重磅！陈海生等：2022年中国储能技术研究进展-全球新资讯

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作者：陈海生1, 李泓2, 徐玉杰1等

单位：1. 中国科学院工程热物理研究所；2. 中国科学院物理研究所，北京 100190等

引用本文：陈海生, 李泓, 徐玉杰, 等. 2022年中国储能技术研究进展[J]. 储能科学与技术, 2023, 12(5): 1516-1552.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2023.0330

摘 要本文对2022年度中国储能技术的研究进展进行了综述。通过对基础研究、关键技术和集成示范三方面的回顾和分析，总结了2022年中国储能领域的主要技术进展，包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、锂离子电池、铅蓄电池、液流电池、钠离子电池、超级电容器、新型储能技术、集成技术和消防安全技术等。结果表明，2022年中国储能技术在基础研究、关键技术和集成示范方面均有重要进展，中国已成为世界储能技术基础研究、技术研发和集成应用最活跃的国家。 关键词 储能；技术；进展 储能是能源革命的关键技术，是实现碳达峰碳中和目标的重要支撑，也是催生国内能源新业态、抢占国际战略新高地的重要领域。当前，我国储能行业整体处于由商业化初期向规模化发展的过渡阶段，在技术研发、示范项目、商业模式、政策体系等方面均快速发展。2021年，笔者曾对当年中国的主要储能技术的研究进展进行了综述，得到了学术界和工业界的高度关注。2022年，随着国家双碳战略和能源革命的深入实施，我国储能技术和产业发展势头强劲， 一是储能技术研究持续活跃；二是储能市场规模快速增长；三是储能产业链日趋成熟；四是储能政策支持力度加大；五是资本市场热度逐步提高。总体上，中国储能行业经历了快速发展的一年，各种储能技术取得了很多新的重要进展。学术界和工业界非常希望笔者能继续撰写一篇综述性文章，对2022年中国储能技术的最新研究进展进行回顾和分析。 本文是受《储能科学与技术》期刊邀请，依托中国能源研究会储能专委会和中国化工学会储能工程专委会的专家，在2021年综述文章的基础上，对2022年我国主要储能技术的研究进展进行综述，包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、铅蓄电池、锂离子电池、液流电池、钠离子电池、超级电容、新型储能技术、集成技术和消防安全技术等。希望通过对我国主要储能技术基础研究、关键技术和集成示范的综述和分析，总结2022年中国储能技术领域的主要进展，为储能领域的政策制定者、科研工作者和工程技术人员提供参考。 本文共分14节，其中前言由陈海生撰写，第1节抽水蓄能由陈满、徐德厚、周学志、彭煜民、马一鸣撰写，第2节压缩空气储能由徐玉杰、郭欢、王星、周鑫撰写，第3节储热储冷由王亮、冯自平、林曦鹏、宋文吉、陈海生撰写，第4节飞轮储能由戴兴建、胡东旭、岳芬撰写，第5节铅蓄电池由唐西胜、林海波、李杰才撰写，第6节锂离子电池由李泓、尉海军、陈人杰、刘世奇、潘新慧、李丽、刘亚涛、庞全全撰写，第7节液流电池由李先锋、张长昆、俞振华撰写，第8节钠离子电池由胡勇胜、容晓晖撰写，第9节超级电容器由马衍伟、刘语、张熊撰写，第10节新型储能技术由肖立业、周学志(重力储能)、王亮、张涵(热泵储电)、徐玉杰、朱轶林(压缩二氧化碳)、蒋凯(液态金属)、陈军、李福军(有机电池)、唐永炳、欧学武(双离子电池)撰写，第11节系统集成技术由苏伟、宋振、刘为撰写，第12节系统消防安全技术由王青松、卓萍、金凯强、姜丽华、李煌、李臻撰写，第13节综合分析由陈海生、张宇鑫撰写，第14节结论与展望由陈海生撰写，全文由陈海生统稿。由于作者水平有限，加之时间仓促，文中不足和不妥之处，敬请读者批评指正。

1 抽水蓄能

抽水蓄能具有储能容量大、系统效率高、运行寿命长、响应快速、工况灵活、技术成熟等优点，是目前大规模储能的主流技术。2022年，我国出台了加快部署“十四五”时期抽水蓄能开发建设的文件，为抽水蓄能产业的加速发展提供了政策支持。目前，机组性能退化和故障诊断、运行控制和调度优化、新型抽水蓄能等是基础研究的重点方向；技术研发和示范的重点包括变速机组关键技术、高水头大容量机组监测与控制技术，以及抽水蓄能与可再生能源联合控制技术等。

1.1　基础研究

在机组性能退化预测方面，Chen等为实现抽水蓄能复杂性能退化指数序列下的精确退化趋势预测，提出了一种集最大信息系数、轻梯度助推机、变分模式分解和门控循环单元为一体的组合预测模型，获得了精度最高的健康模型和最佳预测性能。 在机组故障诊断方面，Ren等针对噪声的干扰问题，提出一种降噪方法，可较好地处理压力脉动信号，有利于抽水蓄能机组的故障准确诊断。唐拥军等提出了等效连续L声级的声级谱构建方法，可检测出机组的异常状态和异常原因。文献[ 11-12]用不同滤波算法和数据分析相结合，实现电站甩荷工况的实时有效检测。 在启动和运行控制方面，冯陈等为解决低水头工况下抽水蓄能机组背靠背启动因调速与励磁参数配合不当而失败的问题，提出一种基于精细化建模的背靠背启动多目标优化策略，能有效地抑制拖动机深入反S特性区运行。吴伟亮等在变频启动控制策略等方面提出了具有工程价值的实用方法。 在运行调度及系统优化方面，陈伟伟等提出一种考虑需求响应及抽水蓄能的鲁棒机组组合优化方法，以系统运行成本最小为目标构建了鲁棒机组组合模型。Ji等提出抽水蓄能电站选址评价指标体系和评价模型，基于周期消除的组合评价模型解决了评价结论不一致的问题，大大提高了组合评价模型的有效性。文献[ 17-19]提出了光伏/抽水蓄能/电池系统结构，并基于改进滤波系统控制技术和虚拟下垂控制策略等，提高了整个系统的动态响应。文献[ 20-21]建立了蓄能机组与锂电池耦合储能模型，提出基于模糊控制理论的储能系统参与的二次调频策略，有效提高系统效率和动态响应速度。文献[ 22-25]针对新能源-抽水蓄能混合系统开展了容量、调度优化和经济运行策略研究。 在变速抽水蓄能技术方面，贾鑫等对变速抽水蓄能协调控制单元的输入输出、功能性能、控制方法及控制模式进行了研究，给出了变速机组适应电网不同频差以及调整负荷的灵活调节策略。Deng等建立了双馈感应电机的变速抽水蓄能(VSPSP)数值模型，验证了其调节的快速性和可靠性。杨建东等提出可变速抽水蓄能机组突破反S特性的快速启动测量与监控系统，为解决低水头条件由空载频率波动导致的并网难问题奠定基础。王博等提出采用斜槽和开辅助槽等优化方法来削弱径向电磁力和振动。文献[ 30-32]建立了可变速抽水蓄能机组电磁功率和转矩数学模型，分析其多工况运行机理。文献[ 33-34]则提出一种转子动能与导叶开度协调控制的控制策略。 在新型抽水蓄能技术方面，滕军等从资源评估与限制原则、水工建筑物设计、机电设计等方面系统阐述海水抽水蓄能电站设计面临的主要问题、解决路径及研究成果等。卢开放等综合考虑岩石力学、矿山规划、环境、经济等多方面影响因素，对云南省利用废弃矿井建设抽水蓄能电站的开发潜力进行了定量评估，指出利用废弃矿井改造建设抽水蓄能电站具有一定的可行性，能够产生较好的动静态效益。

1.2　关键技术

2022年，国内首台自主研发的5 MW级全功率变速恒频抽水蓄能机组在四川春厂坝抽水蓄能电站成功并网发电 ，标志着我国在快速响应全功率变速恒频可逆式抽水蓄能成套设备设计、制造和协同控制等关键技术方面取得了重大进展，为后续攻克抽水蓄能大型变速机组技术瓶颈奠定了基础。 2022年，文登抽水蓄能电站进入试运行，在国内首次采用了22个导叶配9叶片转轮的水泵水轮机，实现了高水力性能与低相位共振概率、高稳定性的技术突破。金寨电站在世界上首次采用13叶片的转轮机组。荒沟电站首次采用了国内最先进的抗冻技术，解决了严寒环境水下混凝土耐久性、抗冻性等质量难题。 大容量蓄能机组制造安装技术继续取得突破，首套蓄能机组国产化开关成套设备成功应用于梅州抽水蓄能电站4号机组，机组导水机构数字化虚拟预装技术在永泰抽水蓄能电站首次应用。抽水蓄能多厂站集中监控技术取得重要进展，南方电网储能股份有限公司建成国内首个千万千瓦级抽水蓄能多厂站集中控制系统。

1.3　集成示范

2022年，我国抽水蓄能电站的建设加速推进，沂蒙、敦化、梅州、阳江、荒沟、长龙山、周宁、金寨等抽水蓄能电站相继全面投产发电。其中，敦化电站下水库蓄水后监测日渗漏量在国内同类工程处于领先水平。梅州、阳江百万千瓦级抽水蓄能电站，使粤港澳大湾区电网成为世界上抽水蓄能装机容量最大、电网调节能力最强、清洁能源消纳比重最高的世界级湾区电网，梅州电站4号机组开关成套设备实现国产化。 四川春厂坝抽水蓄能电站攻克了我国梯级水光蓄互补电站容量优化配置及接入技术难题，成功投运我国首台全功率变速恒频抽蓄机组。国内首个单机40万千瓦变速抽水蓄能工程项目南方电网惠州中洞抽水蓄能电站全面开工，拟安装3台40万千瓦机组，其中1台机组为变速机组，力争2025年底前投产发电，将进一步提升我国抽水蓄能设备装备制造水平。

2 压缩空气储能

压缩空气储能(CAES)技术具有储能容量大、储能周期长、系统效率高、运行寿命长、比投资小等优点，被认为是最具有广阔发展前景的大规模储能技术之一。2022年，是中国压缩空气储能技术发展史上非常重要的一年，我国学者在系统总体特性研究、关键部件内部流动与传蓄热研究、压缩机和膨胀机关键技术，以及100 MW级集成示范等方面均取得重要进展，特别是100 MW级压缩空气系统的并网发电，对我国压缩空气储能技术的发展具有里程碑意义。

2.1　基础研究

在系统总体特性与参数优化方面，Lv等提出了一种等压绝热压缩空气储能系统，利用水压保持储气室压力恒定。Cao等提出了一种绝热压缩空气储能系统，在末级压缩机旁边设置喷射器，可避免压缩机在低背压下产生阻塞的问题。Ran等提出了一种蒸汽喷射的绝热压缩空气储能系统，通过增加饱和器回收压缩热，用于预热和加湿膨胀机的入口工质，从而提高膨胀机输出功率和系统效率。Huang等提出了一种变速压缩空气储能系统，使储电过程的工况范围拓宽了49%，且储/释电过程的功率动态响应时间远小于定速系统。Guo等建立了蓄热式压缩空气储能系统的性能解析式，可有效分析系统参数间的匹配关系。Huang等建立了多设计点下蓄热式压缩空气储能系统的变工况模型，获得了系统设计点选择与非设计点运行特性间的耦合关系。Guo等建立了基于对应点分析方法的压缩空气储能系统优化策略。耿晓倩等建立了压缩空气储能系统的全生命周期模型，获得了系统的全生命周期能效及碳排放量。 在压缩机内流特性及变工况调控方面，Lin等实验研究了变转速叶轮背腔对压缩机内部流场和气动性能影响，叶轮背腔对离心压缩机的压比、效率、轴功率等影响显著。Meng等研究了带轮盖空腔的高压离心压缩机内部流动特性，发现了轮盖空腔对高压压缩机内部流动性能有负面影响。Meng等实验研究了高压离心压缩机内部速度和温度梯度间的协同关系，高熵产区域对应于较高协同角。Sun等对离心压缩机的湿压缩性能进行了理论和实验研究，建立了湿压缩性能修正模型，分析得到湿压缩可提高压缩效率。Meng等首次实验分析了高压离心压缩机在非设计工况下的性能，获得了带有进口导叶的高压离心压缩机的综合性能图。Li等研究了超临界压缩空气储能系统的液体膨胀机性能，发现非均匀流动显著影响喷嘴总压损失，而转子总压损失与低能量区域的发展有关。 在膨胀机内流特性和变工况调控方面，Shao等实验研究了闭式向心涡轮集气室的流动不均匀性和轮盖空腔的泄漏特性，发现了集气室底部附近存在多个局部高压区域，转速或膨胀比升高时，迷宫式密封的节流增强，盘腔泄漏减少率超过20%。Huang等理论和实验研究了末段轴流膨胀机在低负荷条件下内流特性，获得了低负荷条件下第一级动叶和第二级动叶入口的不均匀系数先上升后减小，总压力的主要非均匀分布由圆周向径向变化。Hu等 ^[56]提出了等温压缩机/膨胀机结构，揭示了管径和流量变化对压缩机/膨胀机的压力、温度、功率密度和效率的影响。李瑞雄等研究了液体活塞近等温压缩空气储能过程的热力学性能，获得了喷淋条件下近等温压缩过程主要出现在压缩过程中期。Xiong等研究了不同刚度对非设计工况下膨胀机运行特性的影响，通过优化第一级膨胀机的定子刚度，在非设计工况下膨胀机的整体性能得到改善。 在蓄热(冷)换热器传蓄热特性方面，Qu等实验研究了填充床蓄冷/热过程中的混合对流传热性能，获得了适应不同孔隙率条件的传热计算关联式。廖丹等设计了一种立方体单元结构的填充料，对所设计立方体单元的换热与流动特性进行了研究，发现立方体单元在换热速度和流动压降两方面具有更好的综合性优势。张志浩等探究了混合加热反应器内的储热特性与限制因素，发现采用直接与间接混合加热的方式，使得反应呈现向心推进与逐层推进相结合的形式，增进了储能反应的速率。葛刚强等提出了一种基于非稳态传热正规状况的一维液-固两相无量纲模型，揭示了不同参数对蓄热器效率的影响规律。吴玉庭等理论研究了列管式固体氯化钠蓄冷换热器储/释冷过程流动与传热特性，指出空气在管内进行跨临界流动换热时，在准临界温度点传热最强。 在储气室热力学和气密性研究方面，Han等研究了洞穴内部热力学性能，井筒质量流量是关键参数，流入温度和井筒长度是次要因素，井筒内径、粗糙度和导热系数对性能略有影响。Li等研究了硬岩洞穴内部的热力学性能，洞穴内部平均空气温度随着储能空气流量的增加和储能时间的减少而升高。Li等建立了整个地下系统的井筒-储层耦合三维模型，分析了井筒-储层系统在不同阶段的水力学和热力学特性。Qin等建立了储气洞穴的气密性模型，利用两个试验洞室的现场数据验证了模型的有效性。在4.5～10 MPa的工作压力范围内，以高分子丁基橡胶为密封材料的云冈矿溶洞日漏气量为0.62%，满足密封要求。 在压缩空气储能系统与其他系统耦合研究方面，Ran等研究了一种新型太阳能热增强的压缩空气储能系统，使系统输出更大的功率。Xue等提出了一种垃圾焚烧发电厂、沼气发电厂与压缩空气储能的集成系统。储能过程中，垃圾焚烧发电厂的给水回收压缩空气储能系统中压缩热；释能过程中，压缩空气被垃圾焚烧锅炉加热，然后通过沼气燃烧室来代替压缩空气储能的燃烧室。通过系统集成，提高了系统的整体性能。Xue等提出一种结合了电解水系统、燃料电池、燃气-蒸汽联合循环和压缩空气储能的耦合系统。在储能过程中，采用电解水和压缩空气储能系统来储存电力；在放电过程中，燃料电池、燃气-蒸汽联合循环和压缩空气储能系统共同发电，实现全过程零碳排放。Zheng等提出了四种具有不同拓扑结构的绝热压缩空气储能与海水淡化的耦合系统。

2.2　关键技术

压缩空气储能系统的关键技术主要包括压缩机技术、蓄热(冷)换热器技术、膨胀机技术、系统设计、集成与控制技术等。 2022年，中国科学院工程热物理所自主攻克了100 MW级先进压缩空气储能系统的宽工况组合式压缩机技术、高负荷轴流式膨胀机技术、高效蓄热换热器技术、系统集成与控制技术，以及系统与关键部件的调试技术，研制出100 MW系统压缩机、膨胀机和蓄热换热器样机。根据公布的具有CNAS资质的第三方测试结果：压缩机效率达到87.5%；膨胀机效率达到91.8%，蓄热换热器保温8 h蓄热效率为98.95%，保温16 h蓄热效率为98.73%，为目前CAES蓄热装置效率最高纪录，达到国际领先水平。 此外，中国科学院工程热物理所已经开展300 MW级先进压缩空气储能系统的研发工作，完成了系统和压缩机、膨胀机、蓄热换热器三大关键部件的详细设计，预计2023年将完成关键部件研制和示范系统集成建设。

2.3　集成示范

继2021年中国压缩空气储能技术示范取得重要进展后，2022年压缩空气储能又取得了多项突破性进展。山东肥城10 MW盐穴先进压缩空气储能商业示范项目在2021年9月并网发电基础上，于2022年7月获准参与山东省电力现货市场交易，系统额定效率达到60.7%。江苏金坛60 MW盐穴压缩空气储能电站于2022年5月并网运行，该项目由中国盐业集团、华能集团和清华大学共同研发，采用导热油作为传热和储热介质。河北张家口国际首套100 MW先进压缩空气储能国家级示范电站完成集成建设，并于2022年9月实现并网发电，系统效率达到70.2%，该项目获得了河北省发改委的电价政策支持，系统核心装备自主化率100%，每年可发电1.32亿千瓦时以上，能够在用电高峰为约5万户用户提供电力保障，每年可节约标准煤4.2万吨，减少二氧化碳排放10.9万吨，是目前世界上单机规模最大、效率最高的新型CAES电站。 此外，2022年，中国科学院工程热物理研究所和中储国能(北京)技术有限公司已启动山东肥城二期300 MW、宁夏中宁100 MW、江苏淮安465 MW等工程项目合计约1265 MW；大唐集团、三峡集团、中国电建、中国能建等企业也纷纷启动压缩空气储能示范工程项目。

3 储热储冷

储热(包括储冷)技术具有规模大、成本低、寿命长等优点，在电力、建筑、工业等领域得到广泛应用。根据存储热能的方式不同，储热技术可分为显热、潜热和热化学储热三类，目前的主要研究方向包括储热材料、储热单元、储热系统与控制技术等。2022年，我国学者在储热材料制备与性能调控机理、储热单元换热强化与系统集成示范等方面取得重要进展。

3.1　基础研究

在储热材料物性调控及其机理方面，形成了从纳米尺度、分子尺度到宏观尺度的研究方法，采用分子动力学揭示了熔盐中纳米颗粒中的原子运动和相互作用是强化传热的主要贡献；通过掺杂纳米石墨烯可以使熔盐相变材料热导率大幅提高，纳米石墨烯和熔盐分子之间具有更优声子振动匹配。对于相变储热材料，揭示了孔隙尺度对纳米多孔定形相变材料的原子振动和晶体结构的影响，进而获得其对热物性的影响机理。基于密度泛函理论计算研究并揭示了表面功能修饰和微观结构与复合相变材料性能之间的微观关联机制。针对定形相变材料，揭示了孔隙填充、氢键、生物炭与相变材料之间的疏水相互作用对封装及物性影响机制。研制了基于各种金属纳米粒子的复合纳米相变乳液系列，揭示了纳米颗粒对于复合乳液的导热、黏度和流变特性的影响及其机理。探索了热解残渣用于抑制水合盐复合相变储热材料的相分离、稳定性和热物性提升性能。 在储热单元传储热特性和机理方面，研究获得了填充床储热单元内混合对流特性和影响机理；揭示了垂直光滑管和翅片管储热单元内的热传导、自然对流和二次流分别对储/释热性能的影响机理。开展了微重力条件下的冰凌形成机制与行为，提出了增量角来描述相界面推移行为。开展了相变浆状流体流动、相变和输送特性研究，获得了相变材料的微封装、浆状流体的高效制备过程、流动与传热传质性能优化规律及其影响机理。

3.2　关键技术

在新型储热材料方面，开展了多种陶瓷储热材料、水合盐、高温合金以及固-固相变储热材料的制备及其优化技术，制备出基于矿渣、煤灰、多孔材料和石墨等为骨架材料的多种复合相变和定形相变储热材料，开展了相变储能凝胶的制备技术研究。针对热化学储热技术，开展了CaCO ₃、Ca(OH) ₂、Mg(OH) ₂、MnCl ₂-NH ₃、锰铁锂三元复合金属氧化物等多个热化学体系的储热特性研究，解释出其热化学反应机理。 在储热单元方面，开展了多种通道结构的固体蓄热装置储释热性能与优化研究；设计研发了太阳能水箱以及相变水箱，获得了其蓄释热特性和内部热分层特征；通过多种树状翅片、环形翅片、胶囊化、热管以及采用泡沫铜和泡沫铝等方式对相变过程储放热进行强化，探究了其熔化过程自然对流的影响；研究获得了填充床熔融盐蓄热单元的动态温度与应力特性；考察了新型喷淋式填充床储热特性及其影响因素；研究了静态相变储冷系统模块化储冷器件的优化设计、拓展结构以及充冷储能设施。 在储热系统及其应用方面，研究获得了水蓄热、固体蓄热等蓄热技术与热泵系统、太阳能斯特林系统、区域能源系统、日光温室、建筑节能、绝热压缩空气储能系统等相耦合的性能及运行特性分析；开展了储热系统耦合燃煤发电系统调峰性能分析，动态冰浆蓄冷空调系统应用技术研究和制冷系统与相变换热储冷系统的集成设计，提升了换热效率和动态响应特性，研发了新一代蓄冷储能装置和自动控制系统。

3.3　集成示范

在储热集成示范方面，采用固体储热、相变储热、水储热的蓄热供暖项目应用于北京冬奥会多个场馆和会议中心，为北京“绿色冬奥”保驾护航。甘肃敦煌高比例新能源供热示范项目正式投用，该项目先后建成8台40 MW高压电极蓄热锅炉和2座蓄热罐，是国内已建规模最大的电极锅炉储热供暖项目。江苏靖江电厂熔盐储能调峰供热项目使用了1260吨无机盐实现储热达75 MWh，是全国首个采用熔盐储热技术的大规模火电调峰调频供热项目。华能营口热电厂120 MW电锅炉灵活性辅助调峰项目正式投入商业运行，可实现两台火电机组调峰“零负荷”运行。青海贵南县清洁供暖源网荷储一体化试点项目投运，采用的3台8.5 MW固体蓄热式电锅炉，是目前国内高海拔地区单体容量最大的固体蓄热式电锅炉。 在储冷集成示范方面，采用高能效的冰浆制备技术、无源相变储冷冷藏集装箱技术、冷能聚合需求侧响应技术等的储冷项目，广泛服务于工艺冷却、冷链物流和区域供冷等多个应用场景。江苏昆山鲜活果汁有限公司采用700 kW/5600 kWh的新一代直接蒸发冰浆技术，高质量满足了工艺生产对0 ℃恒温冷源的需求；中车石家庄冷链公司的公铁联运蓄冷集装箱，在中欧班列等长距离货物运输领域拓展应用；广州珠江新城集中供冷站82000RTh的冰蓄冷系统成功接入广州市负荷侧响应的调度平台，成为国内首个参与夏季城市电力负荷调度响应的超大型储冷项目；深圳前海规划建设中的10个区域集中供冷站相继投入使用等。

4 飞轮储能

飞轮储能是高频次、高效率、长寿命、低循环成本的分秒级物理储能技术，适用于数百千瓦至数十兆瓦、持续数秒至数分钟、频次10万次以上的电储能应用场景，是实现电压稳定、频率调节的重要技术。2022年，我国学者在飞轮、电机、轴承、变流器部件研究以及储能系统集成示范应用方面均有重要进展。

4.1　基础研究

基础研究方面，我国学者在飞轮转子动力学、磁轴承控制方法、电机损耗电磁物理、混合储能管理等方面取得了重要进展。周传迪基于Floquet稳定性理论，利用NIP算法和Newmark-β数值积分方法相结合的稳定性分析方法，求解分析了裂纹飞轮转子系统在全转速范围内的动力稳定性。刘钙使用麦克斯韦张量法建立六极外转子径向混合磁轴承的数学模型，采用改进粒子群算法对扩张状态观测器的3个参数进行调节，达到了较好的磁轴承控制效果。Chen等以有限元法与二维快速傅里叶变换获得磁密谐波的频率以及幅值变化趋势，阐明了永磁体表面交变磁密谐波因转子磁桥结构导引而有效降低。Bao等建立了高温超导轴承及超导同极电机高温超导线圈的电-磁-热耦合模型，分析表明线圈截面磁密非均匀分布导致的温升会引减少绕组带的临界电流密度并且增加交流损耗。刘海山等建立了火-储联合模型，分析火电-飞轮联合系统调频能力，结果表明所提方法能够在飞轮储能电量处在不同状况时，利用不同放电时间来有效改善机组调频性能，提高机组量化指标。

4.2　关键技术

关键技术方面，国内学者在飞轮复合材料-轮毂制造、磁轴承结构、永磁电机优化设计、变流器拓扑以及应用技术上取得了新的进展。Chen等用有限元方法分析了等张力缠绕、平面变张力缠绕和平面外变张力缠绕(径向分层变张力)三种模式下复合材料飞轮H型轮毂的应变特性，采用在线、离线两种应变检测方法获取H轮毂的形变特性，理论预测与测试结果偏差在8%以内，平面变张力缠绕制度比等张力缠绕制度的飞轮初始失效转速提高了1.6倍。为降低轴承功耗，Wang等提出一种永磁与电磁混合轴向磁轴承的结构，为获得轴向位移，采用了低成本霍尔传感器，检测随气隙变化而改变的气隙磁密。吕东元优化设计的300 kW磁悬浮轴式永磁同步电机在15000～30000 r/min工作转速范围内，电机效率达到90%以上。三电平逆变器的并联运行可扩大功率容量、交替运行可改善谐波特性，Li等计算分析了交替并联逆变器基于五电平电压下中点电位平衡及非平衡控制的电压谐波特性。针对风力发电调节，张继红等建立了飞轮储能+磷酸锂电池混合储能的数学模型，在单元级和系统级两个层级上利用改进下垂控制策略实现母线电压稳定控制。许庆祥等通过建立不同截止频率和不同飞轮储能系统功率容量下的双层寻优模型，得到了满足飞轮储能系统约束条件、风电并网有功功率变化要求和经济性指标的最优化飞轮储能系统容量。罗耀东等提出一种减少机组磨损、抑制反向调频、储能电量持续性管理的火电机组-飞轮储能协调控制策略，根据某发电厂日负荷变化360～1000 MW情形，在3.6 MW/0.03 MWh的最优容量配置下，积分电量贡献指数大于0.7，频率合格率由94%提高到99%，投资回收周期为4.3年。

4.3　集成示范

集成示范方面，我国学者在铁路牵引变电质量治理、新能源发电调节、地铁制动能回收利用等方面，实现了飞轮储能的集成示范应用。中铁北京局集团邯长线新固镇变电所进行了基于2 MW飞轮储能系统(6台333 kW/3.61 kWh单机并联)的牵引变电所能量回收、电能质量综合治理测试，结果表明，系统电压波动、电压不平衡度、电压总谐波畸变率等电能质量指标改善，回收了制动能量的20%，可以降低变电所容量需求。青海西宁韵家口风光储示范基地开展了MW级先进飞轮储能阵列并网控制示范项目测试，结果表明1 MW飞轮阵列实现了单日300次、累计2000余次充放电测试。在青岛地铁3号线万年泉路站，2台1 MW飞轮储能装置完成安装调试并顺利并网。总体上，中国中高速飞轮储能单机储能量正在从5～20 kWh向50～100 kWh发展、功率正在从200～400 kW向500～2000 kW发展。

5 铅蓄电池

铅蓄电池已有160余年的历史，其技术成熟、产业链体系健全、成本较低，但存在能量密度较低、循环寿命短和充放电倍率小等不足。近10多年铅蓄电池的研发重点在铅炭电池，通过在负极添加高活性的炭材料，可以有效抑制部分荷电态下因负极硫酸盐化引起的容量快速衰减，可有效提升循环寿命，并提高电池的快速充放电能力。

5.1　基础研究

在基础研究方面，铅炭电池负极添加剂仍然是研究热点。碳基添加剂必须具有特殊孔隙结构和较高的析氢过电位才能使其发挥最大的作用，即控制负极硫化且不失水。林海波等研究表明，负极活性物质加入碳添加剂会给电池设计带来系统性问题，但可以通过工程和科学的策略来解决。陈理等通过在负极铅膏中添加香兰素，使得和膏时用水量增加，以及铅膏的表观密度发生变化，提升了电池在部分荷电态下的循环性能。铅炭电池的基础研究方向还有活性物质、添加剂工程、界面工程和全电池设计，其重点为副反应控制、铅炭电极在充放电过程中的结构转变以及铅炭电池的最终失效模式上。

5.2　关键技术

在关键技术方面，当前铅炭电池负极添加剂技术主要集中在设计和制备工艺研发方面，需要设计和制备具有高电化学活性、高铅炭亲和性、高比表面积和良好孔隙率、高析氢过电位和具有良好的质子和离子电导性的碳基材料。 铅炭电池正极添加剂技术最近也受到重视，正极软化脱落的失效机制日益凸显。5G+储能和数据中心等应用场景对正极板栅提出了更高的要求，未来正极板栅应该朝着高温耐腐蚀方向发展，提高正极极板的循环寿命，完善铅炭电池的组成。 电解液一直是提高铅炭电池性能途径之一，好的电解液添加剂能全面提升电池在容量、倍率、循环、充电接受能力等方面的性能。 铅炭电池的充电问题一直是限制其发展的重要因素，充电速度越快，电池极化越大，析氢越严重。然而，快速充电是未来市场的发展趋势，较高的充电接受能力仍然是铅炭电池追求的重要指标。

5.3　集成示范

铅炭电池因安全风险小、产业链完善、关键材料供应稳定等优势，在6～8 h以上的较长周期储能应用中有一定竞争力。2022年，中国有几个规模较大的铅炭储能项目投运或在建，基本上都为用户侧削峰填谷模式。吉电股份在浙江省湖州市长兴县小浦园区超威郎山工厂园区内，建成10 MW/97 MWh用户侧铅炭储能项目一期工程；安徽华铂再生资源科技有限公司削峰填谷储能项目投运，一期建设规模为9 MW/72 MWh；国家电力投资集团浙江分公司启动“和平共储”综合智慧能源项目，将建设额定容量为101 MW/1062 MWh铅炭储能电站，其中一期工程45 MW/478 MWh已招标。

6 锂离子电池

锂离子电池具有储能密度高、充放电效率高、响应速度快等优点，是目前发展最快的新型储能技术。2022年，我国在液态电解质锂离子电池研究保持活跃并开始大规模应用的同时，固态半固态锂离子电池成为新的热点，并实现了1 MWh的应用示范。总体上我国的锂离子电池储能发展迅猛，硫基电池、锰基电池等新型技术也不断涌现。

6.1　基础研究

在正负极材料改性方面，Shi等围绕高镍材料NCM811氧释放现象，阐述了过充过程中的失效机制，并提出了相应的改性策略；Wang等提出了一种自上而下的微米硅结构化策略，实现微米硅的各向同性渠化和界面可控固化，该策略在锂离子电池硅负极实际应用方面取得了进展。 在功能电解质方面，Yao等报道了一类具有优异低温性能的无碳酸乙烯酯锂离子电解液，其软包电池表现出较好的循环性能和耐寒性。Bao等通过Li _6.5La ₃Zr _1.5Ta _0.5O ₁₂陶瓷骨架中乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯合物电解质的原位固化，研制出不燃、柔性、3D互连结构的超薄CS-CSSE复合电解质，可以实现376 Wh/kg和1186 Wh/L的高能量密度。 在退役电池回收再生方面，Lin等首次发现失效材料中的缺锰机制和阳离子无序现象。采用缺锰升级循环策略，扩大和增强的Li/Mn原位无序结构激活了Li在Mn八面体中心位置的活性，抑制了Jahn-Teler畸变和相变，实现了回收材料的高工作电压，同时保持了高容量和长循环稳定性。该策略有望扩展到其他电极材料，以促进绿色二次电池可持续发展。 在新型锂电池研究方面，由于能量密度高，且硫和锰储量丰富，价格低廉，硫基锂电池和锰基锂电池受到业界的广泛关注。在液态锂硫电池方面，重点方向包括高效合金催化剂、低浓度锂盐电解液、电解质热失控行为等。在固态锂-硫电池方面，重点方向包括高性能聚合物电解质、穿梭效应机理及调控、高性能合金负极材料、电化学反应动力学、新型材料体系构建等。 在锰基锂电池方面，锰基正极材料是当前基础研究的热点，主要包括三类：一是锰基富锂层状氧化物(Mn-LLOs)；二是橄榄石型磷酸锰铁锂(LMFP)；三是尖晶石型锰酸锂(LMO)和高压镍锰酸锂(LNMO)。Wu等报道了一种梯度“单晶”富锂正极材料，通过梯度诱导的稳定结构使富锂材料的长循环稳定性得到提升，并提高其安全性能。Song等将熵稳定策略应用在Mn-LLO材料领域，为局域结构稳定、适应性强的锰基富锂材料的开发提出了建议等。

6.2　关键技术

高比能、高安全、低成本、长寿命是当前锂电池技术研发的重点。材料升级和结构创新是锂离子电池优化性能、降本增效的重要手段。 在材料升级方面，正极材料主要集中在结构改进以及涂层改性。常州锂源新能源研发团队研制成功的新型球状磷酸铁锂产品“铁锂1号”，通过正极材料内部建立高速的锂离子传输通道，实现了在-20 ℃条件下的放电容量保持率从常规磷酸铁锂产品的55%提升至85%，在-40 ℃条件下放电容量保持率从接近零提升至57%，并兼顾出色的快速充电能力。负极材料主要集中在碳材料以及碳基、硅基复合材料的制备和改性，大部分采用元素掺杂、包覆等方法对材料性能改善，提高材料的储锂能力。电解质技术主要集中在高浓度液态电解液和全固态电解质方面，蜂巢能源全固态电池实验室研发出国内首批20 Ah级硫系全固态原型电芯，电芯能量密度可达350～400 Wh/kg。 在结构创新方面，宁德时代开发了基于预锂化技术的长寿命锂离子储能电池，推出了第三代CTP(Cell to Pack)技术——“麒麟电池”，通过结构优化，麒麟电池电池包体积利用率提升至72%，搭配三元锂电芯系统能量密度可达255 Wh/kg。亿伟锂能推出了LF560K电池，采用超大电池CTT(Cell to TWh)技术，可实现电芯单体容量达到560 Ah。蜂巢开发了L型储能电池系统，采用高速叠片技术、负极预锂技术、长循环专用电解液等技术，成组效率、能量密度均得到大幅提升。星恒电源推出了锰酸锂和LMFP复合电池，循环寿命可超过3000次，并且低温性能优良。天能股份推出了高能量密度的超能锰铁锂电池，并且通过了针刺安全实验，-20 ℃下的低温性能优良等。

6.3　集成示范

2022年，在双碳目标的驱动下，国内完成了多个标志性锂离子电池储能电站示范项目，100 MW级锂离子电池储能系统已成常态。宁夏首批电网侧液冷大型储能项目——中核同心泉眼100 MW/200 MWh储能电站成功并网，项目共建设30套3.45 MW/6.7 MWh磷酸铁锂离子电池储能系统，有效实现电网削峰填谷，缓解高峰供电压力。宁德时代全新推出适应户外应用的全气候20英尺(1英尺=0.3048 m)液冷储能集装箱EnerC，阳光电源推出了“三电融合”的全系列液冷储能解决方案PowerTitan和PowerStack，卫蓝新能源推出了2 MWh的高安全等级的混合固液锂离子储能电池系统，海博思创也推出了新一代HyperSafe系列固态电池储能系统产品等。

7 液流电池

液流电池具有高安全、长寿命、大规模、功率和容量配置灵活等优势，在大规模和长时间储能领域具有很好的应用前景。2022年，我国液流电池储能技术得到了快速发展，全钒液流电池取得了里程碑式进展，同时，我国学者积极探索液流电池新体系，推动液流电池的可持续发展。

7.1　基础研究

液流电池的基础研究主要包括液流电池用隔膜、电极等关键材料，以及高能量密度多电子转移水系、有机系液流电池等液流电池新体系。2022年，华东理工大学发展了一种含有定向排列分子筛纳米片的聚合物膜，该种材料在全钒液流电池中具有高的电导率和优异的筛分性能。中科院大连化物所首次报道了水系有机液流电池电堆，为有机液流电池走向实用迈出了第一步。同时，我国学者还开展了高能量密度多电子转移水系液流电池的开发工作，包括锌溴、铁铬、锌碘、锌锰、锌铁、钛锰等多个新体系，开发低成本、高能量密度的长寿命液流电池新体系，对于液流电池可持续发展具有重要的意义。

7.2　关键技术

面对双碳背景下新型电力系统对储能的重大需求，我国在液流电池领域研发投入持续增加，关键技术取得重要进展。中科院大连化物所在新一代高功率密度全钒液流电池关键技术以及高能量密度锌基液流电池等方面取得重要进展，正在研发60 kW全钒液流电池电堆，与已投入使用的30 kW电堆相比，其功率密度可提高一倍，电堆单位成本可降低40%左右。 我国学者还实现了低成本、高性能的非氟阳离子传导膜的大面积制备，大幅降低碱性锌铁液流电池电堆的成本。突破了高能量密度锌溴液流电池关键技术，成功集成出30 kW级的锌溴液流电池电堆。此外其他体系包括铁铬液流电池等也取得重要成果，国家电投集团重点开展了MW级铁铬液流电池的关键技术研发，并启动了相关MW级示范项目工作。

7.3　集成示范

2022年，随着双碳战略的实施和新能源的快速发展，电力行业对大规模储能的需求大幅增加，有力地促进了我国液流电池储能集成示范和产业化项目。2022年，由大连融科建设的100 MW/400 MWh全钒液流电池储能调峰电站正式并网发电，该项目是目前全球功率最大、容量最大的液流电池示范项目，具有里程碑意义。同时，由国家电投集团研发和建设的1 MW级铁-铬液流电池储能系统进入系统调试阶段。在产业化方面，北京普能与河钢钒钛等签约300 MW钒电池储能产业链项目。江苏恒安锌溴液流储能电池项目一期试产，规划产能1.5 GWh。开封时代年产300 MW全钒液流储能电池项目进入全面投产阶段。国家电投集团公司一期规划建设的50 MW铁-铬液流电池示范生产线已完成建设，二期规划将再建设300 MW产能。

8 钠离子电池

钠离子电池由于其资源丰富、低温性能好、充放电速度快等优点，得到了储能领域的高度关注。2022年锂资源价格持续高位，钠离子电池迎来历史发展机遇，正负极工艺路线研究活跃，多家企业已开展产业化布局。

8.1　基础研究

电极材料方面，Ding等报道了结构稳定的长寿命O3型高熵层状氧化物，Gao等发现了氧变价正极材料中的拓扑保护机制；Fu等通过构型熵和离子扩散结构调控实现了稳定的P2型层状正极材料，该材料表现出优异的快充能力和长循环稳定性；Shi等提出了一种高钠P2型层状正极材料，通过微量Nb掺杂构建了富Nb表面重构，倍率性能、循环稳定性以及低温性能得到大幅提高；Stanislav等提出了一种简单、高效合成方法制备了超过其他V基正极材料能量密度的NaVPO ₄F正极材料；Xie等报道了一种杂原子掺杂的“斜坡型”碳基负极，兼顾了高斜坡容量和高首周库仑效率。 固态电解质方面，Chi等合成了一种兼具硫化物和氧化物固体电解质优点的新型硫氧化物玻璃固体电解质，组装的Na-S全电池的能量密度超过800 Wh/kg；Wang等开发了一种高离子电导率、高迁移数、耐高压的全氟聚醚嵌段固态电解质，Chen等开发了一种高离子电导率和高迁移数新型盐包聚合物电解质；Su等报道了一种高电压新型聚合物电解质和一种兼顾高机械强度与高离子电导率的高熵聚合物电解质。

8.2　关键技术

钠离子电池关键技术研究主要包括材料设计与规模制造、电芯制造与成组技术，电芯技术可借鉴锂离子电池的经验，目前的关键仍在于材料。钠离子补偿、电池管理、寿命预测等技术还有待开发。 钠离子电池的正极材料主要包括三条技术路线，即层状氧化物、普鲁士蓝、聚阴离子正极材料。目前，层状氧化物相关量产技术已基本攻克，其工艺流程和设备与锂电三元材料相似，材料一致性好、性能稳定，是量产的首选方案；普鲁士蓝是初期热门路线，但由于其结晶水去除困难，相关制备技术仍在攻克；聚阴离子正极目前主要包括钒基和铁基路线，相关量产技术还在开发。 钠离子电池的负极材料目前主要有碳基、合金类、金属氧化物和硫化物类。碳基负极最为接近产业化，一般分为硬碳和软碳，硬碳比容量较高，但是一般采用生物质前驱体，产碳率低，成本和规模化尚存劣势；软碳类容量较低，前驱体一般采用煤、沥青、石油焦等，产碳率较高，具备成本优势。 钠离子电池的电解液溶剂基本和锂离子电池保持一致，钠盐主要分为无机钠盐(NaPF ₆为主，NaClO ₄)和有机钠盐(NaFSI和NaTFSI)。NaPF ₆的合成工艺与LiPF ₆类似，可用现成的产线量产，是最具产业化前景的钠盐，但热稳定性欠佳；NaFSI导电率高但电化学窗口窄；NaTFSI热稳定性好需高浓度以避免腐蚀集流体。Li等通过协同调控集流体/钠、钠/电解液(SEI)和电解液/正极(CEI)三重界面，开发了能量密度超过200 Wh/kg无负极Ah级钠电池。

8.3　集成示范

2022年，中科海钠联合BlueTTI公司联合开发的全球首款钠离子电池家用储能系统，并正式亮相拉斯维加斯CES展。贲安能源水系钠盐电池动模系统在三峡集团乌兰察布“源网荷储一体化”项目开展园区多种新型储能动模平台调试。三峡新能源在安徽阜阳南部风光储基地公开招标30 MW/60 MWh钠离子电池储能系统，共包含9套钠离子储能单元，建成后是目前全球最大电网侧钠离子储能项目。在产业化方面，中科海钠等企业开始陆续投放正负极材料千吨级、1 GWh电芯生产线，中长期规划产能超过100 GWh，在全球率先实现了钠离子电池材料和电芯的量产。

9 超级电容器

超级电容器作为一种重要的功率型储能器件，具有功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、安全性能好、使用温度范围宽等优点，在轨道交通、新能源发电、智能电网、电动汽车、工业装备以及消费类电子产品等领域具有重要的应用市场。2022年，我国超级电容器储能技术在基础研究、单体制备技术、成组管控技术、系统集成与应用等方面取得了重要进展。

9.1　基础研究

电极材料、水系混合型超级电容器、柔性超级电容器、微型超级电容器和金属离子电容器等是目前超级电容器基础研究的重点方向。在电极材料方面，金属有机骨架是目前研究的热点。Zheng等以Tdc和Bpy为有机配体，与Ni金属中心配位形成了多种形态的[Ni(Tdc)(Bpy)] _nMOF纳米材料(Tdc：2, 5-噻吩二羧酸；Bpy：4, 4"-联吡啶)，这种设计同时符合双配体策略和软硬酸碱原则，与活性炭负极组装成混合型水系超级电容器。在以碳基及其复合材料为主体的电极材料研究方面，Yang等以煤焦油沥青为原料并采用空气预氧化活化的方法成功制备出氮掺杂富氧分层多孔碳，为高性能的超级电容器提供了高性价比的工业思路和性能优良的多孔碳基电极材料。Wang等通过苎麻前驱体的高温自缺陷和金属原子的高温自组装，研发出具有层级结构的有序超结构碳，在高温工作环境下展现出了较高的能量密度。Zhao等研究提出了一种快速高效的激光直写技术，用于原位制备锚定在氮掺杂激光诱导石墨烯复合电极上的氧化镍纳米颗粒，并成功组装成平面微型超级电容器作为可穿戴电子设备的储能元件。 金属离子电容器包括锂离子电容器、钠离子电容器、钾离子电容器和锌离子电容器等，由于具有更高的能量密度备受研究人员关注。中国科学院电工研究所Liu等通过采用热处理还原得到具有强界面作用的还原氧化石墨烯/MnO异质结构材料作为负极，活性炭作为正极以及凝胶聚合物电解质组装成柔性固态锂离子电容器。Zhang等以廉价且可再生的纸巾作为前驱体，制备出一种具有柔性自支撑特性的硬碳微带纸，并与活性炭正极组装成钾离子电容器。Jiang等将聚乙烯醇基水凝胶电解质引入锌离子电容器中，该器件具有良好的拉伸性和具有宽温度稳定性。Zhao等提出了一种利用具有独特交联结构的水凝胶电解质来提高长期循环耐久性的策略。许珂等通过溶剂热和磷化反应制备了Cu-NiCoP微球，组装的ASC器件具有良好的循环寿命稳定性、容量保持率和倍率性能。 此外，开发超级电容器的新颖功能也十分重要，中山大学Tang等结合离子二极管的整流特性和赝电容器的快速充放电特性，首次提出了赝电容器二极管的概念，通过碳电极表面的离子物理吸附以及ZnCo ₂O ₄电极/电解液界面的法拉第反应来存储电荷，而整流功能是基于尖晶石ZnCo ₂O ₄在KOH水系电解液中发生的离子选择性表面氧化还原效应来实现。

9.2　关键技术

在活性炭制备技术方面，中科院山西煤化所解决了淀粉基电容炭工程化放大中交联物料飞温与团聚问题，突破高温连续活化与批次稳定性控制技术，杂离子脱附与固液连续分离技术和材料表面化学定向调控技术，实现500 t/a高品质淀粉基电容炭的产业化。 在隔膜制备技术方面，中国制浆造纸研究院突破工程化制备技术瓶颈，建设完成一条年产百吨级的超级电容器纸示范生产线，产品性能媲美进口同类材料。宁波柔创纳米科技有限公司突破了纳米纤维材料制备工艺难题，以天然纤维与化学纤维为基体，成功开发具有高达50%～70%孔隙率、耐高温和良好透气性的纳米纤维隔膜。 在器件制备技术方面，中车青岛四方车辆研究所有限公司研究了锂离子电容器的自放电特性，提出了一种适用于锂离子电容器自放电性能检测的方法，可以将锂离子电容器的自放电检测时间由几十个小时缩短到1小时，大幅提高了生产效率。 在模组快充技术方面，中国科学院电工研究所以1100 F锂离子电容器制备的17.6～30 V，72 Wh模组为研究对象，采用最大工作功率匹配方法，综合考虑循环寿命和应用工况，开发出适合于锂离子电容器模组的快充技术，以最大360 A的充电电流条件下在115 s内将模组充满电。 在宽温区超级电容方面，中科院大连化物所与中科院金属所联合开发出了一种安全、绿色、低成本的“氯化锂包水”高浓水系电解液，并以此构建出宽温区1.6 V高电压水系微型超级电容器，其可以在-40～60 ℃的宽温度范围内正常工作，该工作突破了水系高电压宽温区微型超级电容器在宽温度区间高效运行的关键技术。 在锂离子赝电容方面，风华高科在高性能赝电容器领域取得突破，推出能量型锂离子超级电容器产品，在相同规格尺寸下，容量比碳基超级电容器大10倍，技术处于国内领先水平。能量型锂离子超级电容器，不仅继承了碳基超级电容器的高功率密度、寿命长的特点，而且承袭了锂离子电池的高能量密度、高电压的特性，其工作电压高达3.8 V以上，明显优于碳基超级电容器(工作电压为2.7～3.0 V)，技术含量极高。 在高电压超级电容器方面，清华大学开发了一种超快电化学电容器，该电容器具有高达150 ℃的耐热性和4 V的宽电压窗口。这种模块还可以过滤任意波形以平滑直流信号，并且在10～10 ⁴Hz的宽频率范围内工作良好，通过串联或并联的简单集成还可以进一步提供所需的电容或高电压。

9.3　集成示范

2022年，三峡乌兰察布兆瓦级锂离子电池/超级电容器混合储能系统并网示范运行，混合储能系统包括1 MW/0.1 MWh超级电容储能系统和0.5 MW/1 MWh锂离子电池储能系统，锂离子电池负责削峰填谷及响应调频持续分量，超级电容器负责响应调频随机分量与脉动分量。在轨道交通领域，超级电容和燃料电池复合组成的全球首列时速160 km列车研制成功，青岛地铁4号线基于超级电容器能量回馈系统正式开通运营。中国船舶集团世界首艘纯超级电容动力渡轮“新生态”号顺利运行。 此外，还有多个超级电容器示范项目启动，包括金湾发电有限公司的16 MW磷酸铁锂+4 MW超级电容器储能系统AGC混合储能辅助调频项目、烯晶碳能电子科技无锡有限公司牵头承担的国家重点研发计划项目“低成本混合型超级电容器关键材料与技术及兆瓦级系统示范”项目，以及山西省襄垣县的“源网荷储”一体化50 MW锂离子电池+超级电容混合储能试点示范项目等。

10　新型储能技术

除以上储能技术外，我国学者还开展了多种储能新概念和新技术的研究和探索，为储能技术的未来发展提供了新的研究方向，这里选取2022年发展比较快的重力储能、热泵储电、压缩二氧化碳和液态金属储能技术，做简要介绍。

10.1　重力储能

重力储能具有选址灵活、环境友好、储能容量大、循环寿命长、零自放电率、放电深度高、响应快、效率高等优点，是一种最近广受关注的物理储能技术。但重力储能技术尚不完全成熟，有待进一步研究和发展。 在基础研究方面，对于重力储能系统来说，由于固体重物的不可流动性和不连续性，实现多重物的连续高效和快速传动、减少重物启停和切换过程对机械传动和电网系统的冲击是其核心技术难题。 在系统设计方面，陈云良等类比抽水蓄能技术构想了一种含重力轮机、上/下仓的重力储能发电方案，并提到借鉴抽水蓄能电站的抽水/发电双向运行的可逆式机组技术思路。肖立业等考虑到废弃矿井的安全性及储能塔的建筑稳定性要求较高，提出一种将储能塔建造在地下竖井(或斜井)中的方案，并列举了竖井和斜井的各自适用场景。中科院工程热物理所秦婷婷等针对斜坡轨道列车重力储能系统，分析了系统各部件在储能过程和释能过程的能量损耗特性，研究了载重车辆质量、车辆速度、斜坡坡度等因素对系统效率的影响规律。 在重力电动/发电机组方面，陈云良等构想出一种与水泵水轮机作用类似的重力轮机，与发电机组成重力发电机组，可保持势能转化的连续性。Tong等分析得出电动/发电机组效率的提高对固体重力储能系统的循环效率有显著影响。赵永明等根据重力储能系统高载重、低速率的特点，表明低速大扭矩永磁同步电机是较好的电机选择，并设计出适合低速大扭矩永磁同步电机并网系统。 在储能介质方面，Tong等通过对比分析几种固体重物介质的重量单位容量成本，得出砂、混凝土和铁是最合适的重质材料，并列举其各自的适用场景。夏焱等提出可利用建筑垃圾作为储能媒介，具有环保型和经济性。中国天楹公司的重力储能项目有多种重力块替代方案，目前正研究利用垃圾焚烧底灰和塑料、工程渣土、固废等为原材料制备重力块。 在储能系统及并网稳定性方面，中国科学院电工研究所针对垂直式和斜坡式系统中电网-电机-传动机构-重物复杂机电系统的动力学特性进行了系统分析，获得了重物加减速及切换过渡过程对电网和传动机构稳定性的影响规律，并提出了基于多电机集群或耦合功率型储能系统的协调控制策略，为提升系统稳定性和能效提供了依据；国网黑龙江省电科院针对多重物联合储能系统，提出了利用潮流计算和粒子群算法的电网无功优化和电压控制以及储能系统功率分配策略，为提高电网电压稳定性及系统效率提供了依据。 重力储能的关键技术主要包括重力储能电动/发电机及其控制系统设计技术、多重物连续高效和快速传动技术、储能系统并网技术和功率平滑技术等。 在重力储能电动/发电机及其控制系统设计技术方面，中国科学院电工研究所提出了重力储能用永磁半直驱电动发电机的设计方案，并对不同转速和转矩情况下电动发电机的效率进行了仿真分析；进一步对重物悬停和电网短路情况下永磁电机的不可逆失磁问题进行了探讨，提出了改进方案；研究了永磁同步电机经变流器并网控制方法，分别设计机侧、网侧控制系统实现重力储能系统的稳定并网运行。 在多重物连续高效和快速传动技术方面，实现重物传动的自动化连续高效传动是研究热点。中国科学院电工研究所提出了在垂直式重力储能系统中利用卷扬提升机-自动吊具-轨道平车实现重物在水平方向和垂直方向自动接驳传动的技术方案，研究了重物的位置、速度和加速度测量方法，建立了垂直式重力储能实验平台，初步验证了技术可行性；国网电力科学研究院、河北燊能产业集团分别提出了基于传动链的斜坡式重力储能技术方案，通过多个重物分载和接力实现重物的连续传动，并建立了斜坡式重力储能实验平台，初步验证了技术可行性。 在储能系统并网技术和功率平滑技术方面，中国科学院电工研究所提出了利用飞轮储能对重力储能功率间歇进行补偿的技术方案，通过系统仿真验证了技术的可行性；在多机系统协调控制技术方面，华北电力大学提出了基于延时时间-响应时间和延时时间-峰值功率耦合关系的斜坡式重力储能系统多机组快速起动控制策略，旨在多机组并网后实现快速响应的同时兼顾小功率冲击。 2022年，重力储能系统的集成示范方面也取得了一定进展。中国科学院电工研究所完成了基于竖井的10 kW级垂直式重力储能原理验证样机。河北燊能产业集团完成基于山体斜坡的10 kW级重力储能原理验证样机。此外，中国天楹公司在江苏如东正在开展基于地面构筑物(147 m高差)的25 MW/100 MWh垂直式矩阵型重力储能示范项目建设。国内一些电网、发电和矿业相关企业也在积极谋划重力储能示范项目的开发。

10.2　热泵储电

热泵储电技术(pumped thermal electricity storage，PTES)是基于热力学循环和热能存储技术的一种新型长时储电技术，具有能量密度高、成本低、适用于大规模等特点，极具发展潜力与前景。目前，我国的热泵储电技术尚处于基础研究和关键技术研发阶段。 在系统设计方面，Wang等根据热泵储电系统和液态空气储能系统在冷能方面“时空互补、温度对应”的特性，提出新型热泵空气储能系统，将系统储能密度提高至107.6 kWh/m ³。Xue等提出了采用相变储热填充床的回热式PTES系统，并对其热力学特性和瞬态行为进行了探究。Pang等将热化学储能技术和PTES系统耦合，揭示了采用Ca(OH) ₂/CaO工质对系统内部的㶲流特征。Sun等对以SCO ₂为工质的PTES系统进行了热力学设计和优化以及一系列针对性的结构改进，例如回热结构设计、取消低温储热以及再压缩等。 在系统优化设计和经济性分析方面，Zhang等针对全球范围内用电峰谷时段变化大的问题，对不同储/释时间比的PTES系统进行了多维、跨尺度设计参数优化，可得到高至70.97%的往返效率和低至0.19 $/kWh的平准化存储成本。Zhao等对采用显热储热的几种PTES系统进行了热经济性分析和优化。以CO ₂为工质，Therminol VP-1为储热材料的跨临界朗肯PTES系统可以获得最高往返效率68%，最低功率和能量投资成本分别为3790 $/kW和396 $/kWh。Liu等对基于有机朗肯循环和蒸气压缩热泵的回热式PTES系统进行了经济性、能量分析和㶲分析，可以得到0.3 $/kWh的平准化存储成本。席奂团队针对朗肯循环PTES系统进行了系统参数设计优化以及经济性分析工作，系统㶲效率约为20%。Zhang等基于有限时间热力学模型推导了PTES和PCES系统在全过程生态优化下的最优往返效率，探究了储释电时间比对工质温度、输出功率和最优效率的影响，并确定了优化效率的上下限和最优区域。 在部件设计层面，Zhao等对基于布雷顿循环的PTES系统中蓄热器布置方式以及蓄热管道内流体流速等关键参数进行了分析，结果表明在热电联供模式下，采用级联相变储热器的系统往返效率可达62%以上。 在运行控制方面，Shi等对采用液态存储的闭式布雷顿循环PTES系统的变负荷特性进行了探究，并提出了多种变负荷控制方法。Yang等探究了电功率输入的扰动特性，提出的工质存量控制策略可控制PTES系统的净功率输出以适应负载需求变化。Lu等探究了闭式布雷顿循环的PTES系统在启动过程中的控制策略和动态性能，分析了储释电过程转速上升率、系统初始压力等关键参数对系统启动性能的影响。Xue等研究发现将PTES系统集成到燃煤电厂中可有效提升燃煤电站的深度调峰能力。

10.3　压缩二氧化碳

压缩二氧化碳储能系统(CCES)是基于压缩二氧化碳和布雷顿循环的一种物理储能技术，具有储能密度大、运行寿命长、系统设备紧凑等优势。目前，我国压缩二氧化碳储能尚处于起步阶段，相关研究还处于理论设计和初步实验验证阶段。 在系统设计分析与改进优化方面，李乐璇等建立了超临界压缩二氧化碳储能(SC-CCES)传统㶲分析和先进㶲分析模型，分析结果显示，SC-CCES系统效率可达60.30%，压缩机是㶲损失最大的环节。Wu等对跨临界压缩二氧化碳(TC-CCES)系统进行了参数分析，结果表明高压储气罐压力和涡轮机入口压力存在最优值。Sun等对液态压缩二氧化碳储能(LCES)系统进行了参数分析，结果表明压气机和涡轮机㶲损失和成本超过所有部件的55%。Lu等对一种TC-CCES系统的分析得出，提高压气机和涡轮机等熵效率，降低涡轮出口压力，降低高压节流阀压降等可以改善系统热力学性能。Liu等考虑了CO ₂与有机流体混合利用，结果表明纯CO ₂体系具有较高的循环效率，而混合流体体系具有较高的能量密度。文献[ 207-210]分别提出并研究了利用夜间环境冷量、近等温压缩和膨胀、低压储罐内填充高性能吸附剂、热量回收装置等改进系统性能的方法。 在压缩二氧化碳储能系统与其他系统耦合研究方面，Xu等提出了一种基于压缩二氧化碳储能和碳捕获的热电联产系统，热力学分析结果表明，改进后的系统效率和容量分别提高至63.44%和16.23 MW。为了提高火电厂的运行灵活性，Chae等提出并讨论了将压缩二氧化碳储能系统集成到蒸汽循环中的可行性和可能性。Zhang等提出了一种由压缩二氧化碳储能和有机朗肯循环组成的集成储能系统，对系统进行了㶲分析，发现换热器的㶲损失最大(占总㶲损的39.17%)，说明了对其进行优化的必要性。Fu等研究了耦合太阳能对CCES系统循环效率提升的影响。Qi等提出了LCES系统耦合甲烷发电工艺的集成系统，并基于人工神经网络进行系统优化，建立了成本最优设计。 作为一种较前沿的物理储能技术，压缩二氧化碳的关键技术研究，主要包括关键部件设计开发、高性能材料选择和系统动态运行控制等方面。 在关键部件研发方面，Xu等对LCES系统中的换热器进行了设计，并对换热器的传热过程进行了分析。Huang等将超临界换热器分成两部分，分别提供不同质量的储热介质，设计了一种新的储热构型。目前，多使用体积小、换热效率高、耐高温高压的构件作为换热核心设备，Wang等从冷热两侧的温压差和影响其强度的主要因素入手，研究了温度和压力对印刷电路板式换热器(PCHE)换热特性的影响，并对设计条件下PCHE的详细应力强度展开分析。Stanek等提出了使用等压罐储存CO ₂的方法，对等压储罐主要几何特征进行了设计。 在高性能材料选择方面，李恺提出了一种基于超临界二氧化碳布雷顿循环的塔式太阳能热发电系统，选取太阳盐作为储能蓄热循环中的熔融盐工质，并对其储能蓄热子系统进行了设计。Xu等研究了甲醇作为传热介质对换热器性能的影响，结果表明采用甲醇可以有效地实现二氧化碳相变过程的换热。Li等将捕获的CO ₂注入目标含水层存储，并采用数值模拟的方法研究了气泡体积、含水层渗透率等参数对目标含水层存储性能的影响。 在系统集成运行控制研究方面，为了获得与可再生能源并网应用时的最优性能，韩中和等讨论分析了耦合太阳能的CCES系统不同运行方案下系统热力性与经济性的差异。严晓生等提出了LCES系统与火电机组耦合的方案，建立了其热力学系统模型，确立了最佳储能耦合方案。Zhang等建立了两级压缩两级膨胀CCES系统的动态模型，分析了滑动压力条件下储能系统的动态特性，并对关键参数、部件和系统整体的动态特性进行评价。王迪等提出燃煤机组集成SC-CCES系统以提升燃煤机组灵活性的方案，在仿真平台构建耦合SC-CCES循环的燃煤机组动态数学模型，探究了SC-CCES系统储/释能阶段关键参数的动态特性。 2022年，百穰新能源科技公司投资建设了“压缩二氧化碳储能系统验证项目”进入收尾调试阶段，该项目采用二氧化碳+飞轮储能技术方案，储能规模10 MW/20 MWh，是目前在建的全球单机功率最大、储能容量最大压缩二氧化碳储能示范项目。

10.4　液态金属

液态金属电池是近年来发展起来的一类新型电化学储能技术，采用液态金属和无机熔盐作为电极和电解质，上下两层以密度不同的液态金属分别作为负极和正极，无机熔盐层居中兼作隔膜和电解质，三层液态由于密度差异和互不混溶特性自动分层。液态金属电池具有结构简单容易放大、储能成本低、循环寿命长、安全可靠性高等优势，在规模储能领域具有重要应用前景。近年来液态金属电池的研究进展主要集中在低熔点及低成本材料体系、高性能大容量单体构筑、长效密封绝缘技术及器件制备、电池管理和寿命预测等方面。 在低熔点及低成本材料体系方面，围绕电极材料体系，华中科技大学Yan等提出了基于“固-液-固”转变机制高比能Li-Sb液态金属电池新体系；Zhou等设计了一类用于钠基液态金属电池的三元混合阳离子熔盐LiCl-NaCl-KCl电解质，较好地解决了金属Na在熔盐中的溶解问题，成功实现了低成本Na-Bi-Sb液态金属电池新体系。Zhou等开发了Bi-Sb-Te合金电极体系，通过Li ₂Te固体嵌入Bi-Sb相提升了电池倍率性能。围绕电池反应机制，Li等揭示了Li-Sb-Sn电池在放电-充电过程中正极界面的相变规律，分析了固相金属间化合物Li ₃Sb生成(放电阶段)前后以及分解(充电阶段)前后Li ⁺的动力学特征，构建了完整的液-固相变行为的热力学模型与传质行为的动力学模型。围绕电池界面特性分析，Jiang等基于二维轴对称模型，分析了Li-Sb-Sn液态金属电池放电过程中固态金属间化合物的不均匀沉积，揭示了非均相放电阶段，正极层中体相反应位点对电池大倍率放电容量的提升机制。Zhou等研究了全液态金属电池内部流动对电池电化学性能和安全特性的影响规律，量化分析了层间大密度梯度对电池界面应对流动扰动鲁棒性的提升作用；揭示了正极中组分对流与熔盐中自驱动流动通过促进传质提升电池性能的作用机制，为大容量液态金属电池的构建提供了理论指导。 大容量液态金属构建方面，Zhou等基于多物理场耦合界面特性分析，提出了大尺寸液-液界面分区限域稳定化策略并优化集流体结构设计，成功构筑600 Ah级液态金属电池单体。在电池长效密封绝缘关键技术方面，Jia等设计了用于液态金属电池的对称梯度结构部件Mo/AlN/Mo，该密封件用于电池服役一年后，氦漏率低于1×10 ^-10Pa∙m ³/s。在此基础上，Shi等提出大容量电池长效服役稳定化策略，实现了液态金属电池循环13000圈，容量保持率89.2%，预期服役寿命可达20年。在电池模组构建与系统集成方面，华中科技大学等开发了大容量液态金属电池单体一致性提升技术，实现单体容量、内阻等参数的精准控制；构建了适用于液态金属电池的两级均衡系统，有效降低电池的均衡误差以及SOC估算误差；基于有限元模拟与实验相结合实现了动态保温技术与能量均衡，发展了响应快、功耗低的高效电池能量管理系统；构建了国内首套5 kW/30 kWh的液态金属电池储能模块，有效推动了液态金属电池储能技术的实际应用。 2022年，华中科技大学牵头承担的科技部重点研发计划项目“液态金属储能电池关键技术研究”通过验收，在电池材料、器件、应用层面开展深入研究，突破了大容量液态金属电池单体构建与系统集成关键技术。国内方面，华中科技大学与华电集团、南方电网公司等紧密合作，积极推进液态金属电池示范项目落地。

10.5　其他新技术

（1）双离子电池。双离子电池作为一种新型电化学储能技术，依靠阴阳离子的协同氧化还原机理实现储能，具有电压高、成本低、环保等优势，近年来得到了广泛关注和研究。正极材料、电解液和负极材料是当前双离子电池研究的主要方向。 在正极材料方面，与金属离子电池不同，双离子电池正极通常采用石墨类碳基材料，通过阴离子的插层/脱嵌过程实现电池的充放电。然而，石墨正极层间距小、活性位点少，导致阴离子插层理论容量有限，插层动力学不足；阴离子插层石墨还面临溶剂分子共嵌问题，导致插层容量降低、正极石墨片层结构发生剥离，循环稳定性下降。因此，相关研究重点在于对碳基正极材料进行结构设计与界面改性，从而改善正极材料的结构稳定性、抑制溶剂分子与阴离子的共嵌现象等。 在电解液方面，不同于金属离子电池，双离子电池电解液不仅作为离子传输媒介，也是充放电过程中的活性离子来源，因此对电池容量、循环寿命、能量密度等电化学性能具有重要影响。传统碳酸酯类电解液电化学稳定窗口窄，高电压下易发生氧化分解，且电解液浓度低，导致双离子电池能量密度受限。基于双离子电池的特点，目前电解液的研究工作主要集中在开发具有高电压、高浓度、高安全以及耐低温等特性的电解液体系。 在负极材料方面，双离子电池负极与金属离子电池的反应机理一致，常用负极材料主要包括碳基负极材料、过渡金属氧化物/硫化物负极、有机负极以及合金化负极等。其中，合金化负极作为一类高比容量、反应电位适中的负极材料逐渐受到关注，特别是针对合金化负极存在体积膨胀较大、循环寿命不足的问题，进一步围绕合金化负极开展了大量的结构设计与改性研究。 双离子电池的产业化研究与应用探索目前也在稳步推进中，以中国科学院深圳先进技术研究院、中国科学院青岛能源所、中国科学院长春应化所为代表的科研单位基于前期基础研究，开展了产业化中试研究，目前已开发出具有20 Ah容量的单体电芯，将逐步探索双离子电池在多种场景的应用示范。 （2）有机储能电池。有机储能电池采用具有可逆电化学氧化还原活性的有机物分子作为电极材料的一类新型电化学储能技术。有机电极材料具有原材料绿色环保、成本低、结构可设计性强等优点，有机储能电池在力学性能、温度适应性等多功能应用场景上有优势，近年来受到了研究者们的广泛关注。 有机储能电池的研究内容主要包括高容量有机正、负极电极材料的设计与制备；有机电极材料电荷存储机制的研究；有机物分子在充放电过程中结构(官能团、晶体结构等)演变规律；有机电极材料体系固/液态电解质的研发；长寿命、极端应用场景下有机离子电池体系的构建；有机电池电芯制造工艺及模组集成技术的探索等。国内多所高校及科研院所包括南开大学、复旦大学、郑州大学、武汉大学、浙江大学等开展了关于有机储能电池材料的研发工作。 为提升有机储能电池能量密度和综合电化学性能，目前正在研发的关键技术，首先是高性能有机电极材料的低成本工业化制备，这其中涉及合成路线的优化；其次是高面容量厚电极的制备工艺探索，由于有机电极材料一般由C、H、O、N等轻质元素组成，密度较低，导致在高面容量厚电极制备工艺方面还存在较大的挑战，而如何实现高面容量有机电极是提升电池整体能量密度的关键技术；同时，模组结构设计、集成技术及热管理技术等也是有机储能电池发展的关键技术。 目前有机储能电池仍处于基础研究阶段，尚无大规模集成示范。

11　系统集成技术

由于化学电池系统的复杂性，本文的集成技术主要指化学电池的集成技术，关于物理储能的集成技术相关文献较少，本文暂不评述。2022年，规模化储能电站的高速发展，大幅推动了化学储能系统集成技术进步。化学储能系统集成技术，已由粗放式集成向一体化安全高效集成方向转变。

11.1　基础研究

在功率变换方面，面向电池成组不一致性主动控制需求，在其他电能变换领域中应用较为成熟的功率变换拓扑正被广泛地应用到储能功率变换中，不同功率变换拓扑的组合实现了电池单体之间、电池包之间、电池簇之间等主动均衡控制，但随之带来的系统效率损失、成本上升、可靠性降低、故障隔离等问题还有待进一步研究。此外，面向电池储能规模化大容量应用需求，高压直挂型大容量储能功率变换系统研究进一步深入，基于CHBC(cascaded H-bridge converter)拓扑的储能功率变换系统单机容量、交流侧电压等级进一步提升，基于MMC(modular multilevel converter)拓扑的储能功率变换系统工程样机达到几十兆伏安水平。 在电池管理方面，更加精准的电池状态估计直接影响电池及电池系统均衡控制功率分配和安全可靠运行，电池管理研究在理论层面主要面向电池荷电状态、健康状态、剩余使用寿命在线评估智能算法，在应用层面主要研究电池管理系统主要功能模块与功率变换器控制单元、能量管理控制单元进一步深度技术融合，使得电池的状态感知更加直接、可靠地用于电池及电池系统的充放电控制和故障保护。 在运行控制方面，在保证网络安全前提下，如何实现规模化储能集群控制和拥有海量数据的百兆瓦时、亿瓦时电池储能电站运营管理是当前规模化储能应用研究热点，运营管理研究方向主要包括海量数据秒级存储、远程传输、基于人工智能的数据分析等，运营管理的主要目的是为可靠调用、运营交易决策提供可靠数据支撑。

11.2　关键技术

电池系统的故障诊断技术是规模化电池储能电站安全、长效运行的关键支撑技术。电池系统的故障包括了单体电池故障、电池管理系统故障、绝缘失效、连接器故障、热管理故障等，同一故障对不同电池存在特征差异，而且不同故障类型可能存在相似的故障特征，准确识别不同故障的电、热、化学特征非常重要。当前的研究还集中在基于温度、电压、电流等常规参数的单一故障特征挖掘，诊断算法难以实现准确度与鲁棒性兼顾，未来的趋势是基于大数据的故障特征挖掘，并通过人工智能算法提高识别准确性。 在电池系统运行中，电池单体、电池包、电池簇各级不一致性是动态变化的，因此要真正高效地实现电池系统各层级主动均衡控制，必须研究基于电池状态评估的电池系统内功率分配技术，特别是电池储能系统在并网运行过程中要实现为电力系统提供多时间尺度功率支撑，必须要针对电池系统的荷电状态、可用容量、可用功率等参数动态变化特性，研究参数自适应的优化控制技术，保障并网储能单元可靠调用。

11.3　集成示范

南网储能广东五华70 MW/140 MWh宝湖储能电站项目，采用了高效智能风冷和浸没式液冷两种高能量密度1500 V磷酸铁锂储能系统，全站配置基于秒级数据存储技术的智能化能量管理控制系统，并将通过智慧储能数字化运营管控平台实现远程智能运维和运行辅助决策应用示范。湖北荆门新港50 MW/100 MWh高桥储能电站项目，该项目采用构网型储能变流器接入电网，通过采用构网型控制策略实现功率自同步，可开展电池储能为高比例新能源接入区域电网提供多时间尺度功率支撑工程应用验证。

12　消防安全技术

化学储能规模的快速增长，对消防系统的需求愈加迫切，化学储能的消防安全已成为行业关注的热点。2022 年，我国在储能电池系统火灾发生机理、灭火剂及其机理、热失控火灾预警技术等方面均取得重要进展。

12.1　基础研究

2022年，在单体电池安全性研究的基础上，研究者们更加关注储能电池模组及储能集装箱的火灾发生机理，在此基础上研发新型高效灭火剂。 在电池火灾发生机理方面，中国科学技术大学等研究了储能电池产气、热失控传播以及储能集装箱的燃爆行为。针对储能电池模组，考虑了束缚力以及模组顶盖的影响，施加一定的束缚力(约3 kN)可降低电池鼓胀、漏液、内短路和爆炸的风险；当模组采用水平顶盖时，其火灾危险性高，倾斜顶盖会降低热失控传播速度。针对储能集装箱的安全设计，模拟分析了电池舱发生燃爆的动压以及火焰危害范围，优化了泄压板开启压力及位置。 在电池系统灭火剂及其机理方面，进一步提高灭火冷却效能并保证经济性和环保性是研究重点。中国科学技术大学综合对比了不同灭火剂扑灭电池火灾的效能，揭示了全氟己酮灭火的优异性能及作用机制。此外，融合复合添加剂的细水雾、水凝胶，以及F-500水溶液为代表的新型灭火介质也在扑灭电池火灾中展现出较大潜力。

12.2　关键技术

在热管理技术方面，空冷和液冷是当前电池储能系统热管理的主要形式。针对空冷技术，研究者们主要采用增加挡板和二次出口的方式优化其冷却性能。针对液冷技术，主要通过优化微通道界面形状尺寸强化传热，同时采用纳米流体、碳氟化合物等冷却介质优化散热性能。相变材料-液冷系统、相变材料-纳米流体-隔热材料等复合热管理系统也是当前研究的热点。此外，为实现低温环境下储能系统的正常运行，研究者们提出了采用微热管预加热电池的新型热管理技术。 在热失控火灾预警技术方面，基于储能电池热失控过程中会产生大量气体的特性，研究者们提出了基于模组内气压变化的热失控预警技术，并针对不同热失控触发模式开展了系统验证。基于数据驱动的神经网络预测技术也在预测热失控及其传播行为的应用中取得良好效果，实现了模组内温度分布的准确预测以及热失控精准定位。天津消防所针对电池模组形变力特征进行了系统研究，研发了基于变形应力的早期预警技术和产品。此外，基于CO、CH ₄、C ₂H ₄等多特征气体的预警方式也在提高预警精度、提前预警时间上发挥了重要作用。 在热失控抑制及灭火技术方面，研究者们发现气凝胶和三水合乙酸钠/膨胀石墨等相变隔热材料对电池热失控传播有良好的抑制效果。液氮凭借其优异的降温性能能够有效阻断电池的热扩散过程，同时具备灭火和抑爆功能，天津消防所等单位研制了具备电池灭火-降温-抑爆作用的新型液氮灭火系统，解决了经济、长期贮存与加压输送、组合分配设计与控制等关键技术难题。对于储能舱层级的灭火，簇级释放全氟己酮灭火方式优于舱级灭火方式，采取二者相结合的灭火方式具备最佳火灾抑制效果。

12.3　集成示范

已有的储能系统消防技术多以七氟丙烷系统为主，部分项目采用了模组级细水雾灭火系统。2022年，全氟己酮消防系统也逐渐在储能示范项目中得到推广应用，如宁夏宁储利通区板桥100 MW/200 MWh共享储能电站采用了多参数融合预警技术和全氟己酮补偿式喷射技术。通过对锂离子电池热失控特征参数进行全周期监测，配合有效的消防联动策略，从而达到对锂离子电池系统火灾的早期扑救和防止复燃的目的。浙江萧山电厂50 MW/100 MWh储能项目在管网式七氟丙烷灭火系统的基础上，增加了应急状态下迅速连接供水管网的自动喷水灭火系统，用于防止储能火灾规模的扩大。

13　综合分析

13.1　基础研究

图1给出了依据“Web of Science”核心数据库，以“Energy Storage”为主题词统计的2022年度中国机构和学者关于储能技术发表的SCI论文数。从图中可以看出，2022年度中国机构和学者共发表SCI论文数13941篇，其中储热技术、锂离子电池技术、钠离子电池技术、超级电容器的SCI论文数超过1000篇，为当前我国储能领域基础研究的热门技术方向。与2021年相同，总体上化学储能的SCI论文数仍高于物理储能，这主要是由于储能材料的发表论文数非常高，达到5542篇，其中化学储能材料研究明显比物理储能活跃。与2021年相比，物理储能在整个储能领域的占比有所增加，这主要是因为储热技术研究领域发表论文数有较多增加，同时抽水蓄能、压缩空气、飞轮储能等物理储能技术发表SCI论文数均有所增加。同时，2022年热泵储电、压缩二氧化碳、重力储能等新型储能技术也发表了一定数量的SCI论文，这说明新型储能技术的研究已相当活跃。 图12022年中国主要储能技术发表SCI论文数 图2给出了依据“Web of Science”核心数据库，以“Energy Storage”为主题词统计的2022年度世界主要国家关于储能技术发表的SCI论文数。从图中可以看出，2022年，全世界共发表储能技术相关SCI论文27884篇，较2021年有小幅增加。其中，中国、美国、印度、韩国、德国、英国、澳大利亚、沙特8个国家发表SCI论文数超过1000篇，伊朗发表999篇，也接近1000篇。与2021年相比，发表SCI论文数超过1000篇的国家增加1名，即沙特。2022年度，中国机构和学者发表了13941篇SCI论文，继续位居世界第一，在全世界储能领域发表SCI论文数占比达到50.0%，比2021年有所增加。中国保持了全球储能技术基础研究最活跃国家的地位，且领先程度在进一步扩大。从分项技术看，图1中所列出的所有单项技术，包括抽水蓄能、压缩空气、储热、飞轮、锂离子电池、超级电容、钠离子电池、铅电池、液态金属、液流电池，中国机构和学者2022年发表的SCI论文数均位于世界第一。 图22022年世界主要国家储能技术发表SCI论文数 图3给出了依据“Web of Science”核心数据库，以“Energy Storage”为主题词统计2010—2022年世界主要国家关于储能技术发表的SCI论文数，其中中国、美国、印度、韩国、德国、英国、澳大利亚、日本、法国、意大利、伊朗、沙特位列前12位。需要说明的是，图3中的2010—2021年发表SCI论文的数据和文献[ 6]中的数据稍有不同，主要是由于“Web of Science”数据库本身更新的原因，但总体趋势与文献[ 6]是一致的。相较于2021年，中国、印度和沙特2022年度发表SCI论文数有明显增加，而美国在2022年度发表SCI论文数2928篇，相较于2021年的3339篇有所减少，其他国家在2022年度发表SCI论文数相较于2021年变化不大。 图3世界主要国家储能技术发表SCI论文数(2010—2022) 从发展趋势看，自2010年以来，所有12个国家发表的储能相关SCI论文数均有所增加。这12个国家可以分为两类：一类是美国、德国、英国、澳大利亚、日本、法国和意大利7个西方发达国家，它们的储能相关SCI论文数大致经历了两个时期，即2010—2016 年论文数快速增长，2017年开始论文数基本稳定；另一类为中国、印度、韩国、伊朗和沙特这5个新兴国家，它们的储能相关SCI论文数自2010年以来一直在增长，目前仍保持上升趋势。特别是中国和印度储能相关SCI论文数增长趋势强劲，比如2010年中国的SCI论文数只有美国的约1/2，但到2013以后中国已超过美国成为全球储能相关SCI论文数的第一大国，2017年以后其SCI论文数已大幅领先美国；印度2010年只有美国SCI论文数的约1/6，2022年已非常接近美国。 综合分析图2和图3中世界主要国家储能技术发表SCI论文数，可以看出当前世界储能技术基础研究的基本格局，主要可分为两类国家：一类是美国、德国、英国和澳大利亚为代表的西方发达国家；另一类为中国、印度、韩国和沙特为代表的新兴国家，这同2021年的格局基本没有变化。但新兴国家的基础研究活跃度持续增加的趋势明显，而发达国家基本进入稳定期。经过最近约10年的发展，中国储能技术的基础研究活跃度已领先世界其他国家，目前每年发表约14000篇储能相关SCI论文，成为储能技术基础研究的第一梯队；而美国和印度紧随中国之后，目前每年发表约3000篇储能相关SCI论文，为储能技术基础研究的第二梯队；其他9个国家在第三梯队，每年发表储能相关SCI论文数约为500～1500篇。

13.2　关键技术

表1给出了2022年中国储能关键技术进展的总结。从表中可见，2022年我国主要储能技术研发均取得了重要进展，获得了多个里程碑式的成果。综合分析大致可以分为三类。一是基本成熟类，主要包括抽水蓄能、铅蓄电池、储热储冷和锂电池技术，其技术研发的重点在于进一步提升性能。二是集成示范类，主要包括液流电池、压缩空气储能、飞轮储能和超级电容器技术，其技术研发的重点为突破储能系统集成示范的关键技术。三是关键技术类，主要包括钠离子电池、重力储能、热泵储电、液态金属等，其技术研究的重点在于突破关键技术，实现从实验室技术到集成示范的转变。同2021年相比，储能技术的三种分类总体没有变化，单项技术中锂离子电池从集成示范类提升到基本成熟类，超级电容器从关键技术类提升到了集成示范类。

表12022年中国储能关键技术与示范进展

图4给出了依据全球专利数据库incoPat，以“Energy Storage”为主题词统计的，2010年到2022年中国机构在中国地区申请的发明专利数。从图中可见，从2010年到2022年中国储能技术发明专利申请数持续增长，2022年中国储能技术发明专利申请数为47406件，相较于2010年增长近十倍。 图4中国储能技术申请发明专利数(2010—2022) 图5给出了依据全球专利数据库incoPat统计的，2022年中国机构在中国地区申请的主要储能技术的发明专利数。可见，2022年，各种储能技术中，储热储冷技术发明专利申请数为最多，12309件，锂离子电池、液流电池、液态金属、钠离子电池技术也非常活跃，申请发明专利数均高于3000件。总体上，化学储能发明专利申请数高于物理储能，和材料密切相关的储能技术，如储热储冷、锂离子电池、液流电池、液态金属、钠离子电池技术等，申请专利的活跃度很高。各种储能技术申请专利的活跃度情况，同图1基础研究SCI论文的情况基本吻合。 图52022年中国主要储能技术申请发明专利数 图6给出了依据全球专利数据库incoPat，以“Energy Storage”为主题词在世界知识产权数据库(WIPO)中统计的，2010—2022年世界主要国家关于储能技术申请的国际发明专利数。需要说明的是，2022年各国储能技术发明专利申请数明显偏低，这是由于数据库统计滞后的原因，因此图中2010—2021年的数据更具参考价值。图中可见，美国、中国、德国、日本、法国、韩国、英国、瑞士位列2010—2022年累计发明专利申请数前8名。从总体趋势上看，除中国外，其他7个国家的储能国际发明专利申请数均基本稳定，而中国储能国际发明专利申请数呈现持续增长趋势，从2010年的全球第4位，提升到2018年的第一位，并且在此后一直保持居于世界第一位。尽管从2010—2022年WIPO国际发明专利累计总申请数中国仍少于美国，但自2018年中国超越美国后，中国储能国际发明专利申请数均高于美国(不考虑2022年滞后数据)。 图6各国储能技术WIPO国际发明专利申请数(2010—2022) 图7给出了2021年各国储能技术WIPO发明专利申请数。2021年，中国储能WIPO国际发明专利申请数为1188，位居世界第一，占全球的33%。其次是美国、德国、日本等国家。2021年中美两国储能技术发明专利申请数总和超出世界一半。综合图1～图7可见，在储能技术领域，无论从基础研究还是关键技术领域，中国都已成为世界上最为活跃的国家，这与中国政府和企业10余年加大对储能技术的研发投入是吻合的。 图72021年各国储能WIPO国际发明专利申请数 图82022年底中国储能项目累计装机分布 图92022年中国储能集成示范和产业化梯队

13.3　集成示范

表1也给出了2022年中国储能集成示范进展的总结。从表中可见，2022年我国主要储能技术的集成示范均取得了重要进展，取得了多个里程碑成果。综合分析大致可以分为三类。一是系统规模或者性能提升的集成示范，主要包括抽水蓄能、锂离子电池、压缩空气储能、铅蓄电池和储热储冷等。二是验证关键技术突破的集成示范，主要包括锂离子电池、液流电池、压缩空气储能和飞轮储能等。三是该类技术的首次集成示范，主要包括固态锂离子电池、家用钠离子电池、超级电容器复合储能等。同2021年对比，储能技术集成示范的分类没有明显变化。 根据中国能源研究会储能专委会/中关村储能产业技术联盟全球储能数据库的不完全统计，截至到2022年底，中国已投运的储能项目累计装机容量(包括物理储能、化学储能以及熔融盐储热)达到59.8 GW，同比增长38%；其中抽水蓄能为46.7 GW，同比增长24.2%，新型储能(除抽水蓄能外的电力储能技术)为13.1 GW，同比增长128.2%，如图8所示。2022年，我国储能装机继续保持高速增长，新增投运储能装机容量16.5 GW，居世界第一位；新增储能装机量同比增长114%，包括抽水蓄能9.1 GW，新型储能7.4 GW；新型储能新增装机规模首次突破7.0 GW，同比增长200%。从图8可见，虽然抽水蓄能新增装机规模加大，但由于新型储能装机增长幅度更大，我国抽水蓄能装机比例在2022年首次低于80%；在新型储能技术中，锂离子电池装机为94.0%，占据主导地位；压缩空气储能、液流电池、铅蓄电池和储热储冷技术装机也超过1%，也占据一定的市场份额。 综合分析各储能技术2022年的基础研究、关键技术和集成示范的情况，各种储能技术仍可以大致分为四个梯队，和2021年基本一致。其中，第一梯队为抽水蓄能，单机规模100 MW以上，占2022年全国储能装机的77.1%左右；第二梯队为锂离子电池、压缩空气储能、液流电池、铅蓄电池和储热储冷技术，单机规模可达10～100 MW，其中锂离子电池装机最多，有可能未来形成单独的一个梯队；第三梯队为钠离子电池、飞轮储能和超级电容器，目前单机规模可以达到MW级，其中钠离子发展受关注最多，有可能未来进入第二梯队；第四梯队为重力储能、热泵储电、压缩二氧化碳和液态金属技术等新型储能技术，需要进一步的研发，以便实现集成示范和产业化应用。 图10给出了2022年中国储能技术和世界储能技术先进水平的对比。从图中可见，经过10余年国家和行业的持续投入，中国储能技术的水平快速提升，同世界先进水平相比，总体上实现了从跟跑到并跑的转变。压缩空气储能、储热储冷、铅蓄电池、锂离子电池、液流电池和钠离子电池技术已达到或接近世界先进水平；抽水蓄能、飞轮储能、超级电容和储能新技术与世界先进水平还有一定的差距。同2021年相比，各储能技术的总体发展水平基本一致，锂电池和储热储冷的技术成熟度有所提升。 图102022年中国储能技术和世界先进水平的比较成熟度 综合图3、图6和图10可知，中国已经成为全球基础研究和技术研发最为活跃的国家，中国发表SCI论文数已于2013年超越美国成为世界第一，而申请WIPO国际发明专利数则于2018年超越美国成为世界第一，这与基础研究到关键技术研发通常需要5年左右的时间是吻合的。我们有理由相信，在基础研究和关键技术研发的基础上，再经过5～10年的发展，中国储能产业水平有可能进一步提升，部分储能技术有望达到世界领跑的水平。

14　结语与展望

2022年，中国储能技术在基础研究、关键技术和集成示范方面均取得了重要进展。这一年，中国机构和学者发表SCI论文13941篇，居世界第一位，占全球发表论文数的50.0%；中国机构和学者共申请中国发明专利47406件，申请WIPO国际发明专利1188件(2021年数据)，居世界第一位；中国新增储能集成示范和产业化项目装机容量16.5 GW，居世界第一位；中国已成为世界储能技术基础研究、技术研发和集成应用最活跃的国家。 （1）物理储能方面：在抽水蓄能方面，我国在高水头、大容量恒速抽水蓄能电站设计制造、施工建设、调试运行等已达国际先进水平；在变速抽水蓄能技术方面，首台全功率5 MW级变速恒频抽蓄机组的投运，标志着我国在该领域已取得重要进展，但和国外先进水平尚有差距。在压缩空气储能方面，我国在100 MW级压缩空气储能系统方面取得了里程碑式的进展，中科院工程热物理所的张家口国际首套100 MW先进压缩空气储能国家示范项目实现并网发电；300 MW级先进压缩空气储能关键技术是目前研发的重点，多个示范工程已启动。在储热储冷方面，复合相变储热、高温熔盐储热、冰浆储冷、无源相变储冷是当前技术研发的热点；相变蓄热供暖、储热系统耦合燃煤发电、高温储热耦合太阳能热利用、相变储冷需求侧响应等是目前应用研究的热点。在飞轮储能方面，我国大功率飞轮储能取得了重要进展，但与国际领先水平仍有一定差距；总体上我国中高速飞轮储能单机储能量正在从5～20 kWh向50～100 kWh发展、功率正在从200～400 kW向500～2000 kW发展。 （2）化学储能方面：在铅蓄电池方面，技术研发主要集中于铅碳电池，主要研究方向为负极材料、正极材料和电解液等，从而提升电池的寿命、能量密度和充放性能等；目前铅蓄电池储能主要应用为用户侧储能和通讯基站储能等。在锂离子电池方面，我国在液态电解质锂离子电池研究保持活跃并开始大规模应用的同时，固态半固态锂离子电池成为新的热点；锂补偿技术、超大电池技术、液冷储能技术是今年的技术进展亮点，硫基电池、锰基电池等新型锂电池技术也不断涌现。在液流电池方面，全钒液流电池仍为当前液流电池主流技术，今年取得了里程碑式进展，实现了100 MW级系统并网发电；提高电堆功率密度、离子传导膜国产化等问题，是当前研究的重点，同时也在积极探索锌溴、铁铬、锌铁等液流电池新体系。在钠离子电池方面，今年我国钠离子电池迎来历史发展机遇，是储能行业的热点领域；正负极材料研究和工艺路线研究活跃，多家企业已开展大规模产业化布局。在超级电容器方面，基础研究、单体制备、成组管控、系统集成与应用等方面取得了重要进展；实现了在新能源发电、轨道交通、轮船动力等领域的示范应用；锂离子超级电容、高电压耐热性技术、超级电容混合储能技术是当前的研究热点。在新型储能技术方面，研究热点在于重力储能、热泵储电、压缩二氧化碳、液态金属电池、有机电池、双离子电池等。 （3）集成与安全方面：在集成技术方面，我国规模储能电站集成技术，已由粗放式集成向一体化安全高效集成方向转变；电池功率变换拓扑技术、电池系统智能诊断技术和内功率分配技术、高效智能温控技术和液冷技术、规模化集群控制技术等取得重要进展并开始应用。在消防安全技术方面，化学储能的消防安全已成为行业关注的热点；在储能电池系统火灾发生机理、灭火剂及其机理、热失控火灾预警技术等方面均取得重要进展；多参数融合预警技术和全氟己酮补偿式喷射技术、管网式七氟丙烷灭火系统结合供水管网的自动喷水灭火系统得到示范应用。 展望2023年，中国储能有望继续保持规模化发展的良好态势。随着国家双碳战略和能源革命的深入实施，中国储能技术领域将有望继续加速发展，基础研究、关键技术和集成示范有望继续保持国际最活跃国家地位，发表论文、申请专利数、装机规模有望继续保持世界第一，百兆瓦级大规模储能项目将成为常态，储能领域大概率将迎来又一个快速发展的一年。

通讯作者：陈海生（1977—），男，研究员，博士，研究方向为新型大规模储能技术、传热与储热（冷）特性等，E-mail：chen_hs@iet.cn；

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