陈海生、李泓等最新撰文：2022年中国储能技术研究进展！

12 消防安全技术

化学储能规模的快速增长，对消防系统的需求愈加迫切，化学储能的消防安全已成为行业关注的热点。2022 年，我国在储能电池系统火灾发生机理、灭火剂及其机理、热失控火灾预警技术等方面均取得重要进展。

12.1 基础研究

2022年，在单体电池安全性研究的基础上，研究者们更加关注储能电池模组及储能集装箱的火灾发生机理，在此基础上研发新型高效灭火剂。

在电池火灾发生机理方面，中国科学技术大学等研究了储能电池产气、热失控传播以及储能集装箱的燃爆行为。针对储能电池模组，考虑了束缚力以及模组顶盖的影响，施加一定的束缚力(约3 kN)可降低电池鼓胀、漏液、内短路和爆炸的风险；当模组采用水平顶盖时，其火灾危险性高，倾斜顶盖会降低热失控传播速度。针对储能集装箱的安全设计，模拟分析了电池舱发生燃爆的动压以及火焰危害范围，优化了泄压板开启压力及位置。

在电池系统灭火剂及其机理方面，进一步提高灭火冷却效能并保证经济性和环保性是研究重点。中国科学技术大学综合对比了不同灭火剂扑灭电池火灾的效能，揭示了全氟己酮灭火的优异性能及作用机制。此外，融合复合添加剂的细水雾、水凝胶，以及F-500水溶液为代表的新型灭火介质也在扑灭电池火灾中展现出较大潜力。

12.2 关键技术

在热管理技术方面，空冷和液冷是当前电池储能系统热管理的主要形式。针对空冷技术，研究者们主要采用增加挡板和二次出口的方式优化其冷却性能。针对液冷技术，主要通过优化微通道界面形状尺寸强化传热，同时采用纳米流体、碳氟化合物等冷却介质优化散热性能。相变材料-液冷系统、相变材料-纳米流体-隔热材料等复合热管理系统也是当前研究的热点。此外，为实现低温环境下储能系统的正常运行，研究者们提出了采用微热管预加热电池的新型热管理技术。

在热失控火灾预警技术方面，基于储能电池热失控过程中会产生大量气体的特性，研究者们提出了基于模组内气压变化的热失控预警技术，并针对不同热失控触发模式开展了系统验证。基于数据驱动的神经网络预测技术也在预测热失控及其传播行为的应用中取得良好效果，实现了模组内温度分布的准确预测以及热失控精准定位。天津消防所针对电池模组形变力特征进行了系统研究，研发了基于变形应力的早期预警技术和产品。此外，基于CO、CH4、C2H4等多特征气体的预警方式也在提高预警精度、提前预警时间上发挥了重要作用。

在热失控抑制及灭火技术方面，研究者们发现气凝胶和三水合乙酸钠/膨胀石墨等相变隔热材料对电池热失控传播有良好的抑制效果。液氮凭借其优异的降温性能能够有效阻断电池的热扩散过程，同时具备灭火和抑爆功能，天津消防所等单位研制了具备电池灭火-降温-抑爆作用的新型液氮灭火系统，解决了经济、长期贮存与加压输送、组合分配设计与控制等关键技术难题。对于储能舱层级的灭火，簇级释放全氟己酮灭火方式优于舱级灭火方式，采取二者相结合的灭火方式具备最佳火灾抑制效果。

12.3 集成示范

已有的储能系统消防技术多以七氟丙烷系统为主，部分项目采用了模组级细水雾灭火系统。2022年，全氟己酮消防系统也逐渐在储能示范项目中得到推广应用，如宁夏宁储利通区板桥100 MW/200 MWh共享储能电站采用了多参数融合预警技术和全氟己酮补偿式喷射技术。通过对锂离子电池热失控特征参数进行全周期监测，配合有效的消防联动策略，从而达到对锂离子电池系统火灾的早期扑救和防止复燃的目的。浙江萧山电厂50 MW/100 MWh储能项目在管网式七氟丙烷灭火系统的基础上，增加了应急状态下迅速连接供水管网的自动喷水灭火系统，用于防止储能火灾规模的扩大。

13 综合分析

13.1 基础研究

图1给出了依据“Web of Science”核心数据库，以“Energy Storage”为主题词统计的2022年度中国机构和学者关于储能技术发表的SCI论文数。从图中可以看出，2022年度中国机构和学者共发表SCI论文数13941篇，其中储热技术、锂离子电池技术、钠离子电池技术、超级电容器的SCI论文数超过1000篇，为当前我国储能领域基础研究的热门技术方向。与2021年相同，总体上化学储能的SCI论文数仍高于物理储能，这主要是由于储能材料的发表论文数非常高，达到5542篇，其中化学储能材料研究明显比物理储能活跃。与2021年相比，物理储能在整个储能领域的占比有所增加，这主要是因为储热技术研究领域发表论文数有较多增加，同时抽水蓄能、压缩空气、飞轮储能等物理储能技术发表SCI论文数均有所增加。同时，2022年热泵储电、压缩二氧化碳、重力储能等新型储能技术也发表了一定数量的SCI论文，这说明新型储能技术的研究已相当活跃。

图12022年中国主要储能技术发表SCI论文数

图2给出了依据“Web of Science”核心数据库，以“Energy Storage”为主题词统计的2022年度世界主要国家关于储能技术发表的SCI论文数。从图中可以看出，2022年，全世界共发表储能技术相关SCI论文27884篇，较2021年有小幅增加。其中，中国、美国、印度、韩国、德国、英国、澳大利亚、沙特8个国家发表SCI论文数超过1000篇，伊朗发表999篇，也接近1000篇。与2021年相比，发表SCI论文数超过1000篇的国家增加1名，即沙特。2022年度，中国机构和学者发表了13941篇SCI论文，继续位居世界第一，在全世界储能领域发表SCI论文数占比达到50.0%，比2021年有所增加。中国保持了全球储能技术基础研究最活跃国家的地位，且领先程度在进一步扩大。从分项技术看，图1中所列出的所有单项技术，包括抽水蓄能、压缩空气、储热、飞轮、锂离子电池、超级电容、钠离子电池、铅电池、液态金属、液流电池，中国机构和学者2022年发表的SCI论文数均位于世界第一。

图22022年世界主要国家储能技术发表SCI论文数

图3给出了依据“Web of Science”核心数据库，以“Energy Storage”为主题词统计2010—2022年世界主要国家关于储能技术发表的SCI论文数，其中中国、美国、印度、韩国、德国、英国、澳大利亚、日本、法国、意大利、伊朗、沙特位列前12位。需要说明的是，图3中的2010—2021年发表SCI论文的数据和文献[6]中的数据稍有不同，主要是由于“Web of Science”数据库本身更新的原因，但总体趋势与文献[6]是一致的。相较于2021年，中国、印度和沙特2022年度发表SCI论文数有明显增加，而美国在2022年度发表SCI论文数2928篇，相较于2021年的3339篇有所减少，其他国家在2022年度发表SCI论文数相较于2021年变化不大。

图3世界主要国家储能技术发表SCI论文数(2010—2022)

从发展趋势看，自2010年以来，所有12个国家发表的储能相关SCI论文数均有所增加。这12个国家可以分为两类：一类是美国、德国、英国、澳大利亚、日本、法国和意大利7个西方发达国家，它们的储能相关SCI论文数大致经历了两个时期，即2010—2016 年论文数快速增长，2017年开始论文数基本稳定；另一类为中国、印度、韩国、伊朗和沙特这5个新兴国家，它们的储能相关SCI论文数自2010年以来一直在增长，目前仍保持上升趋势。特别是中国和印度储能相关SCI论文数增长趋势强劲，比如2010年中国的SCI论文数只有美国的约1/2，但到2013以后中国已超过美国成为全球储能相关SCI论文数的第一大国，2017年以后其SCI论文数已大幅领先美国；印度2010年只有美国SCI论文数的约1/6，2022年已非常接近美国。

综合分析图2和图3中世界主要国家储能技术发表SCI论文数，可以看出当前世界储能技术基础研究的基本格局，主要可分为两类国家：一类是美国、德国、英国和澳大利亚为代表的西方发达国家；另一类为中国、印度、韩国和沙特为代表的新兴国家，这同2021年的格局基本没有变化。但新兴国家的基础研究活跃度持续增加的趋势明显，而发达国家基本进入稳定期。经过最近约10年的发展，中国储能技术的基础研究活跃度已领先世界其他国家，目前每年发表约14000篇储能相关SCI论文，成为储能技术基础研究的第一梯队；而美国和印度紧随中国之后，目前每年发表约3000篇储能相关SCI论文，为储能技术基础研究的第二梯队；其他9个国家在第三梯队，每年发表储能相关SCI论文数约为500～1500篇。

13.2 关键技术

表1给出了2022年中国储能关键技术进展的总结。从表中可见，2022年我国主要储能技术研发均取得了重要进展，获得了多个里程碑式的成果。综合分析大致可以分为三类。一是基本成熟类，主要包括抽水蓄能、铅蓄电池、储热储冷和锂电池技术，其技术研发的重点在于进一步提升性能。二是集成示范类，主要包括液流电池、压缩空气储能、飞轮储能和超级电容器技术，其技术研发的重点为突破储能系统集成示范的关键技术。三是关键技术类，主要包括钠离子电池、重力储能、热泵储电、液态金属等，其技术研究的重点在于突破关键技术，实现从实验室技术到集成示范的转变。同2021年相比，储能技术的三种分类总体没有变化，单项技术中锂离子电池从集成示范类提升到基本成熟类，超级电容器从关键技术类提升到了集成示范类。

图4给出了依据全球专利数据库incoPat，以“Energy Storage”为主题词统计的，2010年到2022年中国机构在中国地区申请的发明专利数。从图中可见，从2010年到2022年中国储能技术发明专利申请数持续增长，2022年中国储能技术发明专利申请数为47406件，相较于2010年增长近十倍。

图4中国储能技术申请发明专利数(2010—2022)

图5给出了依据全球专利数据库incoPat统计的，2022年中国机构在中国地区申请的主要储能技术的发明专利数。可见，2022年，各种储能技术中，储热储冷技术发明专利申请数为最多，12309件，锂离子电池、液流电池、液态金属、钠离子电池技术也非常活跃，申请发明专利数均高于3000件。总体上，化学储能发明专利申请数高于物理储能，和材料密切相关的储能技术，如储热储冷、锂离子电池、液流电池、液态金属、钠离子电池技术等，申请专利的活跃度很高。各种储能技术申请专利的活跃度情况，同图1基础研究SCI论文的情况基本吻合。

图52022年中国主要储能技术申请发明专利数

图6给出了依据全球专利数据库incoPat，以“Energy Storage”为主题词在世界知识产权数据库(WIPO)中统计的，2010—2022年世界主要国家关于储能技术申请的国际发明专利数。需要说明的是，2022年各国储能技术发明专利申请数明显偏低，这是由于数据库统计滞后的原因，因此图中2010—2021年的数据更具参考价值。图中可见，美国、中国、德国、日本、法国、韩国、英国、瑞士位列2010—2022年累计发明专利申请数前8名。从总体趋势上看，除中国外，其他7个国家的储能国际发明专利申请数均基本稳定，而中国储能国际发明专利申请数呈现持续增长趋势，从2010年的全球第4位，提升到2018年的第一位，并且在此后一直保持居于世界第一位。尽管从2010—2022年WIPO国际发明专利累计总申请数中国仍少于美国，但自2018年中国超越美国后，中国储能国际发明专利申请数均高于美国(不考虑2022年滞后数据)。

图6各国储能技术WIPO国际发明专利申请数(2010—2022)

图7给出了2021年各国储能技术WIPO发明专利申请数。2021年，中国储能WIPO国际发明专利申请数为1188，位居世界第一，占全球的33%。其次是美国、德国、日本等国家。2021年中美两国储能技术发明专利申请数总和超出世界一半。综合图1～图7可见，在储能技术领域，无论从基础研究还是关键技术领域，中国都已成为世界上最为活跃的国家，这与中国政府和企业10余年加大对储能技术的研发投入是吻合的。

图72021年各国储能WIPO国际发明专利申请数

图82022年底中国储能项目累计装机分布

图92022年中国储能集成示范和产业化梯队

13.3 集成示范

表1也给出了2022年中国储能集成示范进展的总结。从表中可见，2022年我国主要储能技术的集成示范均取得了重要进展，取得了多个里程碑成果。综合分析大致可以分为三类。一是系统规模或者性能提升的集成示范，主要包括抽水蓄能、锂离子电池、压缩空气储能、铅蓄电池和储热储冷等。二是验证关键技术突破的集成示范，主要包括锂离子电池、液流电池、压缩空气储能和飞轮储能等。三是该类技术的首次集成示范，主要包括固态锂离子电池、家用钠离子电池、超级电容器复合储能等。同2021年对比，储能技术集成示范的分类没有明显变化。

根据中国能源研究会储能专委会/中关村储能产业技术联盟全球储能数据库的不完全统计，截至到2022年底，中国已投运的储能项目累计装机容量(包括物理储能、化学储能以及熔融盐储热)达到59.8 GW，同比增长38%；其中抽水蓄能为46.7 GW，同比增长24.2%，新型储能(除抽水蓄能外的电力储能技术)为13.1 GW，同比增长128.2%，如图8所示。2022年，我国储能装机继续保持高速增长，新增投运储能装机容量16.5 GW，居世界第一位；新增储能装机量同比增长114%，包括抽水蓄能9.1 GW，新型储能7.4 GW；新型储能新增装机规模首次突破7.0 GW，同比增长200%。从图8可见，虽然抽水蓄能新增装机规模加大，但由于新型储能装机增长幅度更大，我国抽水蓄能装机比例在2022年首次低于80%；在新型储能技术中，锂离子电池装机为94.0%，占据主导地位；压缩空气储能、液流电池、铅蓄电池和储热储冷技术装机也超过1%，也占据一定的市场份额。

综合分析各储能技术2022年的基础研究、关键技术和集成示范的情况，各种储能技术仍可以大致分为四个梯队，和2021年基本一致。其中，第一梯队为抽水蓄能，单机规模100 MW以上，占2022年全国储能装机的77.1%左右；第二梯队为锂离子电池、压缩空气储能、液流电池、铅蓄电池和储热储冷技术，单机规模可达10～100 MW，其中锂离子电池装机最多，有可能未来形成单独的一个梯队；第三梯队为钠离子电池、飞轮储能和超级电容器，目前单机规模可以达到MW级，其中钠离子发展受关注最多，有可能未来进入第二梯队；第四梯队为重力储能、热泵储电、压缩二氧化碳和液态金属技术等新型储能技术，需要进一步的研发，以便实现集成示范和产业化应用。

图10给出了2022年中国储能技术和世界储能技术先进水平的对比。从图中可见，经过10余年国家和行业的持续投入，中国储能技术的水平快速提升，同世界先进水平相比，总体上实现了从跟跑到并跑的转变。压缩空气储能、储热储冷、铅蓄电池、锂离子电池、液流电池和钠离子电池技术已达到或接近世界先进水平；抽水蓄能、飞轮储能、超级电容和储能新技术与世界先进水平还有一定的差距。同2021年相比，各储能技术的总体发展水平基本一致，锂电池和储热储冷的技术成熟度有所提升。

图10 2022年中国储能技术和世界先进水平的比较成熟度

综合图3、图6和图10可知，中国已经成为全球基础研究和技术研发最为活跃的国家，中国发表SCI论文数已于2013年超越美国成为世界第一，而申请WIPO国际发明专利数则于2018年超越美国成为世界第一，这与基础研究到关键技术研发通常需要5年左右的时间是吻合的。我们有理由相信，在基础研究和关键技术研发的基础上，再经过5～10年的发展，中国储能产业水平有可能进一步提升，部分储能技术有望达到世界领跑的水平。

14 结语与展望

2022年，中国储能技术在基础研究、关键技术和集成示范方面均取得了重要进展。这一年，中国机构和学者发表SCI论文13941篇，居世界第一位，占全球发表论文数的50.0%；中国机构和学者共申请中国发明专利47406件，申请WIPO国际发明专利1188件(2021年数据)，居世界第一位；中国新增储能集成示范和产业化项目装机容量16.5 GW，居世界第一位；中国已成为世界储能技术基础研究、技术研发和集成应用最活跃的国家。

（1）物理储能方面：在抽水蓄能方面，我国在高水头、大容量恒速抽水蓄能电站设计制造、施工建设、调试运行等已达国际先进水平；在变速抽水蓄能技术方面，首台全功率5 MW级变速恒频抽蓄机组的投运，标志着我国在该领域已取得重要进展，但和国外先进水平尚有差距。在压缩空气储能方面，我国在100 MW级压缩空气储能系统方面取得了里程碑式的进展，中科院工程热物理所的张家口国际首套100 MW先进压缩空气储能国家示范项目实现并网发电；300 MW级先进压缩空气储能关键技术是目前研发的重点，多个示范工程已启动。在储热储冷方面，复合相变储热、高温熔盐储热、冰浆储冷、无源相变储冷是当前技术研发的热点；相变蓄热供暖、储热系统耦合燃煤发电、高温储热耦合太阳能热利用、相变储冷需求侧响应等是目前应用研究的热点。在飞轮储能方面，我国大功率飞轮储能取得了重要进展，但与国际领先水平仍有一定差距；总体上我国中高速飞轮储能单机储能量正在从5～20 kWh向50～100 kWh发展、功率正在从200～400 kW向500～2000 kW发展。

（2）化学储能方面：在铅蓄电池方面，技术研发主要集中于铅碳电池，主要研究方向为负极材料、正极材料和电解液等，从而提升电池的寿命、能量密度和充放性能等；目前铅蓄电池储能主要应用为用户侧储能和通讯基站储能等。在锂离子电池方面，我国在液态电解质锂离子电池研究保持活跃并开始大规模应用的同时，固态半固态锂离子电池成为新的热点；锂补偿技术、超大电池技术、液冷储能技术是今年的技术进展亮点，硫基电池、锰基电池等新型锂电池技术也不断涌现。在液流电池方面，全钒液流电池仍为当前液流电池主流技术，今年取得了里程碑式进展，实现了100 MW级系统并网发电；提高电堆功率密度、离子传导膜国产化等问题，是当前研究的重点，同时也在积极探索锌溴、铁铬、锌铁等液流电池新体系。在钠离子电池方面，今年我国钠离子电池迎来历史发展机遇，是储能行业的热点领域；正负极材料研究和工艺路线研究活跃，多家企业已开展大规模产业化布局。在超级电容器方面，基础研究、单体制备、成组管控、系统集成与应用等方面取得了重要进展；实现了在新能源发电、轨道交通、轮船动力等领域的示范应用；锂离子超级电容、高电压耐热性技术、超级电容混合储能技术是当前的研究热点。在新型储能技术方面，研究热点在于重力储能、热泵储电、压缩二氧化碳、液态金属电池、有机电池、双离子电池等。

（3）集成与安全方面：在集成技术方面，我国规模储能电站集成技术，已由粗放式集成向一体化安全高效集成方向转变；电池功率变换拓扑技术、电池系统智能诊断技术和内功率分配技术、高效智能温控技术和液冷技术、规模化集群控制技术等取得重要进展并开始应用。在消防安全技术方面，化学储能的消防安全已成为行业关注的热点；在储能电池系统火灾发生机理、灭火剂及其机理、热失控火灾预警技术等方面均取得重要进展；多参数融合预警技术和全氟己酮补偿式喷射技术、管网式七氟丙烷灭火系统结合供水管网的自动喷水灭火系统得到示范应用。

展望2023年，中国储能有望继续保持规模化发展的良好态势。随着国家双碳战略和能源革命的深入实施，中国储能技术领域将有望继续加速发展，基础研究、关键技术和集成示范有望继续保持国际最活跃国家地位，发表论文、申请专利数、装机规模有望继续保持世界第一，百兆瓦级大规模储能项目将成为常态，储能领域大概率将迎来又一个快速发展的一年。

通讯作者：陈海生（1977—），男，研究员，博士，研究方向为新型大规模储能技术、传热与储热（冷）特性等，E-mail：chen_hs@iet.cn；