新型儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)展與挑戰(zhàn)I：電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)

DOI： 10.19911/j.1003-0417.tyn20240610.01 文章編號(hào)：1003-0417（2024）07-98-11

摘 要：新型儲(chǔ)能技術(shù)日益成為中國(guó)建設(shè)新型能源體系和新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，已成為中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新動(dòng)能，將在促進(jìn)可再生能源消納、實(shí)現(xiàn)能源體系轉(zhuǎn)型、提高能源利用效率、減少環(huán)境污染等方面發(fā)揮重要作用，相關(guān)技術(shù)研究也在快速發(fā)展。開展了該領(lǐng)域的系列評(píng)價(jià)性綜述工作，分為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、物理儲(chǔ)能與儲(chǔ)熱技術(shù)、儲(chǔ)能集成與規(guī)劃3個(gè)部分，對(duì)各類新型儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域、最新研究進(jìn)展及局限性等問題進(jìn)行了全面系統(tǒng)的對(duì)比分析，并進(jìn)一步探討了儲(chǔ)能集成、安全、規(guī)劃調(diào)度等儲(chǔ)能系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展趨勢(shì)。第1部分為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，重點(diǎn)對(duì)鋰離子電池、鈉離子電池、液流電池、固態(tài)電池和水系電池的技術(shù)與工程的相關(guān)成果進(jìn)行了綜合分析與討論。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有靈活配置的特點(diǎn)，可以滿足不同功率和能量的應(yīng)用需求，鋰離子電池技術(shù)的成熟度最高，在儲(chǔ)能市場(chǎng)占有主體地位，未來進(jìn)一步發(fā)展集中于系統(tǒng)集成和安全技術(shù)方面，以推進(jìn)更大規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。其他一些尚處于基礎(chǔ)研究階段的電池技術(shù)也展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Γ热纾汗虘B(tài)電池具有更高的安全性，鈉離子電池具有優(yōu)越的低溫性能，液流電池具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命等。

關(guān)鍵詞：儲(chǔ)能技術(shù)；電化學(xué)儲(chǔ)能；鋰離子電池；鈉離子電池；液流電池；固態(tài)電池；水系電池

中圖分類號(hào)：TK02 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

為應(yīng)對(duì)化石能源危機(jī)和環(huán)境污染，中國(guó)提出了“2030年碳達(dá)峰，2060年碳中和”的目標(biāo)。在此引領(lǐng)下，能源體系正在經(jīng)歷重塑，以太陽能和風(fēng)能為代表的清潔能源的滲透率日益提高。然而，太陽能和風(fēng)能具有間歇性、波動(dòng)性的缺點(diǎn)，使其規(guī)?；妹媾R嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。儲(chǔ)能技術(shù)可以通過“削峰填谷”的調(diào)節(jié)作用實(shí)現(xiàn)電源側(cè)與用戶側(cè)的解耦，減小電源側(cè)波動(dòng)的負(fù)面效果，是實(shí)現(xiàn)高度靈活的電力調(diào)節(jié)和高度穩(wěn)定的電力輸出的重要保障，是新能源發(fā)電大規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵支柱和核心技術(shù)，同時(shí)也是推動(dòng)中國(guó)能源新業(yè)態(tài)發(fā)展和占領(lǐng)國(guó)際戰(zhàn)略新高地的重要領(lǐng)域[1]。

新型儲(chǔ)能技術(shù)，除抽水蓄能外，正由商業(yè)化初期邁向規(guī)?；l(fā)展，技術(shù)類型和應(yīng)用場(chǎng)景日益豐富。截至2023年底，中國(guó)新型儲(chǔ)能項(xiàng)目的總裝機(jī)規(guī)模已達(dá)到3139萬kW/6687萬kWh，平均儲(chǔ)能時(shí)長(zhǎng)為2.1 h[2]。目前，新型儲(chǔ)能技術(shù)涵蓋電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)（例如：鋰離子電池）、物理類儲(chǔ)能（例如：壓縮空氣儲(chǔ)能）和儲(chǔ)熱技術(shù)等。全面系統(tǒng)地對(duì)比分析各種儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域、技術(shù)特性、技術(shù)成熟度、挑戰(zhàn)和局限性具有重大意義，有助于明確新型儲(chǔ)能技術(shù)未來的主要發(fā)展方向，為從事儲(chǔ)能技術(shù)研究攻關(guān)的科研工作者提供參考與借鑒?；诖耍竟ぷ鏖_展新型儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域的系列評(píng)價(jià)性綜述，以新型儲(chǔ)能技術(shù)的現(xiàn)狀、發(fā)展和挑戰(zhàn)為主線，重點(diǎn)分為電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)、物理儲(chǔ)能與儲(chǔ)熱技術(shù)、儲(chǔ)能集成和規(guī)劃3個(gè)部分，對(duì)新型儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)問題等進(jìn)行綜述與討論。本文為該系列論文的第1部分——電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，主要對(duì)重要的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，包括鋰離子電池、鈉離子電池、液流電池、固態(tài)電池和水系電池的應(yīng)用領(lǐng)域、最新研究進(jìn)展及局限性等問題進(jìn)行討論。

1" 電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)展與挑戰(zhàn)

1.1" 鋰離子電池

鋰離子電池因具有高能量密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命、高工作電壓、低自放電率、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子產(chǎn)品、新能源汽車、儲(chǔ)能系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域[3-5]。在消費(fèi)電子產(chǎn)品領(lǐng)域，鋰離子電池給手機(jī)、電腦等便攜式設(shè)備供電；在新能源汽車領(lǐng)域，鋰離子電池為關(guān)鍵動(dòng)力源；在儲(chǔ)能系統(tǒng)領(lǐng)域，鋰離子電池對(duì)提高能源利用效率，提高電網(wǎng)運(yùn)行穩(wěn)定性具有重要意義。除此之外，鋰離子電池還應(yīng)用于軍事、航空航天、醫(yī)療、智能穿戴和工業(yè)自動(dòng)化等領(lǐng)域。隨著技術(shù)進(jìn)步和成本降低，鋰離子電池在能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展中扮演了重要角色。鋰離子電池的應(yīng)用場(chǎng)景及性能考慮點(diǎn)如圖1[6]所示。

高安全性能、高能量密度、高功率密度、長(zhǎng)循環(huán)壽命，這些關(guān)鍵指標(biāo)既是最初研發(fā)鋰離子電池的初衷，也一直引領(lǐng)了鋰離子電池發(fā)展的方向。鋰離子電池的安全問題源于以下幾點(diǎn)：1）鋰的高反應(yīng)活性易導(dǎo)致短路；2）高比能量易引發(fā)熱失控；3）電解質(zhì)溶劑易燃，易氧化分解；4）電極材料結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，充電過程結(jié)構(gòu)易變化并產(chǎn)生熱量。

鋰離子電池的能量密度受限主要體現(xiàn)在正極材料，其現(xiàn)有負(fù)極材料（例如：石墨、硅或鋰金屬）的理論能量密度遠(yuǎn)高于現(xiàn)有正極材料。第1種提升正極材料能量密度的途徑是增加鋰離子電池的工作電壓，但此舉需要過改性或設(shè)計(jì)來強(qiáng)化正極材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Marnix Wagemaker教授團(tuán)隊(duì)與中國(guó)核工業(yè)集團(tuán)原子能院核物理研究所中子散射團(tuán)隊(duì)合作，提出了一種將化學(xué)短程無序（CSRD）引入到氧化物正極中的方法，顯著提升了鋰離子電池的循環(huán)壽命和快充性能[7]。Mao等[8]采用體相F摻雜、表面包覆LiF和Li2CoTi3O8的鈷酸鋰制備鋰離子電池的正極材料，可承受4.6 V的高工作電壓，搭配石墨組裝成全鋰離子電池，在4.5 V截止電壓下循環(huán)135次后的容量保持率為81.52%。

第2種提升正極材料能量密度的方法是優(yōu)化正極材料組分。例如：目前作為研究熱點(diǎn)的三元材料與富鋰材料，通過對(duì)其組分的調(diào)節(jié)可以實(shí)現(xiàn)比容量與循環(huán)性能的平衡調(diào)控。中國(guó)科學(xué)院物理研究所的林良棟博士和索鎏敏研究員提出了通過使用富鋰正極材料中過量的活性鋰來補(bǔ)償負(fù)極側(cè)鋰損耗的策略，延長(zhǎng)了無陽極鋰金屬電池（AF-LMB）的循環(huán)壽命，基于Li2NCM811（分子式為L(zhǎng)i2[Ni0.8Co0.1Mn0.1]O2）的無陽極鋰金屬電池的概念如圖2所示[9]。

2022年，在“雙碳”目標(biāo)的驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)完成了多個(gè)標(biāo)志性鋰離子電池儲(chǔ)能電站示范項(xiàng)目，100 MW級(jí)鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)已成常態(tài)。例如：寧夏回族自治區(qū)首批電網(wǎng)側(cè)液冷大型儲(chǔ)能項(xiàng)目——中核同心泉眼100MW/200MWh儲(chǔ)能

電站成功并網(wǎng)，該項(xiàng)目共建設(shè)了30套3.45MW/ 6.7MWh磷酸鐵鋰離子電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，有效實(shí)現(xiàn)了電網(wǎng)削峰填谷，緩解了其高峰供電壓力[10]。

1.2" 鈉離子電池

相比于鋰離子電池，鈉離子電池具有諸多優(yōu)勢(shì)[11-12]，具體包括以下3個(gè)方面。

1）優(yōu)異的低溫性能：鈉離子具有比鋰離子更低的脫溶劑化能，這使其在低溫條件下的脫溶劑化過程更快[13-14]。

2）高安全性：一方面，鈉離子電池的工作溫度范圍寬，在高溫下不易發(fā)生熱失控[15]；另一方面，鈉離子電池的內(nèi)阻大，短路電流和瞬間發(fā)熱量小，不易引起火災(zāi)或自燃。同時(shí)，常用的硬碳負(fù)極可以實(shí)現(xiàn)鈉離子全脫嵌，即鈉離子電池可實(shí)現(xiàn)0 V的過放電，大幅增加了鈉離子電池在存儲(chǔ)時(shí)的安全性能[16]。

3）成本優(yōu)勢(shì)：鈉元素的儲(chǔ)量豐富，分布廣泛，價(jià)格相對(duì)低廉；且在鈉離子電池負(fù)極側(cè)可使用低成本的鋁箔作集流體。

當(dāng)前，鈉離子電池正處于產(chǎn)業(yè)化初期，已具備量產(chǎn)條件，發(fā)展前景廣闊。在能源存儲(chǔ)領(lǐng)域，鈉離子電池可節(jié)約能源成本，減少新能源發(fā)電系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)的依賴，降低電網(wǎng)用電峰值；其具有的高安全性和低溫性能使其在特定場(chǎng)景，特別是在低溫地區(qū)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)顯著。

近年來，關(guān)于鈉離子電池的專利申請(qǐng)量遞增，各國(guó)積極布局其產(chǎn)業(yè)化。鈉離子電池正極材料的研發(fā)采用表面修飾、缺陷工程及開發(fā)新型復(fù)合材料；負(fù)極材料的設(shè)計(jì)通過表面改性、堿處理活化、復(fù)合化及摻雜改性來提升電化學(xué)性能。電解液研發(fā)則集中在調(diào)整成分、優(yōu)化添加劑配比，探索新型電解液體系。采用先進(jìn)界面診斷技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)界面變化，為鈉離子電池的性能優(yōu)化提供指導(dǎo)。不同材料體系的鈉離子電池產(chǎn)品的最新研究進(jìn)展如圖3[12，17]所示。圖中：“參考論文中的使用次數(shù)”代表該電解液或隔膜被研究的次數(shù)；百分值為FEC的質(zhì)量百分比。

在當(dāng)前低鋰價(jià)的形勢(shì)下，鈉離子電池的產(chǎn)業(yè)化推進(jìn)速度低于預(yù)期。此外，鈉離子電池還存在以下兩個(gè)短板：

1）能量密度較低[18]。不同種類的商業(yè)化電化學(xué)儲(chǔ)能電池的基本性能對(duì)比如表1所示。從表1可以看出：當(dāng)前性能最優(yōu)的鈉離子電池的能量

a.鈉離子電池正極材料的理論比容量和工作電壓的關(guān)系

b. 鈉離子電池負(fù)極材料的理論比容量和工作電壓的關(guān)系

c.鈉離子電池電解液代表成分的使用情況

d. 鈉離子電池常見隔膜的使用情況

密度最大僅為160 Wh/kg，提升空間較大。

2）循環(huán)壽命有待提高[19]。由于鈉離子的原子質(zhì)量和半徑均比鋰離子的大，使其在反應(yīng)過程中的脫嵌難度更大，容易導(dǎo)致鈉離子結(jié)構(gòu)變化等。因此，現(xiàn)階段鈉離子電池的循環(huán)壽命低于磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命，還有較大的提升空間。

1.3" 液流電池

液流電池通過正負(fù)極中的氧化還原電對(duì)發(fā)生的可逆電化學(xué)反應(yīng)來實(shí)現(xiàn)化學(xué)能和電能的相互轉(zhuǎn)化。液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)由電解液、電堆、電池管理系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)等部分組成，其中，電堆為液流電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的核心部件，由電極、離子交換膜、雙極板、集流板等部件組成[20-21]，其結(jié)構(gòu)如圖4[20]所示。

液流電池具有安全性好、部署位置靈活、功率與容量解耦、使用壽命長(zhǎng)、電解液可再利用等優(yōu)點(diǎn)，在電網(wǎng)規(guī)模為4～10 h的長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。開發(fā)低成本、高能量密度、長(zhǎng)壽命的液流電池體系是當(dāng)前液流電池研究的重要任務(wù)[22]。

液流電池的種類很多，主要包括鐵鉻液流電池、鋅溴液流電池、全鐵液流電池、全釩液流電池。近年來，研究人員還開發(fā)了高能量密度、多電子轉(zhuǎn)移的水系液流電池，包括鋅錳、鋅碘、鈦錳等多個(gè)體系。全釩液流電池是迄今為止技術(shù)最為成熟的液流電池，已經(jīng)處于商業(yè)化的初級(jí)階段，并正在推動(dòng)整個(gè)全釩液流電池產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。袁治章等[23]總結(jié)了液流電池不同體系的時(shí)間發(fā)展脈絡(luò)，如圖5所示。

液流電池的性能受多種參數(shù)影響，各參數(shù)對(duì)液流電池性能的貢獻(xiàn)如圖6[24]所示。

下面從電極、離子交換膜、電解液、雙極板4個(gè)主要方面對(duì)液流電池近期的研究進(jìn)展進(jìn)行討論。

1）電極：表面電化學(xué)反應(yīng)活性弱是制約液流電池大功率的原因之一。改善電極活性的策略主要包括化學(xué)活化、機(jī)械活化、高溫處理的熱活化、多孔電極非均勻壓縮等[25-27]，使電極性能得到明顯提升。研究人員對(duì)蛇形流道、并行流道、叉指流道、螺旋形流道等進(jìn)行了大量研究[28]。近年來，伴隨液流電池的研究熱潮，涌現(xiàn)了許多新型流場(chǎng)設(shè)計(jì)，包括：蜘蛛網(wǎng)流場(chǎng)、仿生肺流場(chǎng)等，很大程度上改進(jìn)了傳質(zhì)性能[29-30]。此外，拓?fù)鋬?yōu)化和機(jī)器學(xué)習(xí)也為新模式的設(shè)計(jì)和篩選提供了更多的可能性[31]。

2）離子交換膜：離子交換膜起到阻隔正負(fù)極直接接觸以防止電池短路，阻止正負(fù)極電解液的交叉共混避免發(fā)生副反應(yīng)，同時(shí)傳遞載流子形成完整電池回路的作用[20]。液流電池隔膜主要分為陽離子交換膜、陰離子交換膜、兩性離子交換膜和其他隔膜[32-33]。全氟磺酸（Nafion）膜是目前在全釩液流電池中研究最多的一種陽離子交換膜。在Nafion基體中添加填料，對(duì)Nafion膜進(jìn)行改性（有機(jī)物改性、無機(jī)物改性和表面改性）是有效降低釩離子滲透率的簡(jiǎn)便方法[33]。中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研制了非氟多孔離子傳導(dǎo)膜，并將其應(yīng)用于新一代30 kW液流電池的電堆中，大幅降低了電堆的制造成本，推進(jìn)了液流電池的商業(yè)化和產(chǎn)業(yè)化[34]。

3）電解液：電解液的濃度和容量直接決定了液流電池的能量密度。根據(jù)正負(fù)極氧化還原電對(duì)的存在形式，液流電池可劃分為液/液型液流電池和沉積型液流電池[27]。全釩液流電池因其電解液可循環(huán)利用、無交叉污染，是目前研究最多、應(yīng)用最廣的液流電池。采用鎢和三氧化鉬作為電解液添加劑，可以不同程度地提高液流電池的充放電性能和電池容量[35-36]。文獻(xiàn)[37]的研究發(fā)現(xiàn)：使用甲酸鈉作沉淀抑制劑可提高電解液的熱穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[38]的研究結(jié)果表明：使用漿料電解質(zhì)可改善電解質(zhì)中的電子和物質(zhì)傳輸，有效降低電解質(zhì)中離子的活化能，從而提高液流電池的性能和可逆性。

4）雙極板：雙極板是液流電池電堆中的重要結(jié)構(gòu)，其作用是分隔和串聯(lián)電池的不同結(jié)構(gòu)、傳導(dǎo)兩極電流并支撐起電堆結(jié)構(gòu)。提高復(fù)合材料極板的導(dǎo)電性是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)，例如：引入片狀石墨粉，或以合適的配比添加石墨烯和炭黑可有效提高復(fù)合材料的導(dǎo)電性[39-40]。

當(dāng)前，液流電池發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)包括以下3個(gè)方面：

1）與鋰離子電池相比，液流電池面臨能量密度低、效率低、投資成本高的挑戰(zhàn)。提高功率特性是降低成本的關(guān)鍵。未來需平衡成本效益、配置和性能，發(fā)揮液流電池的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

2）目前的液流電池體系中，全釩液流電池的電化學(xué)性能穩(wěn)定，但成本高；鋅基和鐵基液流電池的成本低，但其面臨枝晶生長(zhǎng)和氫演化的問題；硫基液流電池的成本低、溶解度高，但其電化學(xué)性能不佳。因此，開發(fā)高性能的液流電池材料是推進(jìn)液流電池規(guī)模應(yīng)用的關(guān)鍵。

3）液流電池的商業(yè)化面臨物種交叉、容量損失、存在不良副反應(yīng)等問題。需深入理解電池系統(tǒng)內(nèi)部的關(guān)聯(lián)規(guī)律，優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)和基本機(jī)制，實(shí)現(xiàn)電池系統(tǒng)整體優(yōu)化。

盡管液流電池的發(fā)展面臨諸多挑戰(zhàn)，但近年來“雙碳”目標(biāo)對(duì)大規(guī)模、高安全性、長(zhǎng)時(shí)間的儲(chǔ)能技術(shù)提出了新的需求。除全釩液流電池外，越來越多的新型液流電池儲(chǔ)能技術(shù)得到快速發(fā)展，包括各類無機(jī)體系和有機(jī)體系的液流電池新體系等技術(shù)。有機(jī)活性電對(duì)種類繁多、資源可持續(xù)、結(jié)構(gòu)性質(zhì)可靈活調(diào)控，成為目前液流電池的重要發(fā)展方向之一。未來，將在基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)和集成示范3個(gè)方面加大支持力度，促進(jìn)液流電池的快速發(fā)展。

1.4" 固態(tài)電池

固態(tài)電池采用非易燃電解質(zhì)，取代了易燃有機(jī)電解液，實(shí)現(xiàn)了高能量密度、強(qiáng)寬溫適應(yīng)性、長(zhǎng)壽命和卓越安全性，顯著提升了電池性能和安全水平。

自20世紀(jì)70年代起，科研界便開始關(guān)注具有高離子導(dǎo)電性的固態(tài)電解質(zhì)，并在此后陸續(xù)發(fā)表了相關(guān)研究成果[41-43]。2011年，一種名為L(zhǎng)i10GeP2S12的硫化物電解質(zhì)因其離子導(dǎo)電率接近液態(tài)電解質(zhì)而備受矚目，其被認(rèn)為是固態(tài)電解質(zhì)技術(shù)發(fā)展的一大飛躍[44]。到了2016年，Kato及其團(tuán)隊(duì)[45]制備出了一種新型的電解質(zhì)Li9.54Si1.74P1.44S11.7C10.3，該電解質(zhì)不僅離子電導(dǎo)率高，而且穩(wěn)定性強(qiáng)，采用該電解質(zhì)成功構(gòu)建了高倍率循環(huán)的扣式固態(tài)電池。2022年，Liu等[46]進(jìn)一步創(chuàng)新，制備出一種柔性且具有高離子電導(dǎo)率的復(fù)合電解質(zhì)薄膜，提升了固態(tài)軟包電池的性能，延長(zhǎng)了其循環(huán)壽命。

固態(tài)電池在不同領(lǐng)域的應(yīng)用情況與其性能指標(biāo)和容量有關(guān)。電池加工技術(shù)主要從有效面積、成本和收益率方面考慮，并以不同應(yīng)用需求為導(dǎo)向，具體如圖7所示。圖中：箭頭代表固態(tài)電池的發(fā)展趨勢(shì)；不同顏色代表相對(duì)數(shù)值大小，從淺綠色、綠色、淺橙色到橙色為逐漸遞增。未來，固態(tài)電池將先在對(duì)成本不敏感且需要小規(guī)模電池的領(lǐng)域得到應(yīng)用；隨著生產(chǎn)規(guī)模增大、成本降低及性能提升，固態(tài)電池的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⑦M(jìn)一步擴(kuò)大；在靜態(tài)儲(chǔ)能中的廣泛應(yīng)用將是固態(tài)電池的發(fā)展末期階段，屆時(shí)其成本和壽命將優(yōu)于其他大批量生產(chǎn)的電池技術(shù)[47]。

盡管固態(tài)電池在追求高能量密度的同時(shí)展現(xiàn)出了優(yōu)異的安全性和循環(huán)過程中的高穩(wěn)定性，但同時(shí)也遭遇了傳統(tǒng)鋰離子電池未遇到的挑戰(zhàn)。固態(tài)電池技術(shù)進(jìn)步必須克服3個(gè)核心科學(xué)問題，如圖8[48]所示。首要任務(wù)是深入理解固態(tài)電解質(zhì)中鋰離子的傳輸機(jī)制，這不僅對(duì)離子科學(xué)的進(jìn)展至關(guān)重要，而且對(duì)于推動(dòng)整個(gè)固態(tài)電池領(lǐng)域的發(fā)展具有基礎(chǔ)性作用。其次，盡管固態(tài)電解質(zhì)展現(xiàn)出了優(yōu)異的機(jī)械性能，但有效抑制鋰金屬枝晶的生長(zhǎng)仍是一個(gè)迫切需要解決的關(guān)鍵問題。此外，考慮到固態(tài)電池內(nèi)部離子遷移和界面化學(xué)反應(yīng)的多物理場(chǎng)耦合特性，深入研究其在多物理場(chǎng)耦合作用下的失控失效機(jī)制，對(duì)于增強(qiáng)固態(tài)電池的性能和可靠性具有顯著的應(yīng)用價(jià)值。

1.5" 水系電池

水系電池與傳統(tǒng)非水系電池的本質(zhì)區(qū)別在于此類電池采用水作為電解液溶劑。水溶劑具有高安全性、低成本、環(huán)境友好和高離子電導(dǎo)率等固有優(yōu)勢(shì)，使新型水系電池技術(shù)在規(guī)模儲(chǔ)能領(lǐng)域中具有較大的應(yīng)用前景[49-50]。

水系電池中常見載流子的離子質(zhì)量、陽離子半徑和水合半徑的比較如圖9[51]所示。

按活性離子類型，可將水系電池分為水系金屬離子電池和水系非金屬離子電池[51]。目前已報(bào)道的研究成果主要集中在水系金屬離子電池領(lǐng)域。針對(duì)水系金屬離子電池本體技術(shù)的研究主要聚焦于電解液改性、電極材料優(yōu)化和界面調(diào)控等方面，以實(shí)現(xiàn)技術(shù)突破[52-53]。調(diào)控電解液成分、引入特定的電解液添加劑、調(diào)控電解液pH值、開發(fā)新型電解液體系，可為水系電池提供良好的電解液方案。正極材料的穩(wěn)定性、能量密度可通過表面修飾、缺陷工程等方式提高；金屬負(fù)極的穩(wěn)定性可通過表面涂層或功能化處理來提升，減少與電解液之間的不利副反應(yīng)。優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)合適材料和應(yīng)用原位表征技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)無枝晶水系電池至關(guān)重要。同時(shí)，研究黏結(jié)劑、隔膜和集流體設(shè)計(jì)有助于水系電池的穩(wěn)定循環(huán)。特別地，海水基水系電池技術(shù)的突破，有望為海上直接儲(chǔ)能提供新思路[54]。

關(guān)鍵儲(chǔ)能電池技術(shù)的性能對(duì)比如表2所示。

從表2可以看出：現(xiàn)階段的新型水系電池在能量密度和循環(huán)壽命上表現(xiàn)出明顯的劣勢(shì)。究其原因，主要為以下3個(gè)方面：1）水系電解液通常具有較窄的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，這限制了水系電池的能量密度；2）金屬負(fù)極和正極材料的不穩(wěn)定性是導(dǎo)致水系電池循環(huán)壽命較短的重要原因；3）水系電池在極端溫度條件下的工作能力較差，環(huán)境適應(yīng)性有待提高。

2" 總結(jié)與展望

新型儲(chǔ)能技術(shù)未來將向高安全性、低成本、大容量、高效率、數(shù)字化、智能化、綠色化、集中式與分布式并舉的方向發(fā)展，從而在促進(jìn)可再生能源消納、實(shí)現(xiàn)能源體系轉(zhuǎn)型、提高能源利用效率、減少環(huán)境污染等方面發(fā)揮重要的作用。作為新型儲(chǔ)能技術(shù)領(lǐng)域系列評(píng)價(jià)性綜述的第1部分，本文對(duì)重要的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域、最新研究進(jìn)展及局限性等問題進(jìn)行了闡述和討論。電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)具有靈活配置的特點(diǎn)，可以滿足不同功率和能量的應(yīng)用需求，鋰離子電池在儲(chǔ)能市場(chǎng)占有主體地位，其他一些尚處于基礎(chǔ)研究階段的電池技術(shù)也展現(xiàn)出了巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

1）鋰離子電池技術(shù)的成熟度最高，作為已形成市場(chǎng)化大規(guī)模應(yīng)用的主流儲(chǔ)能技術(shù)，其未來進(jìn)一步發(fā)展集中于系統(tǒng)集成和安全技術(shù)方面，安全問題和進(jìn)一步提升能量密度的瓶頸和挑戰(zhàn)仍待解決，而正極活性物質(zhì)的改進(jìn)是進(jìn)一步提高其能量密度的關(guān)鍵。

2）鈉離子電池的低溫性能佳、安全性高且成本低，適合用于能源存儲(chǔ)，尤其是在低溫地區(qū)；但此類電池的能量密度和循環(huán)壽命有待提升，產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程較慢。未來的研發(fā)集中在技術(shù)創(chuàng)新方面，比如：提升電極性能、優(yōu)化電解液和界面技術(shù)。

3）液流電池技術(shù)逐漸成熟，全釩液流電池已初步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。此類電池具有較長(zhǎng)的循環(huán)壽命，展現(xiàn)出了長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的優(yōu)勢(shì)；但仍面臨能量密度低、成本高、存在不良副反應(yīng)等問題。未來發(fā)展需優(yōu)化性能、降低成本，并克服技術(shù)難題，同時(shí)推動(dòng)新型液流電池的發(fā)展。

4）固態(tài)電池具有高能量密度、強(qiáng)寬溫適應(yīng)性、長(zhǎng)壽命及卓越的安全性，電解質(zhì)技術(shù)提升顯著。但未來必須深入研究離子傳輸、枝晶生長(zhǎng)和多物理場(chǎng)耦合問題，以推動(dòng)此類電池的商業(yè)化進(jìn)程。

5）水系電池具有安全、成本低、環(huán)保的特點(diǎn)，應(yīng)用前景廣闊。當(dāng)前研究集中于電解液、電極和界面優(yōu)化，特別是針對(duì)海水基水系電池的研究；但其發(fā)展面臨電化學(xué)穩(wěn)定窗口窄、材料不穩(wěn)定和環(huán)境適應(yīng)性差等挑戰(zhàn)，限制了其能量密度、循環(huán)壽命和極端條件下的工作能力。

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PROGRESS AND CHALLENGES IN NOVEL ENERGY STORAGE TECHNOLOGIES I：ELECTROCHEMICAL ENERGY STORAGE

Ju Xing，Xu Chao，Hao Junhong，Song Jifeng，Teng Wei，Tian Huajun，

Zhao Haisen，Chen Zhe，Wang Tianhu，Liao Zhirong，Du Xiaoze

（Beijing Laboratory of New Energy Storage Technology，North China Electric Power University，Beijing 102206，China）

Abstract：Novel energy storage technology is increasingly becoming a key technology for building a new type energy system and a new type power system in China，and has become a new driving force for China's economic development. It will play an important role in promoting the consumption of renewable energy，achieving energy system transformation，improving energy utilization efficiency，reducing environmental pollution，and related technological research is also developing rapidly. A series of review paperwork are conducted，which are divided into three parts：electrochemical energy storage technology，physical energy storage and thermal storage technology，energy storage integration and planning. A comprehensive and systematic comparative analysis is conducted on the application fields，latest research progress，and limitations of various novel energy storage technologies. Furthermore，the challenges and development trends faced by energy storage system related fields such as energy storage integration，security，planning and scheduling are further explored.This paper is the first part of the review work，which focuses on the comprehensive analysis and discussion of the relevant achievements in the technology and engineering of electrochemical energy storage technology，including lithium-ion batteries，sodium-ion batteries，flow batteries，solid-state batteries，and aqueous batteries.Electrochemical energy storage technology has the characteristic of flexible configuration，which can meet the application needs of different powers and energies. Lithium-ion battery technology has the highest maturity and occupies a dominant position in the energy storage market. In the future，further development will focus on system integration and safety technology to promote larger scale commercial applications. Other battery technologies that are still in the basic research stage have also shown enormous development potential，such as solid-state batteries with higher safety，sodium-ion batteries with superior low-temperature performance，and flow batteries with longer cycle life.

Keywords：energy storage technology；electrochemical energy storage；lithium-ion batteries；sodium-ion batteries；flow batteries；solid-state batteries；aqueous batteries

收稿日期：2024-06-10

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金創(chuàng)新研究群體項(xiàng)目（51821004）

通信作者：杜小澤（1970—），男，博士、教授，主要從事工程熱物理和儲(chǔ)能系統(tǒng)方面的研究。duxz@ncepu.edu.cn