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隨著全世界各國陸續(xù)宣布碳中和目標(biāo)，太陽能、風(fēng)能等可再生能源的發(fā)展取得了顯著進(jìn)步。但其在時(shí)間上具有間歇性、在空間上具有分布不均的特點(diǎn)，如果直接并網(wǎng)將對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生強(qiáng)烈沖擊。因此，儲(chǔ)能系統(tǒng)的建立，尤其是將儲(chǔ)能與數(shù)字化、智能化技術(shù)深度融合形成的新型儲(chǔ)能技術(shù)，能有效融合電、熱、冷、氣、氫等多個(gè)能源子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多能協(xié)同，是未來能源革命的關(guān)鍵支撐技術(shù)。本文基于文獻(xiàn)計(jì)量、專利分析等方法，分析了近十年（2013—2022年）鋰離子電池、鈉離子電池、液流電池、金屬-空氣電池、壓縮空氣儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能等6項(xiàng)新型儲(chǔ)能技術(shù)的研究前沿、技術(shù)布局和發(fā)展趨勢。

新型儲(chǔ)能基礎(chǔ)研究前沿主題

全球新型儲(chǔ)能基礎(chǔ)研究論文發(fā)文量在近10年快速增長，其中鋰離子電池領(lǐng)域發(fā)文量最多（占比73.4%）。尤其是近2年，全球新型儲(chǔ)能發(fā)文量占近10年總量的41.9%，其中金屬-空氣電池和重力儲(chǔ)能技術(shù)方向占比均超過50%。全球主要國家均在新型儲(chǔ)能領(lǐng)域開展廣泛研究，中國表現(xiàn)尤為突出，以70091篇發(fā)文量位居全球首位（占比53.5%），其次是美國（16.6%）和韓國（8.4%）。中國鈉離子電池和鋰離子電池發(fā)文量全球占比最大（65.0%和59.5%），且具備相對(duì)較高的影響力，高被引論文[1]數(shù)量占全球的76.0%，尤其是鈉離子電池和金屬-空氣電池的高被引論文超過全球8成（84.7%和88.5%）。基于主題新穎度（Nj）、主題強(qiáng)度（Sj）、主題影響力（Aj）、主題增長度（Gj）4個(gè)論文計(jì)量指標(biāo)的表現(xiàn)，綜合指數(shù)[2]排名前3位的新型儲(chǔ)能基礎(chǔ)研究前沿主題如表1所示。

新型儲(chǔ)能技術(shù)布局重點(diǎn)方向

針對(duì)近3年（2020—2022年）6種新型儲(chǔ)能技術(shù)相關(guān)專利進(jìn)行主題聚類詞云分析發(fā)現(xiàn)，技術(shù)布局如下：①循環(huán)穩(wěn)定性材料，包括負(fù)極材料、正極材料、鋰電池隔膜、前驅(qū)體材料、熱失控等；②合成工藝，如預(yù)測模型、電化學(xué)模型等；③鋰電池，側(cè)重于鋰電池組、電極材料等；④鈉離子電池，包括正極材料、電解液添加劑、固態(tài)電解質(zhì)材料等；⑤物理儲(chǔ)能系統(tǒng)，側(cè)重于壓縮空氣儲(chǔ)能、重力儲(chǔ)能等。

分析近3年新型儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)明專利前15位國際專利分類號(hào)（IPC），可獲知其主要布局方向，如表所示。

新型儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展趨勢

鋰離子電池：預(yù)計(jì)到2030年，鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的平準(zhǔn)化成本可以降到0.2~0.3元/千瓦時(shí)，在靈活性調(diào)節(jié)資源中逐步具有競爭力。在技術(shù)突破方面，鋰離子電池需要解決適應(yīng)高安全、低成本、大容量應(yīng)用需求的電池體系和材料、工藝及設(shè)備國產(chǎn)化問題；研究鋰電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的故障機(jī)理、安全設(shè)計(jì)、成套設(shè)備及智能運(yùn)維；鋰礦資源高效開采、提煉及鋰資源循環(huán)利用技術(shù)。

鈉離子電池：目前僅處于研發(fā)示范階段，未來商業(yè)化應(yīng)用后其平準(zhǔn)化成本預(yù)計(jì)比鋰離子電池低20%左右，有望在固定式儲(chǔ)能領(lǐng)域替代鋰離子電池。重點(diǎn)需要突破以下技術(shù)方向：開發(fā)綜合性能優(yōu)異的正極材料，低成本、長循環(huán)、高能量密度、高倍率、無毒無害、加工簡單是正極材料主要追求的性能；開發(fā)綜合性能優(yōu)異負(fù)極材料，同時(shí)如何兼顧合金或轉(zhuǎn)換類的高容量與循環(huán)穩(wěn)定性也是未來的發(fā)展方向；不斷提高電池的能量密度，除了要提高材料本身性能之外，還需要在鋰離子電池制造工藝的基礎(chǔ)上探索適合于鈉離子電池特點(diǎn)的制造工藝。

液流電池：未來全釩液流電池最具發(fā)展前景的方向是構(gòu)建商用液流電池系統(tǒng)電站。預(yù)計(jì)到2030年平準(zhǔn)化成本達(dá)到0.2~0.3元/千瓦時(shí)，將出現(xiàn)一定規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用，隨后將隨著產(chǎn)業(yè)規(guī)模擴(kuò)大成本進(jìn)一步下降，并在長時(shí)、大容量儲(chǔ)能中占據(jù)一定的份額。未來研究和開發(fā)將集中在：使用無腐蝕性、安全、低成本氧化還原活性的有機(jī)材料；通過開發(fā)氧化還原活性材料增加電池能量密度；通過電極表面改性修飾，提高電極表面電流密度；利用高度可逆的氧化還原電偶增加電池壽命；通過擴(kuò)大活性物質(zhì)的濃度以及降低電解液沉淀實(shí)現(xiàn)整個(gè)電池系統(tǒng)能效的提高。

金屬-空氣電池：金屬-空氣電池以其超高的能量密度在下一代儲(chǔ)能設(shè)備研究中占有重要地位。未來需在以下領(lǐng)域開展研究：金屬-空氣電池的材料設(shè)計(jì)，通過提高金屬電極的可逆性，抑制副反應(yīng)，優(yōu)先解決可再充電能力問題；除了開發(fā)提高電池性能的材料設(shè)計(jì)方法外，還需尋找適用于大容量儲(chǔ)能的應(yīng)用，以實(shí)現(xiàn)金屬-空氣電池大規(guī)模商業(yè)化發(fā)展；電池結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，如循環(huán)電解質(zhì)流動(dòng)的電池結(jié)構(gòu)。

壓縮空氣儲(chǔ)能：作為最具發(fā)展?jié)摿Φ拇笠?guī)模物理儲(chǔ)能技術(shù)，到2030年先進(jìn)壓縮空氣儲(chǔ)能將在長時(shí)儲(chǔ)能領(lǐng)域成為抽水蓄能的重要補(bǔ)充，并且每千瓦時(shí)裝機(jī)成本預(yù)計(jì)將在目前的0.25~0.3元基礎(chǔ)上再降低20%~30%。未來發(fā)展趨勢包括：積極研究開發(fā)人造洞室、金屬材料及復(fù)合材料儲(chǔ)氣等新型儲(chǔ)氣形式，擺脫壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)地理?xiàng)l件的依賴，促進(jìn)其大規(guī)模推廣應(yīng)用；開展精準(zhǔn)熱力學(xué)模型、地下洞穴穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和復(fù)合材料儲(chǔ)氣結(jié)構(gòu)特性等方面的研究，為壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)儲(chǔ)氣裝置的選型與應(yīng)用提供理論指導(dǎo)依據(jù)；開發(fā)熱塑性復(fù)合材料以取代金屬材料用于壓縮空氣儲(chǔ)能系統(tǒng)。

重力儲(chǔ)能：目前，重力儲(chǔ)能技術(shù)正處于探索發(fā)展階段，大規(guī)模投入生產(chǎn)應(yīng)用的項(xiàng)目案例鮮有報(bào)道。未來研究重點(diǎn)主要包括：大功率電動(dòng)/發(fā)電機(jī)及其運(yùn)行控制，發(fā)電機(jī)連接軸承研制和其他轉(zhuǎn)動(dòng)方法開發(fā)；重力儲(chǔ)能電站上下倉布置方法，重物輸送系統(tǒng)節(jié)能增效；重力儲(chǔ)能系統(tǒng)集群運(yùn)行與控制，重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定性和全天候適應(yīng)性；重物材料及來源的可循環(huán)性等。

原標(biāo)題：全球新型儲(chǔ)能研究前沿與技術(shù)發(fā)展趨勢