储能技术发展及路线图

1.本书作者为储能各分支领域参与过国家重大项目的一线专家，起点高、实用性强，探讨了储能未来的发展趋势。

2.涉及面广，既指明了储能领域关键科学问题的未来发展方向，又探讨了至到2025年及2050年技术指标及路线图，指导性强。

3.储能学科规划的专业参考书

4.本书适合储能学科及技术领域或相关行业从事技术研发、学科规划、企业战略研究的人员，以及负责制定和实施与储能产业相关政策的各级政府人员阅读，也适合作为对储能学科及产业发展感兴趣的人员了解储能技术发展方向的专业读物。

 

 

《储能技术发展及路线图》组织国内储能领域权威人士编写，包括11章，分别介绍了储能技术学科基础、压缩空气储能、锂离子电池技术及金属锂电池、高温钠电池储能、液流电池储能技术、新型储能电池、铅蓄电池储能技术、电容及超级电容储能技术、飞轮储能、抽水蓄能、储热/冷技术等的国内外*进展、存在的关键科学与技术问题及2025年、2050年发展路线图。该书在项目的基础上细化和明确了储能学科的关键科学问题与技术挑战，预测未来的重点发展方向、关键技术及其优先程度，具有起点高、权威、引领的特色，可为广大开设储能学科的高等院校、科研机构提供学科规划的重要参考和清晰指引，也可以为相关政府部门确定科技支持重点领域和创新项目及为科技、人才、资金等创新资源向我国储能产业进行有效集聚提供参考借鉴。

陈海生，男，汉族，1977年2月生，山东滕州人，1997年本科毕业于西安交通大学，2002年在中科院工程热物理所获博士学位。2002~2004年在北京航空航天大学从事博士后研究；2004~2005年任中科院工程热物理所副研究员；2005~2009年在英国利兹大学工作，任Senior Visiting Research Fellow/Research Fellow等职；2009年11月入选中科院“百人计划”，任中科院工程热物理所研究员、博士生导师；2012年入选中组部“万人计划”青年拔尖人才，2013年入选中组部“万人计划”中青年科技创新领军人才，是国家自然科学基金杰出青年基金获得者、英国能源学会会士（Fellow）、享受国务院特殊津贴专家。现任中科院工程热物理所副所长、国家能源大规模物理储能研发中心主任。

主要从事新型大规模储能技术、限定空间尺度内流动与传储热特性、叶轮机械内部流动机理等研究工作，取得了一系列具有国际水平的研究成果。牵头组建了100余人的国际水平的物理储能研发团队，建成了我国物理储能国家研发中心“国家能源大规模物理储能技术研发中心”，成为目前国际领先的10MW级先进压缩空气储能集成研发与测试平台。攻克1-10MW先进压缩空气储能各项关键技术，主持建成国际首套1.5MW和10MW先进压缩空气储能示范系统，研发进程及性能指标均处于国际领先水平。

已主持国家科技部863重点项目、中科院先导专项、国际合作项目、中科院知识创新工程重点项目等各类项目30余项。发表论文300余篇，其中SCI论文160余篇，EI论文240余篇，SCI他引6000余次。获邀主持编写专著3部，参加编写专著9章。已申请专利200余项，授权专利160余项（国际授权4项）。关于压缩空气储能技术的专利数和SCI论文数均全球机构排名第1。其研究成果先后荣获全球可再生能源领域蓝天奖、北京市科学技术奖一等奖、黑龙江省科学技术一等奖、北京市技术发明奖一等奖、中国青年科技奖特别奖，中国科学院青年科学家奖、英国皇家学会牛顿高级学者奖等奖励，2014年以来连续入选Elsevier“中国高被引学者榜单（能源领域）”等。

兼任“Journal of Thermal Science”、“Energy Storage”、“储能科学与技术”、“工程热物理学报”和“智能电网”副主编，担任世界储能技术大会和全国储能科学与技术大会主席/副主席，“Energy Science and Technology”等7个学术期刊编委，8个国际会议的组委会/科学委员会委员等。目前担任中国工程热物理学会副理事长、国际储能技术与产业联盟总干事、中国能源研究会储能专业委员会主任、中国化工学会储能工程专业委员会副主任、中国电机工程学会储能专委会副主任、中国物理与化学能源协会储能应用分会副主任、中关村储能技术与产业联盟理事长等。

吴玉庭，男，1970年9月生，北京工业大学环境与生命学部研究员，博士生导师。现任北京工业大学学术委员会委员，传热与能源利用北京市重点实验室主任，传热强化与过程节能教育部重点实验室副主任。先后入选北京市长城学者、北京工业大学京华人才、服务北京创新人才等，学术兼职包括中国无机盐协会熔盐储能专业委员会副主任、中国电力技术市场协会储能技术设备专委会副主任、中国可再生能源学会太阳能热发电专业委员会委员、中国化工学会储能专业委员会委员、北京市北京理化分析测试技术学会热分析专业委员会理事等，担任《Journal of Thermal Science》、《储能科学与技术》杂志编委。主要研究方向包括：（1）传热蓄热；（2）压缩机/膨胀机，热泵制冷、有机朗肯循环发电；（3）太阳能及地热能等可再生能源热利用及发电技术。先后做为项目负责人承担了包括973， 863项目，国防预研重点项目，国基金重大国际合作项目、市科委重大项目课题和市自然科学基金重点项目等在内的10项国家和北京市重点项目的研究，项目总经费超过3000万元。获北京市科技进步三等奖1项（排名第二）和全国发明博览会银奖。申请人先后发表论文300余篇，其中SCI收录89篇，EI收录183篇，ISTP收录15篇，累计SCI他引1152次，h因子22；获得授权发明专利38项，美国专利1项。先后在国际学术会议上做主旨报告6次，分会口头报告10次。做为主要起草人参与了《空调通风系统清洗规范》GB19210-2003、《一般用喷油单螺杆空气压缩机》GB/T 26967-2011、《工业余热梯级综合利用导则》、《蓄热型电加热装置》等国家标准的起草。参与国家能源局《太阳能热发电材料发展指南》、《太阳能热发电示范工程技术条件及实施方案》、《能源科技创新规划（2016-2025年）-先进储能技术与装置》等文件的编制，负责中国科协《储能技术学科方向预测及路线图—储热》的编写。协助马重芳教授组织编写了《工程热物理学科发展报告2007-2008》，《工程热物理学科发展报告2009-2010》中《传热传质学科发展》专题报告。

 

第1章　储能学科基础1

1.1　储能促进能源可持续发展                           1

1.1.1　储能技术与产业的重要性                   1

1.1.2　储能是能源互联网的关键技术支撑           4

1.1.3　储能在不同场合的应用                     6

1.2　储能技术分类                                     8

1.2.1　物理储能                                 8

1.2.2　电化学储能                               8

1.2.3　储热和储氢                               8

1.2.4　电场储能                                 9

1.3　储能技术发展现状                               10

1.3.1　国际储能产业技术与各国产业政策           11

1.3.2　我国储能技术现状与产业政策               14

1.3.3　储能技术评价准则                         18

1.4　储能技术学科的基础科学问题                     20

1.4.1　储能过程基础原理                         21

1.4.2　储能过程的共性技术                       22

1.5　储能产业技术的绿色发展                         23

1.6　储能名词与术语                                 25

1.6.1　电化学储能                               26

1.6.2　物理储能                                 34

1.6.3　储热（冷）技术                           37

1.7　储能科学与技术专业本科生培养计划建议           38

1.7.1　培养目标                                 39

1.7.2　培养要求                                 39

1.7.3　知识体系                                 40

1.7.4　学制、学位授予与毕业条件                 43

参考文献                                             43

第2章　锂离子电池技术及金属锂电池45

2.1　国内外发展现状                                 45

2.1.1　简述                                     45

2.1.2　锂离子电池的关键材料                     47

2.1.3　锂离子电池的电芯、模组及电池包           52

2.1.4　锂离子电池的装备技术                     55

2.1.5　锂离子电池的回收利用                     56

2.2　锂离子电池关键科学与技术问题及下一代研发方向 68

2.2.1　锂离子电池的下一代关键材料               68

2.2.2　新一代锂离子电池技术                     77

2.2.3　下一代金属锂基新电池体系                 81

2.3　锂电池未来发展方向与路线图                     84

2.3.1　储能用锂电池发展现状与未来前景           84

2.3.2　锂电池未来发展方向                       85

参考文献                                             88

第3章　压缩空气储能技术91

3.1　国内外发展现状                                 91

3.1.1　发展现状                                 91

3.1.2　关键科学与技术问题                       94

3.1.3　应用领域的现状与问题                     97

3.2　未来发展方向预测与展望                         100

3.2.1　产业发展方向预测                       100

3.2.2　学科未来发展方向预测与展望             102

3.3　国内发展的分析与规划路线图                     103

参考文献                                           104

第4章　液流电池储能技术108

4.1　国外发展现状                                   108

4.1.1　全钒液流电池                           109

4.1.2　锌基液流电池技术                       109

4.1.3　有机体系的液流电池技术                 110

4.2　国内发展现状                                   110

4.2.1　全钒液流电池                           110

4.2.2　锌基液流电池技术                       111

4.3　全钒液流电池的发展现状                         112

4.4　全钒液流电池的关键材料                         114

4.4.1　电极材料                               114

4.4.2　双极板材料                             115

4.4.3　电解质溶液                             117

4.4.4　离子传导（交换）膜材料                 117

4.5　未来发展方向的预测与展望                       120

4.6　发展路线图                                     123

参考文献                                           124

第5章　高温钠电池126

5.1　概述                                           126

5.1.1　钠硫电池与钠镍电池                     126

5.1.2　高温钠电池材料                         130

5.2　高温钠电池发展现状                             136

5.2.1　钠硫电池                               136

5.2.2　ZEBRA电池                             140

5.3　我国高温钠电池发展战略                         146

5.3.1　高温钠电池关键科学问题与技术挑战     146

5.3.2　高温钠电池发展方向与路线图             146

参考文献                                           147

第6章　新概念储能电池149

6.1　概述                                           149

6.1.1　基于水溶液电解质的离子嵌入型二次电池 150

6.1.2　全固态电池                             150

6.1.3　液态金属电池                           151

6.1.4　多电子二次电池                         152

6.2　发展现状                                       153

6.2.1　国际发展现状                           153

6.2.2　国内发展现状                           160

6.3　我国新概念电化学储能体系的关键材料发展战略     165

6.3.1　新概念储能电池的发展目标               165

6.3.2　关键科学问题和技术挑战                 167

6.4　新概念储能电池体系的发展方向                   169

6.4.1　水系离子嵌入电池的发展方向             169

6.4.2　全固态电池的发展方向                   170

6.4.3　液态金属电池的发展方向                 171

6.4.4　多电子二次电池的发展方向               171

6.5　发展建议路线图                                 172

参考文献                                           173

第7章　铅蓄电池储能技术175

7.1　发展现状                                       175

7.1.1　概述                                   175

7.1.2　技术演变                               177

7.2　技术方向                                       180

7.2.1　铅炭电池特性                           180

7.2.2　铅炭电池技术发展路线                   182

7.2.3　高功率铅酸蓄电池                       184

7.2.4　铅酸蓄电池的铅回收技术                 186

参考文献                                           189

第8章　电容及超级电容191

8.1　国内外发展现状                                 192

8.1.1　关键科学与技术问题                     192

8.1.2　应用领域的现状与问题                   198

8.2　产业领域创新方向与展望                         200

8.3　生命周期评价                                   202

8.3.1　影响超级电容器寿命的因素               202

8.3.2　超级电容器生命周期评价方法             204

8.3.3　现有生命周期评价方法存在的问题及展望   205

8.4　学科未来发展方向的预测与展望                   206

8.5　国内发展的分析与规划路线图                     207

参考文献                                           208

第9章　飞轮储能210

9.1　国内外发展现状                                 210

9.1.1　概况                                   210

9.1.2　我国飞轮储能技术研发现状               212

9.1.3　国内外技术水平对比分析                 213

9.1.4　应用领域现状                           214

9.2　关键科学与技术问题                             217

9.2.1　飞轮、轴承与电机关键问题               217

9.2.2　充放电控制及系统技术                   220

9.3　学科未来发展方向的预测与展望                   221

9.4　飞轮储能技术国内发展的分析与规划路线图         222

参考文献                                           223

第10章　抽水蓄能技术224

10.1　概述                                         224

10.1.1　电站结构                               224

10.1.2　效益及其作用                           226

10.2　国内外研究现状                               226

10.3　关键科学与技术问题                           228

10.3.1　上、下水库关键技术问题                 229

10.3.2　引水管道关键技术问题                   230

10.3.3　地下厂房关键技术问题                   231

10.3.4　蓄能机组设计及自主制造能力             231

10.4　学科未来发展方向的分析与规划路线图           232

10.4.1　抽水蓄能未来发展方向                   232

10.4.2　抽水蓄能规划发展路线图                 236

参考文献                                           237

第11章　储热（冷）技术238

11.1　国内外发展现状                               238

11.1.1　显热储热（冷）技术                     238

11.1.2　相变储热技术                           239

11.1.3　化学储热技术（thermo-chemical energy storage，TCES） 240

11.2　未来发展方向预测与展望                       241

11.2.1　产业未来发展方向预测与展望             241

11.2.2　学科未来发展方向预测与展望             246

11.3　国内发展的分析与规划路线图                   248

参考文献                                           251

 

储能技术在促进能源生产消费、开放共享、灵活交易、协同发展,推动能源革命和能源新业态发展方面发挥着至关重要的作用,将成为带动全球能源格局革命性、颠覆性调整的重要引领技术。储能设施的加快建设将成为国家构建更加清洁低碳、安全高效的现代能源产业体系的重要基础设施。《储能技术发展及路线图》源自中国化工学会承担完成的“中国科学技术协会储能技术学科方向预测及技术路线图”项目。该项目由中国化工学会动员超过100位来自储能一线科研及生产领域的专家、学者参与,历时三年完成。项目从学科发展的角度探讨了储能技术学科的发展趋势及技术路线图(2025年及2050年),涉及动力工程、凝聚态物理、固态化学、电化学、化工过程、新材料等领域与储能技术相关的科学问题,以及在新能源并网、分布式发电、微网及离网、电力输配、建筑、社区及家用储能、电力调峰/调频辅助服务、电动汽车、轨道交通等领域应用的关键技术之国内外发展趋势。从应用角度,储能技术是不可缺少的国家战略高技术,储能技术发展方向众多,有很大的发展空间,项目明确了储能技术学科未来发展的关键所在,将会推动储能技术的大规模应用及相关科学问题的解决,促进我国储能技术学科的建设和发展。为加快培养储能领域“高精尖缺”人才,增强产业关键核心技术攻关和自主创新能力,以产教融合发展推动储能产业高质量发展,教育部、国家发展改革委、国家能源局决定实施储能技术专业学科发展行动计划(2020~2024年),并于2020年1月17日发布,这一行动计划的发布标志着我国着手全面布局储能学科。

本书包括11章,分别介绍了储能学科基础、锂离子电池技术及金属锂电池、压缩空气储能技术、液流电池储能技术、高温钠电池、新概念储能电池、铅蓄电池储能技术、电容及超级电容、飞轮储能、抽水蓄能、储热(冷)技术等的国内外最新进展、存在的关键科学与技术问题,以及2025年、2050年储能技术发展路线图。

本书在项目的基础上细化和明确了储能学科的关键科学问题与技术挑战,预测未来储能技术的重点发展方向、关键技术及其优先程度,具有起点高、引领的特色,可为广大开设储能学科的高等学校、科研机构提供学科规划的重要参考和清晰指引,也可以为相关政府部门确定科技支持重点领域和创新项目及为科技、人才、资金等创新资源向我国储能产业进行有效集聚提供参考借鉴。

本书由陈海生、吴玉庭任主编,王保国、李泓任副主编,第1章由王保国、丁玉龙、严川伟、张强、韩晓刚、李泓编写,第2章由李泓、李丽、索鎏敏编写,第3章由陈海生、刘畅、贺凤娟、徐玉杰、纪律、左志涛、李文编写,第4章由张华民编写,第5章由温兆银编写,第6章由蒋凯、许晓雄、李宝华、王康丽、袁利霞、曹余良、陈人杰、杨汉西编写,第7章由沈浩宇、夏云飞、王振波编写,第8章由阮殿波、郑超、乔志军、于学文编写,第9章由戴兴建编写,第10章由王婷婷编写,第11章由吴玉庭、金翼、张灿灿、鹿院卫、陈海生、丁玉龙编写,详见编写人员名单,感谢参与编写的全体同志!

限于编者理论水平、实际经验及编写时间,书中难免存在不足和疏漏之处,恳请读者批评指正。

编者

2020年3月

 

锂离子电池的应用正从消费电子领域逐渐向电动汽车、智能电网、通信基站、绿色建筑等方面发展。因此未来锂离子电池技术的发展方向将呈现出多元化的趋势。对能量密度要求越来越高的消费电子产品将追求高能量密度的极限，电动汽车领域则需要在能量密度与功率密度中进行折中选择，而准求廉价、长寿命的大规模储能领域则要求电芯能够经得起上万次的充放。这一系列新的需求对电芯厂家的技术路线都提出了新的要求，如何适应各种类型电芯的需求，设计出符合客户条件的电芯成为未来电芯厂家需要面对的主要难题。

（1）高能量密度电芯技术

高能量密度锂离子电池技术是未来的核心技术。目前，世界各国都将能量密度的提升作为锂离子电池发展的标志。日本政府早在2009年就提出了高能量密度电池的研发目标，2020年，纯电动汽车用动力电池电芯能量密度为250 W·h/kg，2030年达到500 W·h/kg，2030年以后发展到700 W·h/kg。美国政府USABC在2015年11月将2020年电芯能量密度由原来的220 W·h/kg修订为350 W·h/kg。《中国制造2025》确定的技术目标为到2020年锂离子电池能量密度到300 W·h/kg，2025年能量密度达到400 W·h/kg，2030年能量密度达到500 W·h/kg。

从历史上看，商业锂离子电池能量密度的提高较为缓慢。过去25年，电池能量密度每年提升7.6 W·h/kg，而且是线性稳步提升。按照这一速度，动力电池能量密度从现在的180 W·h/kg提升到400 W·h/kg，还需要28年，也就是说要到2043年。显然，电池发展需要革命性的技术，才能尽快彻底解决能量密度的技术瓶颈。