單位：1. 中國科學院武漢文獻情報中心；2. 科技大數據湖北省重點實驗室；3. 中國;科學院大學經濟與管理學院

引用： 湯勻,岳芳,郭楷模等.下一代電化學儲能技術國際發展態勢分析[J].儲能科學與技術,2022,11(01):89-97.

DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0301

摘 要 全球碳中和大背景下，國際能源格局從化石能源絕對主導朝著低碳多能融合發生轉變，儲能技術作為推動可再生能源從替代能源走向主體能源的關鍵技術越來越受到業界高度關注。對比分析了美國、歐盟、日本等主要國家和地區的電化學儲能技術戰略布局、項目部署和重點示范項目情況。隨著我國承諾2030碳達峰、2060碳中和目標，我國政府對電化學儲能技術的開發日益重視，先后出臺一系列支持政策，啟動重大研發項目開展技術研究，并部署了一批電化學儲能示范工程。然而，我國雖然在電化學儲能制造技術上努力追趕歐、美、日、韓等先進技術國家，但對儲能電池機理研究、技術突破以及關鍵材料制造上距離技術發達國家仍有一定差距，多種類型電化學儲能技術的示范應用才剛剛起步。因此，需進一步從頂層設計、技術研發、產業布局和基礎設施建設等多方面采取措施，加快實現下一代新型電化學儲能技術的大范圍應用，促進能源高效利用、多能融合互補，構建“清潔低碳、安全高效”的現代能源格局。

關鍵詞 電化學儲能技術；下一代電池技術；國際發展態勢；戰略規劃；項目研發；碳中和

隨著全球各主要國家陸續宣布實現碳中和目標時間節點，太陽能、風能等可再生清潔能源實現全面發展。但這類可調度可再生能源受地理環境影響較大，在時空上具有間歇性和分布不均的特點，如果將其直接并網運行，對電網將會產生較大沖擊。而儲能系統作為能量存儲和轉化設備，成為了能源革命的關鍵支撐技術。儲能技術分為物理儲能、化學儲能等大類。其中，物理儲能主要包括抽水儲能、壓縮空氣儲能、飛輪儲能以及儲冷儲熱等，化學儲能則主要包含電池儲能等。不同儲能方式各有特點，因此適用于不同的場景。抽水蓄能、壓縮空氣儲能和電池儲能較適用于電網的削峰填谷、系統調頻，超導磁儲能和超級電容器則適用于改善電能質量、穩定輸出，儲熱技術則可解決綜合能源系統中的熱需求和供給的不平衡，平抑需求側的熱負荷波動。而電化學儲能技術相較于物理儲能技術來說，受地理環境影響較小，電能存儲和釋放更直接，對電力調度調控更具靈活性，因此，受到新興市場和科研領域的廣泛關注。

電化學儲能技術的發展歷程(圖1)最早起于1800年的伏打(Volta)電池和1836年的丹尼爾(Daniell)電池(也稱為鋅銅電池)。隨后，鉛/酸電池(1882年)、鎳/氫電池(1970年)和鋰電池(1990年)不斷涌現，實現商業化應用。但隨著電氣化、電網等大型應用的發展，現已商業化的鋰離子電池一般采用有機電解液作為電解質，該電池存在漏液和易燃易爆問題，且在高溫、大電流工作時鋰金屬負極在循環過程中易生成鋰枝晶造成電池短路，當其用于大容量存儲時具有較大的安全隱患。此外，為解決電動汽車中退役的電池組回收利用問題，提出鋰離子電池梯次利用方案，即將報廢的車用鋰離子電池降級使用，繼續發揮余熱，但該方案具有較高的隱形成本以及再次降級應用時與新儲能場景不適配的問題。因此，目前商業化的鋰離子已不能完全滿足現階段能量存儲所要求的性能、成本和其他擴展目標。針對移動式儲能和中大型儲能應用領域，研發“下一代電池”技術以提高電池安全性、增加電池能量密度，并進一步降低制造成本以及對環境友好顯得尤為重要。根據歐盟2020年12月最新頒布的電池技術分類(表1)，電化學儲能技術正逐步從鋰離子電池(第4代以前)朝向下一代電池技術(第4代之后)發展，主要包括：固態鋰電池、鈉離子電池、鉀離子電池、鋅離子電池、全固態電池、多價離子電池和金屬-空氣電池等技術領域，并有望于2025年以后實現市場化應用。

圖1   電化學儲能技術的發展歷程

表1   歐盟電池技術分類

1 主要國家/地區戰略布局

隨著電力系統靈活性需求增強，分布式能源逐漸增多，電化學儲能技術日益得到重視，世界各主要國家紛紛出臺舉措以推進儲能技術研發，不斷改進鋰離子電池性能，并探索開發新型儲能電池。

1.1 美國

美國是全球儲能產業發展較早的國家，也是目前擁有儲能項目最多的國家，并擁有全球近半數的示范項目。在2021年3月美國儲能協會(ESA)和伍德麥肯茲(Wood Mackenzie)發布的《美國儲能監測》報告顯示，2020年美國新增儲能規模達到1464 MW，較2019年增長179%，其中，電網側儲能在美國發展迅速，2020年第四季度部署的651 MW儲能系統中，電網側儲能貢獻了529 MW。住宅儲能占第四季度總儲能的14%，為90.1 MW，剩余31.9 MW為非住宅用戶儲能。

1.1.1 戰略部署

美國極為重視對儲能技術的開發，較早出臺了儲能技術的研發規劃和戰略部署路線。2012年專門成立了新一代電池的研發組織“儲能聯合研究中心(JCESR)”。2016年7月，奧巴馬政府宣布發起了“電池500”計劃，用五年時間打造高能量密度和高循環壽命的高性能電池。2020年1月，DOE宣布投入1.58億美元啟動“儲能大挑戰”計劃，并在2020年12月，DOE正式發布了美國首個綜合性儲能戰略《儲能大挑戰路線圖》，提出將在儲能技術開發、儲能制造和供應鏈、儲能技術轉化、政策與評估、勞動力開發五大重點領域開展行動，實現到2030年美國國內的儲能技術及設備的開發制造能力將能夠滿足美國市場所有需求，無需依靠國外來源，并在全球儲能領域建立領導地位。2021年6月發布的《國家鋰電藍圖2021—2030》，設定了到2030年的行動目標以構建美國本土的鋰電池制造價值鏈。

1.1.2 項目研發

美國能源部通過電力傳輸與能源可靠性辦公室的“儲能計劃”持續對儲能技術進行研發，2018年12月，美國能源部宣布未來五年內為JCESR第二期投入1.2億美元，以推進電池科學和技術研究開發。到2019年，DOE在“儲能計劃”下共開展了16個項目，涉及鉛酸電池、鋰離子電池、鈉離子電池、全釩液流電池、飛輪儲能、等溫壓縮空氣儲能、儲能數據庫構建等技術。

此外，DOE通過其下屬的先進能源研究計劃署(ARPA-E)對儲能技術給予支持，2009—2019年共在13個研發計劃下開展了95個儲能相關的項目，包括：示范了一種用于液流電池的新型隔膜；在用Mg2+代替Li+的電池科學基礎方面取得了實質性進展；開發了計算工具，利用該工具篩選出了超過24000種潛在的電解質和電極化合物，用于新的電池概念和化學品。2018—2022年，JCESR將在五個方向重點研究[10]，包括：液體溶劑化科學、固體溶劑化科學、流動性氧化還原科學、動態界面的電荷轉移、材料復雜性科學(表2)

表2   2018—2022年美國能源部儲能聯合研究中心支持的電化學儲能相關重點研究方向

1.2 歐盟

歐盟極為重視對電池儲能技術的研發，將其視為實現工業、交通、建筑等行業電氣化，促進向“碳中和”社會發展的重要因素，希望通過開發高性能電池搶占未來電氣化社會競爭制高點，爭奪全球電池研發和生產的主導權。

1.2.1 戰略部署

2010年，歐盟成立歐洲能源研究聯盟(EERA)，確定電化學儲能、化學儲能、儲熱、機械儲能、超導磁儲能和儲能技術經濟六個重點技術領域。2017年11月，歐盟發布了“戰略能源技術規劃”(SET-Plan)電池實施計劃，提出電池研究創新的重點領域：電池材料/化學/設計和回收、制造技術、電池應用和集成。同年，歐洲儲能協會(EASE)和EERA聯合發布新版《歐洲儲能技術發展路線圖》，提出未來10年通過推動組建歐洲電池聯盟(EBA)、歐洲技術與創新平臺“電池歐洲”(Batteries Europe)和“電池2030+”聯合研究計劃，推進不同技術成熟度的研究和開發工作，這些相互銜接互補的機制構建起歐洲電池研究與創新生態系統(圖2)。

圖2   歐洲電池研究與創新生態系統-歐洲電池聯盟、電池歐洲技術與創新平臺和電池2030+之間的銜接互補

2017年，歐盟成立“歐洲電池聯盟”，旨在歐洲打造出具有全球競爭力的電池價值鏈。2018年發布《電池戰略行動計劃》，宣布將設立一個規模為10億歐元的新型電池技術旗艦研究計劃。基于此計劃，2019年2月，歐盟宣布創建歐洲電池技術與創新平臺“電池歐洲”，以確定電池研究優先領域、制定長期愿景、闡述戰略研究議程與發展路線。2020年3月，歐盟“電池2030+”計劃工作組發布的電池研發路線圖，提出未來10年歐盟電池技術研發重點將圍繞材料開發、相界面研究、先進傳感器、自修復功能四個主要領域，開發智能、安全、可持續且具有成本競爭力的超高性能電池。2020年7月，“電池歐洲”發布《歐洲電池行業短期研發創新優先事項》報告，針對歐洲電池創新價值鏈提出了短期(2021—2023年)的七大優先創新研發事項。同年12月，“電池歐洲”發布了其第一個《電池戰略研究議程》，明確了到2030年從電池應用、電池制造與材料、原材料循環經濟、歐洲電池競爭優勢四方面關鍵行動，旨在推進電池價值鏈相關研究和創新行動的實施。

1.2.2 項目研發

2018年6月歐盟在“地平線2020”計劃基礎上制定了“地平線歐洲”框架計劃，明確支持“可再生能源存儲技術和有競爭力的電池產業鏈”，為其投入150億歐元的研發經費。同年7月更新了“地平線2020”(2018—2020)計劃中能源和交通運輸的項目資助計劃，即新增一個主題名為“建立一個低碳、彈性的未來氣候：下一代電池”跨領域研究活動，旨在整合“地平線2020”(2018—2020)分散資助的與下一代電池有關的研究創新工作，推動歐盟國家電池技術創新突破，開發更具價格競爭力、更高性能和更長壽命的電池技術。新增資助計劃將在2019年提供1.14億歐元用于支持7個主題的電池研究課題，主要包括：高性能、高安全性的車用固態電池技術；非車用電池技術；氧化還原液流電池仿真建模研究；適用于固定式儲能的先進氧化還原液流電池；先進鋰離子電池的研究與創新；鋰離子電池材料及輸運過程建模；鋰離子電池生產試點網絡。2020年，預計歐盟將再投入7000萬歐元用于電池相關研究項目。

1.2.3 產業發展

歐盟委員會預測，到2025年歐洲電池市場規模將達到2500億歐元，此外，歐盟委員于2019年12月和2021年1月分別發布兩項與電池相關的“歐洲共同利益重要項目”(IPCEI)。2019年宣布由比利時、芬蘭、法國、德國、意大利、波蘭和瑞典七國到2031年前共同投入32億歐元公共資金，并將撬動50億歐元的私人投資，用于開發高度創新和可持續的鋰離子電池技術(液態電解質和固態電池)，以實現整個電池價值鏈的創新。2021年1月，歐盟委員會宣布除最初歐盟電池IPCEI項目的7個歐盟成員國之外，奧地利、克羅地亞、希臘、斯洛伐克和西班牙也一起參與一項近120億歐元的新項目。將在電池制造的四個核心階段(原材料開采、電池芯設計、電池組系統和回收供應鏈)投資創建新的解決方案，整個項目將持續到2028年。迄今為止，歐盟委員會已撥出60億歐元用于提高歐洲電池制造能力。此外，歐洲計劃設立22個大型電池工廠，到2025年，歐洲電池產能將從2020年的49 GW·h提高到460 GW·h，增幅近10倍，滿足年產800萬輛電動汽車的需求，其中一半產能位于德國。到2030年歐洲將建立6座總年產能達到240 GW·h的超級電池廠，其中位于瑞典專注于生產高端電池的謝萊夫特奧(Skellefte)工廠有望在2023年投入商用，年產能將擴張至40 GW·h。

1.3 日本

由于日本國土面積小、需求量占比大，以及地貌特征等因素，相比大規模太陽能發電站，屋頂光伏產業和分布式電站的發展火熱。與此同時，日本采用激勵措施鼓勵住宅采用儲能系統，以緩解大量涌入的分布式太陽能帶來的電網管理挑戰，這也讓電池儲能系統的需求不斷增加。

1.3.1 戰略部署

2012年7月，日本經濟產業省公布了《蓄電池戰略》，提出在2020年左右將鈉硫、鎳氫等大型蓄電池的電力成本降至與抽水蓄能發電成本相當，實現全球蓄電池市場占有率50%的目標。2013年8月，日本新能源與工業技術開發組織(NEDO)制定了《充電電池技術發展路線圖》，更新了到2030年固定式電池、車用電池及電池材料的研發目標和路線。2016年4月，日本經濟產業省發布了面向2050年技術前沿的《能源環境技術創新戰略》，明確將電化學儲能技術納入五大技術創新領域并提出重點開發領域包括固態鋰電池、鋰硫電池、鋅-空氣電池、新型金屬-空氣電池和其他新型電池(如氟化物電池、鈉電池、多價離子電池、新概念氧化還原電池等)。重點研發低成本、安全可靠的快速充放電先進蓄電池技術，使其能量密度達到現有鋰離子電池的7倍，同時成本降至1/10，使得小型電動汽車續航里程達到700 km以。2020年12月，日本經濟產業省發布了《綠色增長戰略》，明確提出開發性能更優異但成本更低廉的新型電池技術。

1.3.2 項目研發

日本NEDO持續設立國家層面研發項目，支持儲能技術開發。2019財年對于儲能領域，正重點進行全固態鋰離子電池和超越鋰離子電池的新型電池研發。2000—2019年，NEDO共開展了10個儲能相關項目。其中，2018年7月，NEDO通過了“創新性蓄電池-固態電池”開發項目，聯合23家企業、15家日本國立研究機構，計劃未來5年內聯合研發電動車全固態電池。該項目分兩個階段，第一期(2016—2020年)研發內容是新概念電池基礎技術開發以促進商業化，將開發超越鋰離子電池的新型電池。2021年正在開展研究項目是：新型高效電池技術開發第二期項目(項目周期2018—2022年，總經費100億日元)，將攻克全固態電池商業化應用的技術瓶頸，為在2030年左右實現規模化量產奠定技術基礎。

2 我國電化學儲能發展現狀

2.1 戰略規劃

我國儲能產業起步較晚，但發展迅速，多項政策指導并促進了電化學儲能技術發展。2010年《可再生能源法修正案》中首次提到要發展儲能技術，奠定了儲能技術在推進我國能源革命中的重要地位。2015年3月《中共中央國務院關于進一步深化電力體制改革的若干意見》中，明確提出在確保安全的前提下，積極發展融合先進儲能技術。并在次年《國民經濟和社會發展第十三個五年規劃綱要》中提出的能源發展八大重大工程中重點提出要加快推進大規模儲能等技術研發應用。為解決儲能部署中面臨的技術瓶頸，同年發布的《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》明確提出了儲能發展目標：到2020年，突破化學儲電的各種新材料制備、儲能系統集成和能量管理等核心關鍵技術。到2050年，積極探索新材料、新方法，實現具有優勢的先進儲能技術儲備，并在高儲能密度低保溫成本熱化學儲熱技術、新概念電化學儲能技術(液體電池、鎂基電池等)、基于超導磁和電化學的多功能全新混合儲能技術等實現重大突破。為進一步推進儲能技術靈活應用，2020年8月，國家發改委、國家能源局在《關于開展“風光水火儲一體化”“源網荷儲一體化”的指導意見(征求意見稿)》中提出儲能快速靈活調節能力須在綜合能源發展項目中體現。2021年隨著我國提出碳達峰、碳中和“3060目標”，為構建清潔低碳、安全高效能源體，國家發展改革委、國家能源局發布《關于加快推動新型儲能發展的指導意見(征求意見稿)》，提出將發展新型儲能作為提升能源電力系統調節能力、綜合效率和安全保障能力，支撐新型電力系統建設的重要舉措，最終實現碳達峰碳中和目標。

2.2 重大項目發展方向和示范部署

“十三五”以來，我國政府愈加重視電化學儲能技術的相關研發，部署了一系列重大研究項目。《能源技術革命創新行動計劃(2016—2030年)》明確提出了電池儲能發展目標：到2020年，示范推廣100 MW級全釩液流電池儲能系統、10 MW級鈉硫電池儲能系統和100 MW級鋰離子電池儲能系統等一批趨于成熟的儲能技術。此外，一系列國家重點研發計劃(2017年、2018年、2021年)均提出推動液流電池、鋰離子電池、鉛酸電池、金屬空氣電池、固態電池等新興技術項目研發部署。2021年“儲能與智能電網技術”重點專項明確提出，重點圍繞中長時間尺度儲能技術在內的六大技術方向進行研究，包括啟動吉瓦時級鋰離子電池儲能系統技術、兆瓦時級本質安全固態鋰離子儲能電池技術、金屬硫基儲能電池等重大研究項目。同年，“新能源汽車”重點專項中也提出將重點研發全固態金屬鋰電池技術、高安全、全氣候動力電池系統技術等技術領域。相較于美國、歐盟和日本電化學儲能研發支持，中國新型高能電化學儲能技術競爭態勢布局對比如表3所示。

表3   全球主要國家新型高能電化學儲能技術競爭態勢布局對比

為推進儲能項目由研發示范向商業化初期過渡，實現商業化初期向規模化發展的轉變，2020年國家發改委、能源局公布了首批科技創新(儲能)試點示范項目，主要對可再生能源發電側、用戶側、電網側、配合常規火電參與輔助服務等4個應用領域共8個項目開展示范，項目名單見表4所示。

表4   2020年我國首批科技創新(儲能)試點示范項目

根據中國能源研究會儲能專委會/中關村儲能產業技術聯盟(CNESA)于2021年4月發布的《儲能產業研究白皮書2021》數據，截至2020年底，中國已投運電化學儲能示范項目累計裝機規模位列全國儲能總裝機規模第二，達到3269.2 MW，較往年同比增長91.2%。其中，鋰離子電池累計裝機規模最大，達到2902.4 MW。從我國電化學儲能主要提供商裝機規模來看，2020年，中國新增投運的電化學儲能項目裝機規模排名前十位的公司依次為：寧德時代、力神、海基新能源、億緯動力、上海電氣國軒新能源、南都電源、贛鋒電池、比亞迪、中航鋰電和國軒高科。

3 我國電化學儲能發展啟示與建議

近年來，我國雖然在電化學儲能制造技術上努力追趕歐、美、日、韓等先進技術國家，但對儲能電池機理研究，如理解充放電和物質轉移/傳輸的物理化學過程；技術突破，如開發高安全性、長壽命、低成本的鋰離子電池、鈉離子電池及其他新型高能化學電源體系，集成系統、改進封裝設計以及應用新材料等方面仍面臨諸多挑戰，在離子傳導膜、電解液、雙極板等關鍵材料制造上距離技術發達國家有一定差距，多種類型電化學儲能技術的示范應用才剛剛起步。通過對電化學儲能技術相關國際政策規劃的解讀，對該領域發展提出以下建議：

（1）明確頂層設計，提出下一代新型電化學儲能技術的中長期發展路徑。國家戰略層面上，通過綜合考慮“雙碳”目標背景下，我國能源格局發展方向以及相關基礎設部署規劃，加快出臺推進下一代新型電化學儲能技術的頂層設計方案。在中長期能源轉型過程中，明確新型電化學儲能技術階段性發展目標、設立重點專項、鼓勵創建新型儲能研發創新平臺，支持產業轉化應用，構建新型電化學儲能技術的長期穩定發展環境。

（2）加大技術研發，促進新型電化學儲能技術的項目示范。技術研發層面上，進一步提升鋰離子電池性能及安全性，降低系統成本，促進市場規模化生產。加快全固態鋰電池技術的研發應用，不斷推進以鈉離子電池、金屬-空氣電池、多價離子電池等為代表的下一代新型電池技術研發，開展電池制備關鍵材料、單元和集成管理等全系統的技術攻關。探索新型電化學儲能技術應用場景，不斷推進下一代新型電化學儲能技術大規模示范部署。

（3）注重產業轉化，建立有利于新型電化學儲能技術的市場機制。產業運營層面上，應盡快明確電化學儲能獨立市場運營體身份，從電力系統輔助服務角色中剝離，賦予電化學儲能技術應用更大的靈活性，作為獨立市場主體從產業全系統多角度實現電力高效利用，激發市場競爭活力。加快建立新型電化學儲能市場機制，充分體現儲能技術對電力系統之外其他終端應用的商業價值。

（4）完善配套基礎設施建設，推進新型電化學儲能設備智慧化運行。基礎設施建設層面上，面對終端應用的日趨多元化，新型電化學儲能基礎設施應加快推進標準化、易拆解以及通用性的連接方式，實現儲能設施靈活高效并網運行。此外，結合我國“新基建”涵蓋領域和多種數字化技術推陳出新，建立新型電化學儲能云平臺，利用大數據、云計算、移動互聯網、物聯網、人工智能、區塊鏈等數字化技術，加強發電側和終端應用同儲能設施的靈活互控，實現儲能設施混合配置、協調優化、高效操控的智慧化運行。

第一作者：湯勻（1990—），女，博士，助理研究員，研究方向為能源戰略情報研究，E-mail：tangy@mail.whlib.ac.cn

通訊作者：陳偉，研究員，研究方向為能源戰略情報研究，E-mail：chenw@whlib.ac.cn。