中科院物理研究所李泓：“十四五”储能前沿技术分析

  本次论坛由中国电力企业联合会和盐城市人民政府共同主办，论坛以“双碳赋能、智领未来”为主题，旨在持续搭建新能源领域交流合作平台，围绕发展前景、机遇挑战、技术前言、行业热点等议题共同研讨、集思广益，加快推进新能源产业转型升级，助力早日实现碳达峰、碳中和目标。

  近年来，盐城积极践行“四个革命，一个合作”能源安全新战略和贯彻落实“2030碳达峰，2060碳中和”的双碳目标，致力于打造引领全球新能源产业高质量发展的风向标和要素资源对接的新高地，一座国际绿色能源之城正在快速崛起。

  中科院物理研究所研究员李泓在储能主题论坛上发表视频主旨演讲。以下为发言实录：

  李泓：很谢谢中关村储能联盟的邀请，非常抱歉，由于疫情管控的原因现在被封闭，只可以通过线上与大家交流，今天汇报的内容是十四五储能前沿技术分析，包括以下两部分：一是储能发展的规划；二是重点介绍两个前沿技术。

  经过专家组的讨论，确定了中长期能源的发展规划，确定能源的方向包括煤炭、可再次生产的能源、核能、智能电网、储能、氢能和能源消费。在能源领域，国家制定的战略发展目标是实现清洁、低碳、安全和高效，为实现这样的目标，发展可再次生产的能源，配套规模储能，发展电动汽车，发展智能电网是优化我国能源结构，保障能源安全的国家战略，也是实现2030年碳达峰、2060年碳中和的主要技术路径，也是目前确定的发展以新能源为主体的新型电力系统的核心战略。

  在十四五期间，中国科技部制定的储能与智能电网发展趋势上确定了在源网荷侧支撑以新能源为主体的发展，发展高比例可再次生产的能源的主动支撑技术。在电网侧发展特大型交直流混联电网安全高效运行机制，在负荷侧发展智能用电与供需互动机制，在所有的源网荷侧同时发展中长时间尺度的储能技术、短时高频的储能技术、超长时间尺度的储能技术。

  在电源侧通过储能技术和高比例可再次生产的能源主动支撑技术解决大规模可再次生产的能源发电功率波动频率从小时到天为单位周期变化的调节需求。在电网侧通过电网柔性化和智能化水平提升及储能技术解决电网运行的功率和平衡的主要需求。

  在负荷侧通过对大量用户之间和车网之间互动技术及不同时间尺度的储能技术来提高分布式清洁能源发电及电动汽车的并网消纳。最终实现新能源为主体的新型电力系统，支撑能源结构的转型。

  我们认为储能技术对于电力和能源系统的发输配用各环节具备极其重大的支撑作用，有助于实现可再次生产的能源发电的大规模接入，改善能源解救，是实现能源革命的支撑技术，对提高我国能源安全具有十分重要的意义。

  此外，储能技术是5G通信、新能源汽车、船舶动力、航空航天、轨道交通、智能建筑等共性支撑技术。储能技术可提高可再次生产的能源清洁能源发电比例，有效改善生态和人居环境，推动环境治理和生态文明的建设。另外，储能技术也是具有发展的潜在能力的战略性新兴起的产业，带动上下游产业，开拓电力系统发展的新增长点，对电力行业发展和经济社会持续健康发展的全局具有深远的影响。

  在十四五期间储能和智能电网协同规划七个方向，制定三个层面的规划，包括重点突破一批、研发一批和探索一批科技类项目，围绕着大规模低成本本质安全的储能技术和灵活高效安全的智能电网技术两条主线支撑高比例可再次生产的能源的消纳。

  在十四五期间具体国家科技部的重点研发计划安排了7个方向，35个任务，包括中长时间尺度储能技术，在30分钟到4个小时之内的储能技术，短时高频的储能技术。超长尺度时间储能技术，4小时之后的储能技术，和特大型交直流混联电网的高效运行，及多元互动的技术。分为基础研究类和关键技术类，在6个方向中有共性的技术支撑技术，包括研发、重要新型材料、器件、传感、通信技术、自主化软件、寿命预测及高水平的检测分析技术。

  十四五期间我们大家都希望通过储能科学技术方向的持续的研发、攻关，能够在储能的度电成本降低到0.1到0.2元，实现本质安全、智能控制、智能监测、智能感知。

  总体而言，希望在储能的发展趋势上可以在一定程度上完成高的安全性、长的循环寿命，高的功率响应特性，高的能量转换效应，低成本、大规模、智能化，实现广泛的环境适应性，包括西北、华北、东北地区的自然环境和高原地区的自然环境和海洋地区的自然环境。另外重点需要突破长时间尺度的储能技术，即单次的能量存储，可释放大约4小时的储能技术。这对于支撑高比例可再次生产的能源的新型电力系统非常关键。

  此外，我们还希望发展的储能技术具有可持续性，不存在资源的压力，可以梯次利用和回收，形成绿色的循环经济。

  整体储能的布局是按照以下考虑：专项的任务安排是希望可以通过科技部的重点研发计划，关注储能与智能电网技术，在满足大规模、高比例、可再生能源开放利用和并网消纳等关键方面存在的不足和瓶颈技术问题，加强新原理、新概念、新途径、新材料、新设计的研究开发，解决储能与智能电网技术中需要突破的关键科学理论及核心的技术问题，完善在生产和应用过程中建立其实施标准化体系需要的科学技术基础，攻克相关的基础性材料，实现监测智能调控等关键技术。

  通过科技项目的安排全面地支撑我国储能技术的持续核心竞争力的提高，促进储能产业的发展。

  关于两类储能技术介绍。首先回顾三大类储能技术：短时高频技术，小于30分钟，目前广泛发展的短时高频技术包括超导磁存储、电介质电容器、飞轮、超级电容器、锂电容、高功率锂离子电池。中短时长方面包括铅酸电池、锂离子电池、钠硫电池、纳氯化镍电池、镍氢电池和储热储冷，正在发展的包括固态锂离子电池、锂硫电池、液流电池、钠离子电池、液态金属电池和水系离子电池。超长时间储能的技术非常有挑战，目前倾向认为液流电池、氢能存储、压缩空气、抽水蓄能、储热储冷及低成本的锂/钠离子电池，有望在超长时间方面获得广泛的应用。从市场角度和长远发展看，具有较高经济技术性、安全性，较低初装成本、全生命周期供电成本、没有资源发展的限制，能最好地满足重大应用场景的储能技术将最终占据主导地位。

  整体目标方面，我们希望构建储能技术的体系，在该领域整体处于国际领先地位，支撑50%以上占比可再生能源发电、装机友好并网，可全网全额消纳，循环大于1.5万次，实现百分之百的自主可控。

  就锂离子电池而言广泛地用在储能方向，循环次数可以达到5000次，个别研发的新产品甚至达到了1万5千次，能适应负30度到55度的工作环境，单体成本在0.4到1元人民币每瓦时。但从应用的角度希望持续地同时发展更高的循环寿命，更长的日历寿命和更低的成本，特别是更低成本方面希望进一步发展满足高速增长的储能需求。

  锂离子电池存在着热失控的风险，存在起火、燃烧和爆炸的风险，对大规模储能技术来说这是巨大的挑战，必须全面解决。通过大量的基础研究和工程实践，大家已经广泛地认识到，锂离子电池的热失控主要缘起于液态电解液可以燃烧和起火、爆炸。在较高的温度下或者充电高压下，与电解液持续反应导致瞬间发生热失控。采取不易燃烧的固态电介质，发展不易热失控的固态电池技术已经成为全行业的共识。在十三五期间国家支持了固态锂离子电池的开发。

  固态电池和液态电池的核心区别是在电芯使用了固态电解质，这从1978年开始研究，一直持续到现在，非常有挑战，因为固体电解质不具有膨胀收缩，液体具有可流动性等。如果能开发成功的话，纯固态电池不容易发生热失控，更高能量正负级材料匹配，我们希望研制出本质安全、大容量电芯，更智能化的采用绝热和自加热的管理效率，匹配智能传感和预警技术，实现超长寿命，具有更高生产效率，这得到了全世界广泛的关注。

  目前固态锂电池的研发成为世界范围内的焦点，在日本、美国、韩国、欧洲及中国得到了广泛的研究，从研究的历史上看，日本是全球最早做固态电池的国家，欧美政府和多家企业都希望可以通过固态电池改变全球现有锂离子电池的格局，目前的格局是中国生产了全球72%的锂离子电池，由于电池和储能技术对新能源产业巨大支撑作用，各国都制订了国家规划，竞争非常激烈。中国产业已经非常发达，产业链成熟，而选择的路线更容易量产，所以我们认为即便是在下一代储能电池的竞争中，中国也已经处于了并跑的地位。

  全固态电池量产面临的挑战，包括没有形成成熟供应链，材料体系不匹配，固态电池低温性能差，电芯设计解决不了循环过程中的体积变化影响，测试需要较高外部压力，目前电极和电芯没有成熟的规模量产设备。全生命周期的安全性测试和评价不完备，国家级的标准体系没有建立，目前的性价比不清楚。大家都全固态电池的期望很高，也迫切希望尽快量产，但目前还有很多问题需要解决，提高技术的成熟。

  另一方面，结合全固态电池的思路和液态电池的思路开发混合固液的电解质电池，这引起了全球范围广泛关注，特别是亚洲的国家，包括日本、中国、韩国。在固态电池，混合固液电池的发展体系中有多种方法把聚合物的固态电解质引入到电芯，存在五种解决方案，而且不相互冲突，已经有了一些验证。在中国科学物理研究所一直以来开发高性能的锂离子电池。在2010年我们认识到电池安全性非常重要，所以同时开发了结合全固态和液态电池优点的混合固液，创办了一系列的企业，多数企业在江苏的溧阳。

  中科院物理所在固态电池领域有一系列的进展。我们在开发过程中提出了一种具有原创想法的解决方案，叫做原位固态化，到目前为止全球的大部分固态电池企业没有提出这种方案，这接近于液态电池领域的制造工艺，在电芯之内通过化学反应将液态电解质部分或者全部转化为固态电解质，这种方案更容易规模量产，我们已经积累了八种技术。目前已经开始规模化量产。

  （PPT图示）这是开发了更高安全等级的磷酸铁锂电池，高温性非常好，安全的等级超过了现在钛酸锂电池，高于液态磷酸铁锂电池，可以通过200度的热箱，通过60度50V过充及100度的高温短路，都没有发生爆炸的现象等热失控行为。十三五期间我们在推动固态三元电池的解决方案，希望在未来的五年之内能够把固态三元用在调频和调风储能技术中。

  同时开发了动力电池技术，在2018年300瓦时测试中保持电压正常，LDE屏正常放电，而液态很容易着火，同步开发了一系列的电池技术，特别是高能量密度的动力电池。在2020年底我们准备量产装车，今年1月9日，蔚来汽车发布的基于固态电池解决方案，由卫蓝新能源提供。通过过去几年的研发，目前该技术已经接近量产的水平，在明年底大规模装车。

  整体来说，物理所和卫蓝新能源提出了从液态到混合固液再到纯固态的方案，也正在构建一个产业链，想要实现固态电池的生产和大规模应用必须开发全新一代的12种材料体系及相应的大数据的分析、数字化的工厂、智能的检测、数据分析技术及轻量化、高效率、智能化的系统集成的解决方案。从而实现全链条，目前正在形成系统的发展和布局的阶段。我们也同时和大量的储能企业、汽车企业及其他的用户在合作，也包括产业链的装备企业、软件公司等合作。

  另外，如果全球的电动汽车和储能都使用锂的话，会存在短期的压力。我们指出了这样的问题，启动了钠离子电池的研究方案。钠离子从1976年开始研究，真正取得应用中科院物理所过去十年努力非常相关，2011年提出研究一系列新的钠离子研究材料，并取得了大量研究成果，在2017年我们研制了国内第一辆钠离子电池的电动车，也是全球第一，所有的国内第一是全球第一，包括低速车，及观光车。我们确定了具有知识产权的正负极材料，非常低成本的采用无烟煤的负极材料，非常容易制造。所有的材料获得了国际专利的授权，包括电池获得了国际专利授权。现在开发的钠离子电池具备了5C下保持1C的90%，有非常稳定的循环寿命。此外有重要的环境适应性，80度电池可以循环，另外在负30度甚至负40度有较高的容量保持率，远高于磷酸铁锂的低温性能，显然能完全替代铅酸电池。

  总体钠离子电池具有长的寿命，相对低的成本，宽的工作温区和高的安全性，容易制造，钠离子电池本身的全面储能应用和其他应用迅速形成产业链。

  无论是锂离子电池还是钠离子电池希望形成创新的产业链和研究链，中国已经形成了比较完备的体系，我们相信在各级政府的支持下能够在下一代的新的电池技术竞争中继续取得国际领先的地位。

  我们制订了下一代从化学电池方面的发展技术路线图，通过相关材料发展能支撑长续航的电动汽车和电动飞机的发展。在600公里以内可以继续发展高能量密度的磷酸铁锂，以较低的成本、较宽的温度适应性解决乘用车的主战场。在不依赖于能量密度的应用场景，特别是储能电池方向，同时发展磷酸铁锂、钠离子电池技术，逐渐地把所有的电力技术从液态固态到混合固液再到全固态规划，推动下一代储能技术前沿技术的发展。

  最后感谢各部委的领导、大学、研究所的专家及各企业的负责人，谢谢大家！我的报告到此结束，再次感谢中关村联盟邀请，感谢盐城政府的邀请，谢谢！

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