加劑、新型鹽包水結構[151]和水/有機共溶劑結構[152]的水系電解液也實現了電化學窗口的拓寬，大大提高了能量密度和循環穩定性;鋅負極方面，通過多孔結構基底修飾[153]、原位SEI層保護[154]等方法可以實現鋅的無枝晶沉積和循環壽命的大幅提升。此外，華中科技大學開發了嵌入式儲鋅負極Na0.14TiS2、Cu2-xTe等，構建了“搖椅式”水溶液鋅離子電池[149-150]，有望從機理上解決鋅枝晶問題[155-156]。

11 集成技術

2021年，隨著以新能源為主體的新型電力系統發展戰略的實施，儲能在整個電力系統中的戰略地位得到進一步凸顯，為了適應其發展需求，儲能系統集成關鍵技術研發也進入快速發展的階段。由于化學電池系統的復雜性，本文的集成技術主要指化學電池的集成技術，關于物理儲能的集成技術，相關文獻較少，本文暫不評述。

11.1 基礎研究

在PCS方面，1500 V集中式PCS成為市場主流產品，行業的研究主要方向為1500 V+液冷電池系統集成。為實現電池的精細化管理，集中式PCS+DC/DC方案和組串式PCS的系統優化方案，甚至在電池簇內部增加電力電子優化設備的方案也是目前行業研究方向，但目前難點是需要在性能改善和系統成本增加之間取得平衡。除此之外，正在研究更高直流電壓等級的儲能系統集成方案，有望進一步提升能量和功率密度，提高系統循環效率，同時降低儲能系統成本。

在BMS方面，其主要功能是實時檢測儲能系統中電池的參數，進行電池狀態SOX(SOC/SOH/SOP/SOE等)計算，實現故障告警、保護和均衡管理等。目前BMS的研究主要集中在電池建模仿真和SOX算法。當前電池模型研究以不同SOH階段與工況模式下的動態參數辨識與參數優化為主流，通過多維信號采集以及歷史數據分析，動態調整電池參數，提升SOC的估計精度，在電池性能、安全與壽命中進行最佳尋優。另外，結合云端大數據監控平臺，開發云端BMS，以實現全生命周期下電池特性變化的精確控制。

從整個儲能系統的組成來看，EMS是整套控制系統的核心，其包括數據采集、網絡監控、能量調度和數據分析四個功能，主要用于儲能系統的能量控制和功率平衡維持，以保證系統的正常運行。為了實現毫秒級控制和響應，多種快速響應的總線架構，比如EtherCAT，被廣泛應用于監控系統快速控制網。同時基于HTML5等技術開發的SCADA系統，針對儲能系統具備電芯級監控和高速故障錄波功能，可以應用大數據技術進行故障預測、功率預測、壽命分析，確保系統安全和合理收益。

11.2 關鍵技術

為了保障儲能系統全生命周期的安全性，需要從電芯本體、模組、插箱、電池簇、儲能系統逐級進行全面的系統設計，將熱管理系統、電池管理系統和消防管理系統聯動形成立體的預警系統。研發智能診斷技術，通過本地的海量級電芯級的電壓、電流、溫度及內阻，PCS的歷史運行數據在線監測和本地分析，實時對儲能系統的健康度進行大數據分析，通過智能算法提前偵測和發現病態電芯和異常部件，及時提供主動預警和提前介入運維，以保障儲能系統全生命周期的安全可靠運行。

通過將電池系統和PCS進行深度一體化設計，為儲能對新型電力系統的搭建提供支撐，主要包括有功快速響應、滿無功支撐、一次調頻/二次調頻功能、電網黑啟動、獨立建網技術、電網異常下的低穿高穿頻率異常穿越技術、虛擬同步機技術實現對電網的慣量支撐、弱網接入技術等，解決新型電力系統中由于新能源滲透率提高帶來的慣量日益降低和電網穩定風險。

在已有成熟風冷技術上引入高效智能溫控技術，通過液冷技術改善儲能系統的溫升和溫差控制精確度，降低溫度不一致導致的電芯間的不一致，延長電池系統循環壽命。相比傳統空調風冷，液冷技術輔助能耗降低超過30%，循環壽命提升20%以上，集裝箱級別溫差控制在3 ℃以內，能量密度和功率密度的提升進一步降低了系統的初始投資和運維成本。

11.3 集成示范

國家電投海陽100 MW/200 MW·h儲能電站項目，采用了高能量密度1500 V磷酸鐵鋰儲能系統，采用高效的智能能量管理系統及大數據運維管理體系，具有保護、控制、通信、測量等功能，可實現對儲能系統的全功能綜合自動化管理。三峽烏蘭察布新一代電網友好綠色電站示范項目，儲能系統規模70 MW/140 MW·h，該系統采用“防護消泄”四重安全設計理念，實現高效精準預測、消防，實現系統穩定可靠運行。該項目建成投運后將對我國探索源網荷儲一體化實施路徑，促進儲能在大規模多場景中的深入應用起到重要示范作用。

12 消防安全技術

化學儲能的安全性，一直是規模儲能領域關注的熱點和焦點問題之一。2021年，我國在化學電池火災發生機理、滅火機理與規律、預警技術等方面，取得了一系列進展。

12.1 基礎研究

2021年，大型磷酸鐵鋰電池的安全性是鋰電池安全研究的重點。中國科學技術大學等單位對磷酸鐵鋰電池的火災危險性進行了深入研究。研究發現在不存在點火源的情況下，磷酸鐵鋰電池的熱失控過程一般不會燃燒，僅伴隨劇烈的產煙產氣行為。而在有點火源的情況下，即使0%SOC的電池仍會發生熱失控著火燃燒現象，電池在安全閥打開后會出現短暫的爆燃[157]。而隨著儲能電池容量的增加，電池廠家一般做成內部兩個或多個卷芯，因此也出現了熱失控階段的兩個或多個熱釋放速率峰值。火焰可以加速熱失控的發生，但對電池特征溫度的影響較小。與小型電池相比，大容量電池的最高表面溫度和標準化熱釋放速率峰值更小，表現出相對優越的熱安全性[158]。

在大型磷酸鐵鋰儲能電池的滅火方面，多應用全氟己酮(C6F12O)等新型絕緣氣體滅火劑，全氟己酮的施加可以高效降低電池的燃燒熱，有效地撲滅磷酸鐵鋰電池的火災。但是全氟己酮的化學抑制效果在滅火劑用量較高時趨于飽和，針對全氟己酮的用量，學者基于滅火效果、降溫效果及體系毒性，提出了全氟己酮用量綜合篩選方法，在給定的實驗條件下其較優的全氟己酮用量為2.9 g/W·h[159]。此外，由于氣體滅火劑較差的降溫效果，導致滅火劑用完后電池溫度仍有大幅回升，有復燃的隱患，因此學者們又從滅火劑施加方式上進行優化，提出了一種全氟己酮間歇噴霧冷卻策略[160]，通過控制滅火劑施加的占空比(噴霧時間占噴霧周期的比例)，可比一次施加更有效地降低電池溫度，減少CO和CO2的產量并降低熱釋放速率，更加有效地撲滅磷酸鐵鋰電池的火災，給定實驗條件下的占空比為55.4%時可獲得最佳噴霧效率。

12.2 關鍵技術

在熱管理技術方面，為了改善傳統單一熱管理手段，研究者們對換熱結構[161]、系統能耗等方面進行改進，實現了熱管理系統的優化。與此同時，由于鋰離子電池高倍率充放電的應用場景越來越廣泛，混合式的熱管理技術也成為了研究的熱點。這其中包括內翅片與風冷的結合[162-163]、液冷與熱管[164]等多種技術協同作用的混合式熱管理系統。

在預警技術方面，發展了多種機器學習算法，優化了傳統的BMS預警與熱失控溫度預警信號處理算法[165]，降低了傳統預警方法的誤報率。監測了負極析出的鋰與黏結劑反應產生的氫氣，探索了基于氫氣的熱失控提前預警技術[166]。除此以外，還發展了耦合電池表面溫度、CO氣體濃度、VOC濃度及環境溫度的多信息融合的分級預警策略，實現了鋰離子電池熱失控發生15 min前預警，為熱失控防控提供應急處置時間[167]。

在滅火技術方面，中國科學技術大學對傳統的滅火方式進行了改進，采用間歇噴霧模式[160]釋放滅火劑，不但降低了滅火劑用量而且提高了滅火效率。除此以外，新型的絕緣滅火劑如全氟己酮[159]、液氮[168]等也引起了研究者們的重視，發現這些絕緣滅火劑在鋰離子電池火災中具有較好的應用效果。

當然，這三種技術并非獨立發展，有的學者甚至將這三種技術集成為一體化系統，實現了全溫度范圍內的消防技術與該系統的輕量化與低成本，比如基于全氟己酮噴霧鋰離子電池熱管理與熱失控抑制的閉環系統[169]。

12.3 集成示范

上述關鍵技術在新建的儲能示范項目中得到推廣應用。三峽新能源烏蘭察布源網荷儲示范項目投運，項目采用了多信息融合的監測預警技術和全氟己酮程控噴射技術。通過對鋰電池熱安全狀態進行持續監測和及時抑制，防止電池火復燃的現象發生，從而實現長期抑制火情和系統降溫的效果。該消防技術還應用于用戶側儲能系統，如連云港華樂合金集團有限公司儲能。程控噴射消防技術也走出國門，實現技術輸出，如青山集團印度尼西亞大K島55 MW/55 MW·h鋰電儲能系統的消防方案，也采用上述消防技術。

13 綜合分析

13.1 基礎研究

圖1給出了依據“Web of Science”核心數據庫，以“Energy Storage”為主題詞統計的2021年度中國機構和學者關于儲能技術發表的SCI論文數。從圖中可以看出，2021年，中國機構和學者共發表SCI論文11949篇，其中鋰離子電池、儲熱(包括儲冷)、超級電容器、鈉離子電池的SCI論文數超過1000篇，為當前我國儲能領域基礎研究的熱門方向。總體上化學儲能的SCI論文數明顯高于物理儲能。這主要是關于儲能材料的發表論文數非常高，達到4581篇，化學儲能的材料研究明顯比物理儲能活躍;同時，鋰離子電池、儲熱、超級電容器、鈉離子電池這四種儲能技術的材料研究也最為活躍。

圖2給出了依據“Web of Science”核心數據庫，以“Energy Storage”為主題詞統計的2021年度世界主要國家關于儲能技術發表的SCI論文數。從圖中可以看出，2021年，全世界共發表儲能技術相關SCI論文26510篇，其中中國、美國、印度、韓國、德國、英國和澳大利亞7個國家發表的論文數超過1000篇。中國機構和學者共發表SCI論文11949篇，居世界第一位，遙遙領先于第二位美國的3336篇和第三位印度的2420篇，且超過了第二到第七位發表論文的總和，中國已經成為全球儲能技術基礎研究最活躍的國家。綜合分析當今世界儲能技術基礎研究先進國家的格局，基本上包含兩類國家：一類是美國、德國、英國和澳大利亞為代表的西方發達國家;第二類為中國、印度和韓國為代表的新興國家。在分項技術方面，在圖1所列出的所有單項技術，包括抽水蓄能、壓縮空氣、儲熱、飛輪、鉛電池、鋰離子電池、鈉離子電池、液流電池、超級電容器、液態金屬、金屬離子電池和水系電池，中國機構和學者在2021年發表的SCI論文數均居世界第一。

圖3給出了依據“Web of Science”核心數據庫，以“Energy Storage”為主題詞統計的2010—2021年世界主要國家關于儲能技術發表的SCI論文數。根據統計結果，2010年以來全世界共發表儲能技術相關SCI論文184248篇，其中中國、美國、印度、韓國、德國、英國、澳大利亞、意大利、日本和法國位列前10位，且這十個國家2010年以來發表的儲能相關SCI論文數均超過6000篇。從發展趨勢看，一方面，相比2010年，所有10個國家發表的儲能相關SCI論文數均大幅增加。比如美國從2010年的1223篇增加到2021年的3336篇，中國從2010年的684篇增加到2021年的11949篇。另一方面，這10個主要國家可以分為兩類：一類是美國、德國、英國、澳大利亞、意大利、日本和法國7個發達國家，它們的儲能相關SCI論文數大致經歷了兩個時期，即從2010—2016年的快速增長期和2017年開始的基本穩定期;第二類為中國、印度和韓國這三個新興國家，它們的儲能相關SCI論文數自2010年以來一直在增長，目前仍保持明顯的上升趨勢。第三方面，比較中美兩國的儲能相關SCI論文數可以看出，2010年中國的SCI論文數只有美國的50%左右，但到2013以后中國已超過美國成為全球儲能相關SCI論文數的第一大國，特別是2017年以后美國每年的儲能相關SCI論文數基本穩定在3500篇左右，而中國同期每年發表的儲能SCI論文數仍然在大幅增長，從2017年的7074篇增加到2021年11949篇，這同中國政府和企業在“十二五”和“十三五”期間加大對儲能技術研發支持力度的情況是完全吻合的。

13.2 關鍵技術

表1給出了2021年中國儲能關鍵技術進展的總結。從表中可見，2021年我國主要儲能技術研發均取得了重要進展，綜合分析大致可以分為三類。

表1 2021年中國儲能技術與示范進展

 

13.3 集成示范

表1同時給出了2021年中國儲能集成示范進展的總結。從表中可見，2021年我國主要儲能技術的集成示范均取得了重要進展，綜合分析大致可以分為三類。

第一類為系統規模提升或者性能提升的集成示范，主要包括抽水蓄能、鋰離子電池、壓縮空氣儲能和儲熱儲冷等。第二類為驗證關鍵技術突破的集成示范，主要包括鋰離子電池、液流電池、壓縮空氣儲能和飛輪儲能等。第三類為該類技術的首次集成示范，主要包括鈉離子電池、超級電容器等。

根據中國能源研究會儲能專委會/中關村儲能產業技術聯盟的不完全統計，截止到2021年底，中國已投運的儲能項目累計裝機容量(包括物理儲能、電化學儲能以及儲熱)達到45.75 GW，同比增長29%[1]。圖4給出了2021年我國新增儲能裝機容量，可見我國電力儲能裝機繼續保持高速增長，同比增長220%，新增投運規模達10.19 GW，其中，抽水蓄能規模最大，為8.05 GW;鋰離子電池排第二位，投運規模達到1.84 GW;壓縮空氣儲能新增投運規模大幅提升，達到170 MW，是其2020年底前累計規模的15倍;儲熱儲冷和液流電池裝機也分別新增100 MW和23 MW裝機規模。

如圖5所示，綜合分析各儲能技術2021年的新增裝機容量，各種儲能技術大致可以分為四個梯隊。第一梯隊為抽水蓄能，單機規模100 MW以上，占2021年全國儲能新增裝機的79%左右;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，單機規模可達10～100 MW，其中鋰離子電池新增裝機達到18%，未來有可能形成單獨的一個梯隊;第三梯隊為鈉離子電池、飛輪儲能和超級電容器，目前單機規模可以達到MW級，其中鈉離子發展受關注最多，經過一段時間的發展有可能未來進入第二梯隊;第四梯隊為液態金屬、金屬離子電池和水系電池等新型儲能技術，需要進一步的研發，以盡早實現集成示范和產業化應用。

圖6給出了2021年中國和世界儲能技術水平對比。從圖中可見，經過“十二五”和“十三五”期間國家和產業的持續投入，中國儲能技術的水平快速提升，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已達到或接近世界先進水平;抽水蓄能、飛輪儲能、超級電容器和儲能新技術和世界先進水平還有一定的差距，但總體上差距在逐步縮小。

14 結論與展望

2021年，中國儲能技術在基礎研究、關鍵技術和集成示范方面均取得了重要進展。這一年，中國機構和學者發表SCI論文11949篇，居世界第一位，且遙遙領先于第二位美國，中國已經成為全球儲能技術基礎研究最活躍的國家。在關鍵技術和集成示范方面，各主要儲能技術也均取得重要進展，中國已成為世界儲能技術研發和示范的主要核心國家之一。

(1)物理儲能方面：在抽水蓄能方面，我國在超高水頭、超大容量抽水蓄能電站施工建設、設計制造、安裝調試等方面實現跨越式發展。在定速抽水蓄能技術方面實現了從跟跑、并跑到領跑的轉變，達到了世界領先水平;在變速抽水蓄能技術方面，我國仍處于探索研究階段，目前雖然取得了一些成果，和國外技術尚有較大差距。

在壓縮空氣儲能方面，我國在10～100 MW壓縮空氣儲能系統方面取得了多個里程碑式的進展。特別是中國科學院工程熱物理所的張家口國際首套100 MW先進壓縮空氣儲能國家示范項目并網帶電調試，標志我國在壓縮空氣儲能領域已達到國際引領水平。

在儲熱儲冷方面，雙碳戰略對儲熱提出了更多需求。高溫熔鹽儲熱、大容量跨季節儲熱和儲冷、熱泵儲熱/卡諾電池以及各種化學儲熱是當前儲熱研究的熱點。

在飛輪儲能方面，今年大容量功率型飛輪儲能的自主研發取得了階段性進展，縮小了與國際先進水平的差距，為將來10 MW級及以上功率等級的飛輪陣列儲能示范電站建設奠定了基礎。

(2)化學儲能方面：在鉛蓄電池方面，技術研發主要集中于鉛炭電池，通過在負極添加高活性的碳材料，有效抑制負極硫酸鹽化引起的容量快速衰減，提高電池的快速充放電能力。

在鋰離子電池方面，我國在正負極材料、快充技術、固態電池技術等關鍵技術取得重要突破，鋰補償技術、無模組技術和刀片電池技術是今年的技術進展亮點。

在液流電池方面，全釩液流電池為當前液流電池主流技術，解決全釩液流電池的規模化、成本、效率等問題，是當前研究的重點，同時也在積極探索鋅溴液流電池、鐵鉻液流電池等新體系。

在鈉離子電池方面，作為最接近鋰離子電池的電池技術，我國在鈉離子電池基礎研究、技術水平和集成示范方面均取得重要進展，已處于國際領先地位。

在超級電容器方面，我國在關鍵材料、單體技術、成組管控、系統集成與應用和使役性能進行了全鏈條技術攻關，并實現在規模儲能領域的示范。

在新型儲能技術方面，研究重點在于液態金屬電池、多價金屬離子電池和水系電池的材料研究，相關單體、模組和系統關鍵技術還需進一步深入研究。

(3)集成與安全方面：在集成技術方面，大容量儲能電站的集成、運行和控制技術已經大規模應用，但隨著儲能規模的擴大，PCS/BMS/EMS的融合技術、云端運維和管理技術、遠程智能安全監控等技術將進一步發展和應用。

在消防安全技術方面，標準制定、消防監管、質量管控、技術研究等方面都得到了前所未有的加強，多信息融合的監測預警技術和全氟己酮程控噴射技術等新技術得到示范應用。

展望2022年，中國儲能有望保持規模化發展的良好態勢。在國家雙碳戰略的持續推動下，儲能政策將繼續向好。中國儲能技術領域將有望繼續“加速跑”，基礎研究將繼續保持國際最活躍國家地位，抽水蓄能、鋰離子電池、壓縮空氣、液流電池、鈉離子電池等多種技術將快速發展，百兆瓦級大規模集成示范項目將成為常態，儲能領域大概率將迎來又一個快速發展的一年。