中国储能网讯：随着全世界许多国家陆续宣布“碳中和”目标[1-3]，水电、太阳能、风能等可再生的清洁能源装机规模和发电量显著提升[4-7]。但可再生能源的大规模应用很大程度上受到地理环境限制，同时在时间上具有间歇性，在空间上具有地域分布不均的特点[8-10]，直接并网会对电网带来的稳定性问题。
储能系统的建立，尤其将多种新型储能技术与数字化、智能化技术深度融合而形成的新型储能系统能有效将电、热、冷、气、氢等多个能源子系统进行融合转换，极大促进能源生产消费的灵活高效和开放共享[11-14]，实现多能互补协同优化[15-19]，是未来能源革命的关键支撑技术[20-24]。
为此，本文对比梳理了全球新型储能技术战略规划布局情况，利用文献计量和专利计量方法深度挖掘分析了国内外在锂离子电池、钠离子电池、液流电池、金属空气电池、压缩空气储能、重力储能等6种典型新型储能技术方面的前沿主题与创新能力。
1 全球主要国家/地区新型储能战略规划布局
1.1 美国
美国很早就认识到储能技术对保障电网安全性和可靠性的重要作用，极为重视对新型储能技术的开发，从顶层设计、财政保障、税收抵免到多元化技术路线等多方面出发，构建现代化电网体系以及推动下一代电池储能技术变革性创新。
2020年1月，美国能源局宣布投入1.58亿美元启动“储能大挑战”计划[25]，并在同年12月正式发布了美国首个储能领域综合性战略《储能大挑战路线图》[26]。2021年7月，美国能源部提出“长时储能攻关”计划[27]，作为“储能大挑战”计划的一部分，目标是在未来10 a内将数百GW的清洁能源引入电网，将储能时间超过10 h的系统成本降低90%。
此后美国能源部投入近10亿美元用于储能技术研发示范，包括：2022年5月，宣布根据《两党基础设施法案》拨款，在4 a内共资助5.05亿美元促进长时储能技术开发[28]，通过降低成本推动储能系统更广泛的商业示范部署，以实现到2035年100%清洁电力目标；2022年11月，宣布根据《两党基础设施法案》和《通胀削减法案》拨款，提供近3.5亿美元用于新兴的长时储能示范项目[29]，以支撑低成本、可靠、无碳的现代化电网建设；2023年1月，美国能源部科学办公室宣布在“电池和储能能源创新中心”计划框架下，投入1.25亿美元支持下一代电池储能技术基础研究，以加速在交通和电力部门部署变革性储能技术[30]，此次资助旨在开发超越当前商业电池（如锂离子或铅酸电池）的下一代电池，通过开展全球领先的科学研究解决该领域的科学优先事项。
1.2 欧盟
欧盟更为关注电池储能技术的研发，将其视为实现工业、交通、建筑等行业电气化，促进向“碳中和”社会发展的重要技术手段，希望利用高性能新型储能电池占据未来电气化社会核心地位，争夺全球电池研发和生产的主导权。
2020年12月，欧盟欧洲技术与创新平台“电池欧洲”（Batteries Europe）发布了其第一个《电池战略研究议程》[31]，旨在于欧盟范围内推进电池价值链相关研究和创新行动的示范应用。此后欧盟投入近50亿欧元促进本区域新型电池技术研发。
2021年1月，欧盟委员会宣布设立一个欧洲共同利益重要项目（Important Projects of Common European Interest，IPCEI）“欧洲电池创新”，由奥地利、比利时、克罗地亚、芬兰、法国、德国、希腊、意大利、波兰、斯洛伐克、西班牙和瑞典十二国共同投入29亿欧元，并将撬动90亿欧元的私人投资，旨在推进电池价值链的创新研发，建立泛欧电池生态系统[32]。该项目将支持开发一整套全新的电池突破性技术，包括新型电池、生产工艺及电池价值链的其他创新技术，超越现有的技术和工艺，并使电池性能、安全性和环境影响得到显著改善。
2023年1月，欧盟宣布将从创新基金中拨款18亿欧元，投资16个大规模创新项目[33]，其中储能技术研发方向包括创新固定式储能技术研发，以及以年回收5万t报废的锂电池为目标的创新锂离子电池回收技术。
1.3 日本
日本人口密度较大，且国土面积有限，相较大规模太阳能光伏技术，政府更鼓励采用“分布式清洁能源+储能”技术，以应对日益增长的能源需求。
2016年4月，日本经济产业省发布《能源环境技术创新战略》[34]，明确提出到2050年，在储能领域重点研究固态锂电池、锂硫电池、新型金属-空气电池和其他新型电池（如氟化物电池、钠电池、多价离子电池、新概念氧化还原电池等）技术。
2020年12月，日本经济产业省发布《绿色增长战略》[35]，明确提出开发性能更优异且成本更低廉的新型储能技术。2022年8月，日本蓄电池产业战略研究公私理事会正式发布《蓄电池产业战略》[36]，明确提出需强化下一代电池技术开发，加快以全固态电池为主的下一代电池、材料（包括材料评估技术）和回收技术的开发，投资1000亿日元促进政府和民间合作，加强对尖端制造工艺投资力度，推进低成本、高附加值的电池系统一体化探索研究，力争在2030年左右实现全固态电池的全面商用，确保包括卤代电池、锌负极电池等新型电池的技术优势，并完善全固态电池量产制造体系，在控制系统技术开发和实证应用的同时，建立多用途评估方法以适应市场需求。
1.4 中国
近年来，中国政府发布多项针对性政策鼓励新型储能技术稳步发展。
2021年7月，国家发展改革委、国家能源局发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》[37]，明确提出坚持储能技术多元化发展，到2030年实现新型储能全面市场化发展，核心技术装备自主可控，技术创新和产业水平稳居全球前列。2022年1月，国家发展改革委、国家能源局发布《“十四五”新型储能发展实施方案》，为加快推动新型储能高质量规模化发展提供有力支撑[38]。2023年2月，国家标准化管理委员会、国家能源局发布《新型储能标准体系建设指南》[39]，有利支撑新型储能技术创新，推动新型储能产业安全、规模化发展。在科技支撑方面，近年来国家科技部先后部署了“智能电网技术与装备”“新能源汽车”“变革性技术关键科学问题”等重点专项对新型储能技术进行研发。
近年来，中国在新型储能技术方面有了显著提升，部分技术方向已发展至并跑甚至领跑阶段。例如，在钠离子电池技术领域，宁德时代宣布已制得第一代钠离子电池，实现160 Wh/kg的能量密度[40]。中科海钠与华阳集团联合建设的全球首批量产1 GWh钠离子电池产线正式投运[41]。
在液流电池技术领域，由中国科学院大连化学物理研究所提供技术支撑的全球最大规模200MW/800 MWh级一期工程100 MW/400 MWh全钒液流电池储能调峰电站并网发电[42]。
在压缩空气储能技术领域，河北张家口的核心装备自主化率达100%的国际首套100 MW/400 MWh级先进压缩空气储能示范电站实现并网发电[43]，国际首台300 MW级先进压缩空气储能系统多级高负荷膨胀机顺利下线[44]。
总而言之，新型储能技术在许多国家和地区被认为是构建现代化电网、实现清洁能源转型的关键技术之一，得到了高度重视，多项政策举措出台以推动其发展，从战略部署、科技支撑等方面加以支持。包括：美国针对储能技术的发展和布局较为系统，早在2011年就提出了未来5 a的技术开发路线图，2020年启动“储能大挑战”计划加速对下一代储能技术的开发和商业化；欧盟更倾向于构建储能技术的创新生态系统，通过建立欧洲电池产业联盟（EBA250）、欧洲技术与创新平台“电池欧洲”和“电池2030+”联合研究计划推进不同技术成熟度的研究和开发工作，利用相互衔接互补的机制构建欧洲电池研究与创新生态系统。中国更注重抢占技术制高点，自2021年提出新型储能规划目标以来，各省级“十四五”规划相继明确了新型储能发展目标，通过“1+n”的政策组合开展新型储能关键技术攻关，推动核心设备自主化、国产化、规模化。更多国家/地区新型储能战略规划布局如表1所示。
2 新型储能技术基础研究态势分析
本文基于Web of Science数据库核心集，针对《“十四五”新型储能发展实施方案》中对新型储能发展的多元化技术要求，对全球2013—2022年新型储能技术领域的锂离子电池、钠离子电池、液流电池、金属空气电池、压缩空气储能和重力储能6个方向进行系统分析，客观揭示全球新型储能技术基础研究情况。
2.1 全球新型储能技术研究态势分析
2013年以来，全球新型储能技术研究处于快速增长期。全球新型储能领域研究论文发文量在2013—2022年快速增长，5个2年期平均复合增长率（CAGR值）达到了34.1%（见表2）。CAGR值核算方法为
式中：t0指初始期，本节为2013—2014年即第1个2年期；tn是结束期，本节为2021—2022年即第5个2年期；V(t0)是2013—2014年论文发文量；V(tn)是2021—2022年论文发文量。需要注意的是，部分论文存在网络出版与正式出版时间跨年的现象，导致某些技术方向2013—2022年论文总量小于各2年期论文数量之和，下同。
从技术方向来看，锂离子电池领域发文量最多但增速相对较慢，重力储能领域发文量增速最快。尤其是2020—2022年，全球新型储能发文量占2013—2022年的41.9%，其中金属空气储能和重力储能技术方向占比均超过50%。
2.2 中国新型储能技术研究态势分析
2020—2022年，全球主要国家均在新型储能领域进行广泛研究。如图1所示，中国以70 091篇发文量位居全球首位，占该领域全球总发文量的53.5%，随后是美国（21671篇）、韩国（10985篇）、德国（7741篇）和日本（6530篇）。
2020—2022年中国新型储能各技术方向发文情况如表3所示。
2020—2022年中国在新型储能研究方面具备相对较高的影响力。从论文被引情况来看（见表4），中国在新型储能领域发表论文的篇均被引频次（12.6次/篇）略高于全球水平（10.8次/篇），而高被引论文数量则占到全球的76.0%，是高影响力论文的主要贡献者，尤其是在钠离子电池和金属空气电池技术方向高被引论文占全球80%以上（分别为84.7%和88.5%）。
3 新型储能技术基础研究前沿主题分析
前沿主题应该具备高新颖性、高关注度、高成长性等显著特征。针对这3个特征，本章综合评估主题新颖度（Nj）、主题强度（Sj）、主题影响力（Aj）、主题增长度（Gj）4个计量指标的表现，以进行前沿主题识别。前沿主题综合指数计算公式为
根据前沿主题综合指数，新型储能领域主要六大技术方向的前沿主题如表5所示。由于新型储能领域中锂离子电池技术论文数量最多，故选取前8位前沿主题进行分析；而重力储能技术论文数量较少，故选取前3位前沿主题进行分析；其他4类技术均选取前5位前沿主题进行分析。
基于前沿主题综合指数，锂离子电池技术方向的前沿主题包括：①锂离子电池新型材料开发，如电极材料、固态电解质材料、纳米复合材料等；②锂离子电池传输性能优化、电极/电解质界面性能、电池系统性能等；③高精度、原位、实时锂离子电池表征技术开发；④锂离子电池安全性能监测与预测研究。
钠离子电池技术方向的前沿主题包括：①钠离子电池新型材料开发，如电极材料、电解质材料、纳米/复合/框架材料等；②钠离子电池电极/电解质界面性能研究；③钠离子电池储钠行为研究。
液流电池技术方向的前沿主题包括：①液流电池新型材料开发，如离子交换膜材料、电极材料等；②液流电池高效催化剂开发及其优化；③液流电池电极/电解质界面性能研究；④液流电池在电力系统中的应用研究。
金属空气电池技术的前沿主题重点聚焦在高性能催化剂的研发，包括：①新型催化剂、高活性电催化剂、非贵金属电催化剂、双功能电催化剂等；②金属空气电池电解质材料及性能研究。
压缩空气储能技术研究前沿主要聚焦在系统应用层面，具体包括：①压缩空气储能与可再生能源耦合系统开发及其性能研究；②绝热压缩空气储能系统开发及其性能研究；③基于热电联产的压缩空气储能系统开发及其性能研究；④压缩空气储能高效并网技术及其性能研究；⑤基于新型压缩空气储能系统的能源灵活管理控制技术。
相较于上述5种新型储能技术，重力储能技术成熟度较低，目前研究前沿重点聚焦在：①重力储能存储效率及其性能比较研究；②新型重力储能系统建模与性能研究；③重力储能与可再生能源协同并网优化配置研究等方面。
4 新型储能技术开发态势分析
本文基于IncoPat专利数据库，对全球2013—2022年新型储能领域六大技术进行系统分析，客观揭示全球与中国新型储能技术开发情况。结果显示，全球新型储能技术创新在2013—2022年间持续活跃，尤其在2020年以来蓬勃发展，专利布局重点围绕锂离子电池、钠离子电池、液流电池、金属空气电池、压缩空气储能和重力储能等方面。中国是2020年以来新型储能领域最重要的专利技术来源国，发明专利申请数量及高价值专利申请数量占比均超过全球80%以上。
4.1 全球新型储能技术开发态势分析
对2013—2022年的新型储能发明专利申请量分析显示（见表6），新型储能技术开发已发展至一定规模，5个2年期平均复合增长率为14.4%。2020—2022年重力储能技术开发尤为活跃，其专利申请量超过2013—2022年总量的88%，5个2年期平均复合增长率高达158.5%。此外，2020—2022年钠离子电池和压缩空气储能技术专利申请量超过2013—2022年总量的40%。从技术方向来看，锂离子电池专利数量最多，但近年来增速较为缓慢；液流电池和金属空气电池技术专利数量呈现负增长趋势。对2013—2022年的新型储能发明专利授权量分析显示（见表7），全球新型储能技术发明专利授权量稳定增长，但各技术方向发展不均衡，其增长趋势与专利申请量增长趋势基本一致。2013—2022年，锂离子电池发明专利授权量最多，重力储能发明专利授权量增速最快，只有液流电池和金属空气电池发明专利授权量呈现负增长趋势。
需要注意的是，本文采用IncoPat简单同族合并的统计方式，可能导致同一时段内各年份分别统计的专利申请或授权量之和大于该时段一次检索的专利申请或授权总量，下同。
4.2 中国新型储能技术开发态势分析
中国是全球新型储能领域最重要的专利技术来源国（见表8）。2020—2022年，中国机构在新型储能领域专利申请数量占全球的89.4%，除液流电池技术外，其他5个技术方向占比均达到一半以上，其中锂离子电池、钠离子电池和重力储能技术专利申请量在全球占比超过90%。但就增长速度来看，中国专利申请量增速整体呈现负增长趋势（-15.1%），但钠离子电池、压缩空气储能和重力储能技术方向依旧保持了旺盛的增长势头，其中重力储能技术2020—2022年专利申请量增长了285.4%。表9为2020—2022年中国新型储能各技术方向专利授权量统计情况。结果显示，中国2020—2022年新型储能总体专利授权量呈下降趋势，降幅24.5%，但仍占全球总授权量的近90%，其中钠离子电池专利授权量在全球占比最高，为93.8%。2020—2022年，新型储能各项技术中锂离子电池、金属空气储能和液流电池专利授权量下降，但重力储能专利授权量与其申请量一样呈现显著增长趋势，增长达到287.3%。
中国在新型储能领域的核心技术竞争力具备较强优势。从高价值专利（指IncoPat数据库中专利价值度为9、10的专利）申请情况来看，中国在新型储能领域的高价值专利占全球的80%以上；高价值专利产出率（指所申请高价值专利在其申请所有专利的占比）达到17.7%，略低于全球水平（18.7%）。从技术方向来看，液流电池、金属空气电池的高价值专利产出率低于全球平均水平，其他4个技术方向的高价值专利产出率和全球平均水平差异不大，发展较为均衡，详见表10。
4.3 新型储能技术布局重点分析
对2020—2022年上述6种新型储能技术相关专利（共27 162件专利，合并19 978项专利族）进行分析，通过专利聚类词云图（见图2）可以看出，新型储能领域专利布局围绕如下方面展开：①循环稳定性材料，包括负极材料、正极材料、锂电池隔膜、前驱体材料等；②合成工艺，如预测模型、电化学模型等；③锂离子电池，侧重于锂电池组、电极材料等；④钠离子电池，包括正极材料、电解液添加剂、固态电解质材料等；⑤储能系统，侧重于压缩空气储能、重力储能、热失控、负极材料等。
基于国际专利分类号（IPC）的新型储能领域发明专利前15位技术方向如表11所示，可将新型储能领域技术开发主要方向概括为：①二次电池、一次电池及混合电池及其制造相关；②电池的电极、非活性部件、电极隔膜、导电联接等组件以及制造；③电池材料，如碳材料及其化合物、镍化学物、磷材料及其化合物、硅材料及其化合物等；④用于材料或表面科学的纳米技术及纳米结构制造、处理方法；⑤电池性能测试及故障探测装置、充放电电路设置等；⑥电池安全管理系统，如火灾预防、灭火等方法。
基于技术布局重点分析，可以发现新型储能技术重点围绕4个科学问题展开：①探索开发高容量电极材料和高电压电解质的策略途径，包括各种循环稳定性能优异的正负极材料、电解质材料、隔膜材料等；②充分了解材料功能对电池行为的影响，包括利用先进的表征和计算模拟手段探究新型材料电化学功能，确保新型储能材料的安全性、环保型和来源丰富性；③探究组成动态界面的化学和物质反应行为，包括储能组件与组件之间将产生的多种反应行为，设计、合成新型界面以提高储能性能；④探究电池老化过程，包括研究电池安全管理系统，揭示驱动电池衰退、失效和故障的关键机制、检测手段及可能的缓解策略。
5 对中国发展新型储能技术的启示建议
新型储能作为战略性新兴产业，是增强能源系统供应安全性、灵活性，提升能源系统综合效率的重要环节，是支撑能源转型的关键技术之一。通过对新型储能技术相关国际政策规划的解读、基础研究及技术开发态势分析，对中国在该领域的发展提出以下建议。
1）加强基础研究和核心技术攻关。开发超越传统体系的储能新材料与系统，研究电/热/机械能与化学能之间的相互转化规律，重点研发大规模、长寿命物理储能技术应用等关键核心技术，发展新型电化学能量储存与转化机制，以变革传统锂离子电池为代表的储能体系，实现长寿命、低成本、高能量密度、高安全性和易回收的新型储能技术广泛应用。
2）提升国家级项目示范应用能力。围绕国家科技部、国家自然科学基金委员会、国家能源局等各机构储能研发项目，基于全国各科研院所和企事业单位优势加强全国统筹协调，积极加强国家级科技任务部署能力，并可考虑在新型储能领域设置系统性的国家级重大攻关项目，形成从基础理论、实验验证、技术研发、中试到工程化研究与应用的完整研发布局，做强在锂离子电池、钠离子电池、液流电池和压缩空气储能方向的长板，弥补在金属空气电池和重力储能领域的短板。在全国重点实验室优化重组的总体布局下，推进在现有的国家级研发平台加强建制化的新型储能领域研究，同时在新型储能领域建设新的国家级研发平台。
3）打造高层次人才和创新团体。建立学科带头人、科研骨干与研究团队协同推进的人才培养和队伍建设机制，着力提升团队科技创新能力和竞争力。在新型储能技术方向具有优势的研究机构设置创新岗位，重点打造一批水平高、实力强的成体系、建制化科研团队，一体化配置科研项目投入、平台承建和人才队伍建设，推动造就战略科学家。尤其需要加强在锂离子电池、金属空气电池、重力储能技术领域，以及电池老化和回收再利用技术研究中的新概念、新体系、新材料等重大潜在方向上的科研团队建设，巩固和争取中国在相关研究领域的优势地位。
4）完善科研体制机制。储能技术研究不仅需要实验室，更需要公共平台、示范基地、中试生产线等必要设施。高校和科研院所应发挥自身科技力量优势，以高质量科技供给在新产业链核心技术研发、应用示范和转移转化各环节前瞻布局，加强科研院所与头部企业合作，整合社会资源，共同建设国家级和省部级新型储能技术实验室、示范基地、中试生产线等重大项目，建设若干新型储能技术公共平台和研究中心，最终形成从基础、应用到市场的新型储能技术开发与应用科技创新价值链，实现多重应用价值叠加，引领新型储能科技发展，为实现“碳达峰、碳中和”目标和经济高质量发展作出贡献。
