中国储能网讯：近日，英国皇家化学会 Chemistry World 网站以《China Powers Up》为题报道了中国近些年在清洁能源领域取得的重大进步，并特别强调原始创新在其中发挥的重要作用。

本专题报道（Feature）干货满满，不仅数据详实，更对几项重点新能源技术做了详细解读，还采访了许多领军人物。小编在此精选了部分内容，欢迎大家一睹为快。

清洁能源异军突起

近年来，随着经济的崛起，中国的能源产量也取得了非常迅猛的增长。

▲ 中国能源总产量增长迅猛

另一方面，中国的人均能源用量虽然比发达国家低很多，但增长速率却很快，现已超过了世界平均水平。

▲ 各地区与全球的人均能源用量

为了确保能源供应的可持续性，中国政府已经开始大力推动清洁与可持续能源的发展。仅在 2015 年，中国在可再生能源领域的投资就高达 1030 亿美元，占全球总投资的近 1/3（数据来源：联合国环境署）。这些投资现在已经收到效果，近些年来可再生能源的产量有了明显的增加。

▲ 中国的可持续能源产量变化

在过去十年里，中国建立了越来越多的清洁能源研究中心，中国的科学家们也正在从光伏到电池再到 CO₂ 捕集和利用在内的多个领域开展前沿研究。得益于充沛的资金支持，这些研究成果正以惊人的速度转化为商业化产品。

在人们的印象中，中国往往精于“山寨”他国发明的技术而非自我创新；如今，这种观点已经落伍了。 —— Pierre Verlinden

对在应对全球气候变化方面所做的努力来说，中国能源产业的进步已产生了深远的影响。目前中国的 CO₂  排放量占全球的 1/4 以上，主要来自燃煤发电站，而中国制定的目标是在 2030 年实现前 20% 的电力来自非化石资源 ，并在同一时期内将温室气体排放量减至 2010 年水平的一半。

▲ 多国的 CO₂ 排放量

很显然，这一目标的实现取决于化学科学的进步：「 所有这些的关键是基础研究」（英国谢菲尔德大学英国二氧化碳利用中心主任 Peter Styring）。

本文以全钒液流电池、光伏产业和 CO₂ 的捕集与利用这三个主题为例，深入解读了中国在这些方面取得的巨大进步和成就。

VFBs：真正的中国创新

在储能领域，中国不仅是全球最大的动力电池——锂电池生产国，也是电网级先进大型储能技术——全钒液流电池（VFBs）的最大生产国。

本文首先介绍的大连融科储能技术发展有限公司（以下简称“融科储能”）2008 年成立于大连高新区，由大连博融控股集团和中国科学院大连化学物理研究所共同组建，是全球唯一具备全钒液流电池全产业链技术开发和生产能力的企业。

小知识：全钒液流电池

由于可再生能源具有间歇性、不稳定性、不可调控等自然属性，导致其并网、消纳和利用等方面存在众多困难和挑战。通过引入全钒液流电池储能技术，将可以有效提高电力系统运行稳定性、调整频率、补偿负荷波动、降低供电成本、提高电力设备利用率等，促进可再生能源的并网和使用。

作为过渡金属，钒的价态十分丰富，+2、+3、+4、+5 价离子在水里均有不错的溶解度，而且颜色也十分好看。钒 +2 价和 +5 价离子间有 1.25 V 的电位差，这就给了钒自己和自己组成电池的能力。

自 1985 年成功开发出第一台原型机以来，全钒液流电池（Vanadium flow batteries，VFBs）的发展已经有 30 多年。钒液流电池属于水系液流电池，使用钒离子的硫酸溶液作为电能的储存介质。

▲ 液流电池的工作机制

Credit: 美国西北太平洋国家实验室 - S&T

VFBs 系统由一个电堆、两个储能罐以及配套的液流泵和管路组成。电解液平时存在储能罐里，充放电时泵入电堆中进行反应。实际应用时，储能罐、电堆、液流泵等都可以整合于一套集装箱内，实现自动化运行。

▲ VFBs 的结构示意图，重要组件包括

各种电极、双极板、离子交换膜等

J. Mater. Chem. A, 2015, 3, 16913-16933

全钒液流电池相对于锂电池的优势主要有：

• 方便规模化
  一套系统可以做小也可以做大，或者由多个集装箱自由组合而成。

• 使用寿命长
  锂离子电池的寿命可能只有 8 年，而按照美国阿贡国家实验室能源储备联合研究中心主任 George Crabtree 的说法，VFBs 的寿命“长达 20 年也不足为奇”。

• 安全性较好
  面对锂离子电池忌讳的大电流和过充过放毫无压力，而且根本不会起火爆炸。

大连化物所首席科学家张华民挂帅的全钒液流电池研发团队，目前已成功开展了近 30 项应用示范工程，其中包括当前正在实施的 200MW/800MWh 液流电池储能调峰电站项目；建成之后将是截至目前，全球规模最大的化学储能电站，并会令特斯拉在澳大利亚建成的世界最大锂电池蓄电站（129MWh）相形见肘。

全钒液流电池大规模应用的最大障碍之一便是 VFBs 中通常使用 Nafion 膜：这种膜价格昂贵，还容易被钒离子堵塞。融科储能成功开发了一种基于非氟化聚合物的替代膜，不仅比 Nafion 膜便宜 80％，还具有更小的孔隙，可以实现更好的离子选择性。这使得质子可以通过膜加速，将电池中的电流密度提高到 160mA/cm²，并显著提高输出功率。

在融科储能的工厂里，机器人机械手在密封室内迅速将这些黑色海绵膜切成 30cm × 75cm 的矩形以用于单电池（cell）的制造。融科储能副总经理许晓波表示，对材料的进一步改进预计将使其电流密度超过 200mA/cm²。

同时，在堆叠中的相邻单电池之间提供导电连接的 2mm 宽双极板，之前是由昂贵且脆性的石墨制成的，而融科储能开发出了一种低成本、高柔性的高导电性碳塑复合板。

张华民研究员相信第二代 VFBs 的成本会进一步降低。电解质的成本占 VFBs 总成本的比例可高达约 40%，因此当一台 VFB 寿命到期时， 其中的钒可以被转移至另一台 VFB，从而大幅降低成本。

只要短短的 15 年就可以实现从基础研究到商业化应用的跨越，这是一件非常令人满意的事。 —— 张华民

当然，VFBs 并不是唯一的游戏参与者。美国阿贡国家实验室储能研究联合中心主任 George Crabtree 举例说，位于深圳的电池制造商比亚迪（BYD）一直致力于以磷酸铁为负极的锂离子电池（LFP）的应用。虽然这类电池的功率和能量密度都低于竞争对手的氧化钴负极锂离子电池，但它们更便宜、寿命更长。Crabtree 补充到：「中国的研究人员开始参与进来，推动了技术进步并创造出更好的电池。」

在北京工作的能源咨询师 Anders Hove 预计，随着中国的制造商们开始发展新型电池技术并扩大制造规模，电池的成本可能会迅速下降。按照他的说法，「人们往往未能意识到中国制造能让这些东西的成本降到多么低。」

光伏：成功的故事

就在十年前，光伏（PV）发电的每瓦特成本通常会超过 5 美元；今年，中国制造的硅电池将使每瓦的发电成本低于 0.25美元。在过去的十年中，中国的光伏产值以惊人的速度增长；中国公司能迅速改进生产流程，并及时采用最新的太阳能技术。中国目前制造了世界上大部分的太阳能光伏组件；截至 2017 年，光伏装机容量已经已超过 300GW，占全球总发电量的 2％。

中国还安装了比任何其他国家都要多得多的太阳能电池板。仅在 2016 年，中国的太阳能装机容量从 43GW 跃升至 77GW。2016 年 12 月，中国宣布了一项新的光伏发展五年计划，目标是到 2020 年实现光伏装机容量达到 110GW。然而根据彭博新能源财经在 2018 年 1 月给出的分析评估，中国仅在 2017 年就完成了足以超越这一目标的光伏装机容量。

「这些成就是非常了不起的，而且这是得益于中国自己的研究成果，」常州天合光能有限公司副总裁、首席科学家，光伏科学与技术国家重点实验室（SKL PVST）副主任 Pierre Verlinden 博士说到。他所在的常州天合光能公司是全球最大的光伏电池供应商之一，2016 年销售的模组超过 23GW，占全球市场的 10% 以上。

小故事：Perc 与 IBC 太阳能电池

中国的光伏五年计划将 PERC（passivated emitter rear contact，钝化发射极背面接触）电池列为重点支持的光伏技术。与标准光伏电池相比，PERC 电池的结构略微不同，并在电池背面包含一层绝缘材料（如氧化铝）。这有助于将未吸收的光反射回半导体，从而提高电池的整体效率。

PERC 电池在 20 世纪 80 年代后期就开始开发了，但由于氧化铝层沉积和成型方面的困难，总共花费了 30 年的时间才实现大规模的商业化应用。根据市场调研公司 EnergyTrend 的数据，预计中国的 PERC 电池产量将从 2016 年的 15GW 增加到 2020 年的 61GW，届时将占硅基太阳能电池市场的 45% 左右。

▲ SKL PVST 位于江苏常州天合光伏产业园内

2016年，光伏科学与技术国家重点实验室成为了中国首批以企业为依托单位的国家重点实验室，其开发的 PERC 电池创造了 22.6% 效率的世界纪录。该型产品在不到一年的时间里就实现了批量生产。

光伏效率的提升是建立在一系列渐进式改进的基础之上的，例如减少硅材料内的杂质含量以抑制电子和空穴的重组、调整电池组件以及改进生产工艺等。正如 Verlinden 博士所说的：「这就是跬步千里的过程。」

Things have changed — we’ve really demonstrated that innovation is happening in China

Verlinden 说，该公司还致力于交叉式背接触（interdigitated back contact，IBC）电池的研发工作。这种附加值更高的电池可以实现更高的效率，对于占地面积不太大的光伏电站来说是一个不错的选择。

常规的太阳能电池板通常将用于电流传输的缆线网格设置在电池顶部，而这种做法会对入射光造成阻挡。IBC 电池将这些电极转移到设备的背面，从而让更多的光线得以通过，提高了电池的效率，但也使得制造工艺更为复杂。

Verlinden 博士将他们的成功归因于「上班聊微信」：中国光伏领域的研究人员和工程师们都是微信的活跃用户。「中国的整个光伏产业都是这样沟通的，我几乎每五分钟就会收到一条微信消息，」他说，「有人在世界某个地方展示了一套幻灯片，两分钟后这些 PPT 就会出现在我的手机上。It is absolutely amazing. 有成千上万的人用同一套流程进行工作，而且他们还在相互合作。」

下一代光伏技术

以硅为基础材料的光伏电池的迅速增长，也可能会带来不利影响。对硅电池生产线的巨大投资可能会挤占更为资源集约型的薄膜光伏技术（如碲化镉）的市场地位。但另一种新兴薄膜技术的出现可能会避免该问题，这就是钙钛矿太阳能电池——其在过去十年中取得了飞速的发展，效率从 2009 年时的约 4％ 上升到 2017 年时的 22％ 以上。

钙钛矿太阳能电池是利用钙钛矿结构材料（如甲基碘化铅）吸收光能并产生电流的，而利用低温溶液加工法就能相对便宜地制备出这些材料了。非常关键的一点是，可以通过调节钙钛矿材料的化学性质来让它们吸收硅基材料不能吸收的太阳光波段。这就是说，钙钛矿电池可以放置在硅电池的上部，从而以这种串联的方式提高总体的电流输出——钙钛矿是个助手而不是商业对手。

市场调研公司 Lux Research 的数据显示，中国正处在钙钛矿太阳能电池这一研究领域的最前沿；截至 2015 年，该领域有近四分之一的研究论文是由中国学者发表的。此外，中国的科研人员们已经在着手进行钙钛矿电池的商业化开发了。

例如，如果电池可以被做成柔性的形式，那么就可以使用快速高效的“卷到卷”生产方法来制造电池。为了实现这一目标，由刘生忠研究员率领的大连化物所团队最近开发了一种柔性钙钛矿电池，其能量转换效率为 16%，是已报道的柔性钙钛矿电池中最高的（Adv. Mater., 2016, 28, 5206）。这种优异的性能表现部分是因为使用了离子液体来促进电池内的电子传输。

煤：不仅仅是烧掉

虽然多种清洁能源在中国都取得了长足的发展，但现阶段中国的能源结构依然以煤炭为主。中国的燃煤电站总装机容量超过 900GW，占到总发电量的三分之二。预计到 2030 年时，煤炭在中国的各类能源形式中的占比仍将超过 50%。

▲ 中国不同能源类型的占比

与各类清洁能源相比，煤炭的燃烧会带来许多污染，比如二氧化硫、氮氧化物、可吸入颗粒物等。燃煤带来的另一种排放物就是 CO₂ — CO₂ 排放量的增加必然带来碳足迹的增加。据统计，中国的燃煤电站对 CO₂ 排放量的贡献超过了 80％；从 CO₂ 排放量的增长速率来看，中国也超过了其它国家。

▲ 不同来源的 CO₂ 排放量

方案一：捕获

为了实现节能减排的目标，中国非常重视碳捕集、利用和储存（carbon capture, utilisation and storage，CCUS）技术方面的开发与投入—— 这类技术可以捕获化石燃料燃烧后释放的二氧化碳，然后将其用作化学原料，或将其储存在地下岩层中。

2017 年，陕西榆林市的延长集成碳捕集与封存示范项目正式开工建设，其目标是每年从两座煤化工厂捕获约 40 万吨 CO₂，然后将捕获的 CO₂ 泵入乔家洼油田，以帮助开采石油。中国计划发展七个以上的 CCUS 项目，并有望在未来二十年成为该领域的主要参与者。

典型的 CO₂ 捕获过程使用单乙醇胺这样的溶剂与 CO₂ 反应形成 C–N 键；随后这些 C–N 键在 100-120℃ 下分解并释放出适合于储存或再利用的纯净 CO₂。其中的一大挑战是，以这种方式捕集、分离和释放 CO₂ 的过程会产生温度波动，从而使工艺成本居高不下，每捕获一吨 CO₂ 就要花费 50-100 美元，并且会消耗发电厂 25-40% 的电量产出。

因此，研究人员正在努力研究可以降低 CO₂ 捕获成本的方法，例如可以物理吸附 CO₂ 然后在非常温和的条件下将其释放的多孔材料——其中的一种就是金属有机骨架（MOFs）材料。MOFs 的一个优势是它们的结构和化学性质是高度可调的，因此在理论上就可以设计出能够特异性结合CO₂ 的 MOFs 材料（将 CO₂ 与其它气体成分有效分离），而且这种 MOFs 材料还可以在温和加热的情况下释放出吸附的 CO₂。

方案二：转化

除了将 CO₂ 注入地下，另一个更好的选择是将其转化成其它有用的化学品。通常用氧气和蒸汽来处理煤炭以产生合成气——即氢气和一氧化碳的混合物。然后合成气可以通过“费托法”来制造液态烃燃料，或者生产如甲醇这样的关键化学品。

中科院大连化物所（DICP）在此领域具有国内领先的地位。以 DICP 为依托单位的国家清洁能源实验室（筹，英文缩写 DNL）是我国能源领域筹建的第一个国家实验室。

2017 年 10 月，由 DNL 主任李灿院士率领的团队报道了一种氧化锌-氧化锆催化剂，可以将H₂ 和 CO₂ 转化为甲醇（Sci. Adv., 2017, 3, e1701290）。此前用于此反应的催化剂对甲醇的选择性比较差，获得的产物较为复杂，或者可能快速失活。这种新型的双金属催化剂则能稳定保持活性 500 小时，并确保产物中的甲醇含量超过 90％。李灿院士解释到，催化剂中的锌与 H₂ 结合，而相邻的锆则结合并活化 CO₂。 

▲ DNL 主任李灿院士