全球新型储能研究前沿与技术发展趋势

全球新型储能研究前沿与技术发展趋势

随着全世界各国陆续宣布碳中和目标，太阳能、风能等可再生能源的发展取得了显著进步。但其在时间上具有间歇性、在空间上具有分布不均的特点，如果直接并网将对电网产生强烈冲击。因此，储能系统的建立，尤其是将储能与数字化、智能化技术深度融合形成的新型储能技术，能有效融合电、热、冷、气、氢等多个能源子系统，实现多能协同，是未来能源革命的关键支撑技术。本文基于文献计量、专利分析等方法，分析了近十年（2013—2022年）锂离子电池、钠离子电池、液流电池、金属-空气电池、压缩空气储能、重力储能等6项新型储能技术的研究前沿、技术布局和发展趋势。

01. 新型储能基础研究前沿主题

全球新型储能基础研究论文发文量在近10年快速增长，其中锂离子电池领域发文量最多（占比73.4%）。尤其是近2年，全球新型储能发文量占近10年总量的41.9%，其中金属-空气电池和重力储能技术方向占比均超过50%。全球主要国家均在新型储能领域开展广泛研究，中国表现尤为突出，以70091篇发文量位居全球首位（占比53.5%），其次是美国（16.6%）和韩国（8.4%）。中国钠离子电池和锂离子电池发文量全球占比最大（65.0%和59.5%），且具备相对较高的影响力，高被引论文[1]数量占全球的76.0%，尤其是钠离子电池和金属-空气电池的高被引论文超过全球8成（84.7%和88.5%）。基于主题新颖度（Nj）、主题强度（Sj）、主题影响力（Aj）、主题增长度（Gj）4个论文计量指标的表现，综合指数[2]排名前3位的新型储能基础研究前沿主题如表1所示。

表1  2020—2022年全球新型储能基础研究前沿主题

0.2 新型储能技术布局重点方向

针对近3年（2020—2022年）6种新型储能技术相关专利进行主题聚类词云分析发现（图1），技术布局如下：①循环稳定性材料，包括负极材料、正极材料、锂电池隔膜、前驱体材料、热失控等；②合成工艺，如预测模型、电化学模型等；③锂电池，侧重于锂电池组、电极材料等；④钠离子电池，包括正极材料、电解液添加剂、固态电解质材料等；⑤物理储能系统，侧重于压缩空气储能、重力储能等。

图1  2020—2022年全球新型储能技术发明专利关键词词云

分析近3年新型储能技术发明专利前15位国际专利分类号（IPC），可获知其主要布局方向，如表2所示。

表2  2020—2022年全球新型储能技术发明专利主要布局方向

03. 新型储能技术发展趋势

锂离子电池：预计到2030年，锂电池储能系统的平准化成本可以降到0.2~0.3元/千瓦时，在灵活性调节资源中逐步具有竞争力。在技术突破方面，锂离子电池需要解决适应高安全、低成本、大容量应用需求的电池体系和材料、工艺及设备国产化问题；研究锂电池储能系统的故障机理、安全设计、成套设备及智能运维；锂矿资源高效开采、提炼及锂资源循环利用技术。

钠离子电池：目前仅处于研发示范阶段，未来商业化应用后其平准化成本预计比锂离子电池低20%左右，有望在固定式储能领域替代锂离子电池。重点需要突破以下技术方向：开发综合性能优异的正极材料，低成本、长循环、高能量密度、高倍率、无毒无害、加工简单是正极材料主要追求的性能；开发综合性能优异负极材料，同时如何兼顾合金或转换类的高容量与循环稳定性也是未来的发展方向；不断提高电池的能量密度，除了要提高材料本身性能之外，还需要在锂离子电池制造工艺的基础上探索适合于钠离子电池特点的制造工艺。

液流电池：未来全钒液流电池最具发展前景的方向是构建商用液流电池系统电站。预计到2030年平准化成本达到0.2~0.3元/千瓦时，将出现一定规模的商业化应用，随后将随着产业规模扩大成本进一步下降，并在长时、大容量储能中占据一定的份额。未来研究和开发将集中在：使用无腐蚀性、安全、低成本氧化还原活性的有机材料；通过开发氧化还原活性材料增加电池能量密度；通过电极表面改性修饰，提高电极表面电流密度；利用高度可逆的氧化还原电偶增加电池寿命；通过扩大活性物质的浓度以及降低电解液沉淀实现整个电池系统能效的提高。

金属-空气电池：金属-空气电池以其超高的能量密度在下一代储能设备研究中占有重要地位。未来需在以下领域开展研究：金属-空气电池的材料设计，通过提高金属电极的可逆性，抑制副反应，优先解决可再充电能力问题；除了开发提高电池性能的材料设计方法外，还需寻找适用于大容量储能的应用，以实现金属-空气电池大规模商业化发展；电池结构的设计，如循环电解质流动的电池结构。

压缩空气储能：作为最具发展潜力的大规模物理储能技术，到2030年先进压缩空气储能将在长时储能领域成为抽水蓄能的重要补充，并且每千瓦时装机成本预计将在目前的0.25~0.3元基础上再降低20%~30%。未来发展趋势包括：积极研究开发人造洞室、金属材料及复合材料储气等新型储气形式，摆脱压缩空气储能系统对地理条件的依赖，促进其大规模推广应用；开展精准热力学模型、地下洞穴稳定性评价和复合材料储气结构特性等方面的研究，为压缩空气储能系统储气装置的选型与应用提供理论指导依据；开发热塑性复合材料以取代金属材料用于压缩空气储能系统。

重力储能：目前，重力储能技术正处于探索发展阶段，大规模投入生产应用的项目案例鲜有报道。未来研究重点主要包括：大功率电动/发电机及其运行控制，发电机连接轴承研制和其他转动方法开发；重力储能电站上下仓布置方法，重物输送系统节能增效；重力储能系统集群运行与控制，重力储能系统的稳定性和全天候适应性；重物材料及来源的可循环性等。

（汤匀 岳芳 陈伟）

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[1] 高被引论文是2020—2022年各技术主题中所有论文按被引频次排在前10%的论文。

[2] 综合指数测算公式：Frontier=W_NN_j+W_SS_j+W_AA_j+W_GG_j。

来源：先进能源科技战略情报研究中心

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