相變儲能技術的案例
用于熱管理和儲能系統的微封裝相變材料（EPCM）
來源 | Journal of Energy Storage
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背景介紹
解決世界能源問題和減緩全球變暖需要創新的傳熱技術。通過利用傳熱領域的最新進展，可以開發出提高能源效率、高效利用清潔能源、減少環境污染和碳排放的創新解決方案。
新型傳熱技術的開發和實施對于應對全球能源和環境挑戰以及確保電子元件的可靠運行至關重要。由于電子元件的工作溫度顯著影響其可靠性，因此，熱管理對于電子系統的設計和操作至關重要，熱管理能力不足可能會導致性能下降、關鍵組件故障。如今，由于電子設備的物理尺寸不斷縮小以及可用于熱管理的空間有限，尋找合適的電子設備冷卻技術已成為一項重大挑戰。封裝相變材料（EPCM）由于其吸收和釋放大量熱量的能力，在與冷卻和加熱相關的各個領域，特別是在熱能存儲領域中受到了極大的關注。
02
成果掠影
近期，沙迦美國大學Mohammad O. Hamdan研究團隊通過將相變材料封裝在保護殼中，EPCM可以克服相變過程中的泄漏問題，并可以提高PCM的熱穩定性、可靠性和性能。此外，EPCM還可以定制以滿足特定的應用要求，例如不同的熔點和導熱率。該篇綜述全面概述了 EPCM，包括用于封裝的殼材料、封裝方法、EPCM 特性和熱性能、商用 EPCM，以及最新的研究、應用、實驗分析以及各種用于分析EPCM行為的數值模型，為后續儲能和熱管理系統的開發提供了重要指導。
展開 綜述 \\ 星載有源相控陣天線熱控技術研究進展
從美國國家航空和航天局于1978年6月成功發射世界上第一顆裝載有源相控陣天線的海洋衛星SEASAT-1至
今
，經過數十年的發展，國內外有源相控陣天線熱控技術總體上可以分為四個層次：第一代結構導熱技術，第二代熱管和相變儲能技術，第三代流體回路技術，第四代微流道、射流冷卻技術．
在新一代熱控技術不斷發展的同時，由于一些具有獨特物性的材料的研發以及裝備制造技術的提升，第一代的結構導熱技術和第二代的熱管與相變儲能技術也隨之呈現出新的面貌．
展開 氫儲能技術路線圖譜
新能源+氫儲能，可以利用可再生資源特別是“棄風棄光”進行電解水制氫，再用氫氣發電，包括燃料電池發電上網和氫燃料電池汽車等在交通領域的應用。
相比電化學儲能，氫儲能更加高效。氫儲能適用于長時間、跨區域、靈活應對可再生能源季節性波動的儲能場景，是少有的能夠儲存上百千瓦時以上的儲能形式。
氫儲能技術可以在多個儲能領域發揮重要作用，使得它具有更豐富的商業化路徑和應用場景。這也讓氫儲能產業更具想象空間。
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氫儲能技術路線圖
氫儲能的發展，需要從制氫、儲氫、運氫、發電等方面整體規劃， 在關鍵技術上進一步突破。
電解水制氫是一種清潔的制氫方式。目前主要是堿性水電解（AE）、質子交換膜水電解（PEM）、陰離子交換膜水電解（AEM）以及固體氧化物水電解（SOE）四種技術路線。堿性水電解與PEM的產業化程度相對較高，前者技術成熟、成本低，但快速啟動與變載能力相對較差；后者效率高，運行靈活，與風電、光伏的適配性更佳，但當前成本仍較高。
△水電解制氫儲能原理
圖源：葉明哲工作室
電解水制氫系統由電解槽、輔助系統組成。電解槽是電解反應發生的主要場所，輔助系統則包括電力轉換、水循環、氣體分離、氣體提純等模塊。從成本構成來看，電解槽在制氫系統總成本中的占比約為40%-50%，此外電力轉換系統、水循環系統以及氫氣收集系統也在總成本中占據較高的比例。
圖源：IRENNA、東北證券
氫儲能技術路線圖如下：
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氫儲能產業圖譜
氫儲能技術可以在多個儲能領域發揮重要作用，使得它具有更豐富的商業化路徑和應用場景。
氫儲能產業鏈，可大致分為制氫、儲運以及應用三個環節。
展開 六大儲能技術路線分析
儲能技術在電力行業應用范圍
從技術原理上講，儲能技術主要分為物理儲能、電化學儲能和電氣儲能、熱儲能和化學儲能這幾大類。
儲能技術路徑分析
各類儲能技術中，抽水蓄能是應用最為成熟；儲熱技術也已處于規模化應用階段，目前我國火電靈活性改造大部分采取儲熱技術；鋰離子電池儲能開始近兩年得到了飛速應用；壓縮空氣以及液流電池也迎來了商業化應用。
各種儲能技術優缺點對比
六類儲能技術分析
01 抽水蓄能
抽水蓄能具有技術優、成本低、壽命長、容量大、效率高等優點。由于抽水蓄能電站運行模式是將能量在電能和水的勢能之間轉換，其儲能容量主要取決于上下水庫的高度差和水庫容量，由于水的蒸發滲漏現象導致的損失幾乎可以忽略不計，抽水蓄能的儲能周期得以無限延長，可適應各種儲能周期需求，系統循環效率可達70%-80%。與此同時，建設完成后的抽蓄電站壩體可使用100年左右，電機設備等預計使用年限在40-60年左右。
2021 年我國各儲能技術裝機占比
成本測算：當前最為經濟的儲能方式為探究抽水蓄能電站經濟性，我們對抽水蓄能電站儲能度電成本進行了測算。
抽水蓄能 LCOS 測算核心假設
考慮抽水蓄能電站初始投資成本與項目選址密切相關，后期新建項目選址經濟性下降，初始投資成本可能將會上升，另外電站實際循環次數假定在300-500次之間。我們預計不考慮充電成本的前提下，常規抽水蓄能電站LOCE范圍為0.23- 0.34元/kWh。
抽水蓄能 LCOS 敏感性分析
“十四五”以來，我國加快部署抽水蓄能項目開發建設。
展開 
鋰電儲能系統熱失控防控技術研究進展
儲能電站電池一般為串并聯連接，連接方式對熱失控傳播影響較大。Liu等研究了并聯方式對鋰離子電池熱失控傳播和細水霧主動降溫的影響。實驗發現，并聯連接的電池顯示出更低的熱失控起始溫度，這會導致細水霧作用的臨界溫度節點降低。當臨界溫度降低到100 ℃以下時，冷卻過程主要依賴水的吸熱，這使得控制效果大幅降低。Huang等研究了液氮對4.2 V、2200 mAh的LCO電池熱失控的冷卻和抑制效果。結果表明，在熱失控早期施加液氮可以成功預防熱失控的發生。隨著電池表面溫度的增加，液氮對電池的抑制作用減弱，但噴灑29.3 g液氮在80 s就將9.24 Wh電池的表面溫度從700 ℃降低到100 ℃，顯示了較高的冷卻能力。由于液氮的工程布置復雜，使得規模應用受到限制。3.1.2 熱失控阻隔抑制技術在阻隔技術方面，Yuan等研究了空氣、鋁板、石墨復合板和鋁填充等四種間隙材料對熱失控傳播的影響，研究表明石墨復合板和鋁填充可有效抑制熱失控的傳播。Niu等研究了低導熱和阻燃復合相變材料對抑制方形鋰電池熱失控傳播的作用。結果表明，添加阻隔材料的鋰電池組熱失控傳播得到抑制。Weng等的研究也表明復合相變材料熱失控阻隔技術能夠有效抑制熱失控傳播并限制火災載荷，對火災防控有重要意義。
3.2 鋰電池滅火技術
鋰離子電池滅火技術研究的重點主要是滅火介質的開發和利用，圖6為常見的鋰電池滅火介質效果和滅火策略。Xu等開展了二氧化碳、HFC-227ea、細水霧三種滅火劑抑制鋰電池火災的實驗研究。在電池泄壓閥打開時停止加熱，施加滅火劑。實驗表明，各滅火介質均可抑制電池的燃燒，二氧化碳和HFC-227ea在釋放過程中仍出現火焰，而細水霧無火焰，表明冷卻能力強的滅火介質對鋰電池火災的抑制效果良好。
圖6鋰電池滅火介質效果和滅火策略
Liu等開發了一種滅火和快速冷卻的一體化的消防技術。
展開 電力“國家隊”看好哪些長時儲能技術？
國家電投從2017年開始進軍鐵-鉻液流電池技術研發領域，是這一技術的堅定支持者。
2022年1月20日，國家電投擁有自主知識產權的“容和一號”鐵-鉻液流電池堆量產線投產，每條產線每年可生產5000臺30kW“容和一號”電池堆。此前，國家電投集團科學技術研究院有限公司儲能技術研究所所長王含在電力行業儲能技術與應用研討2021年會中介紹，為推動技術產業化，國家電投鐵-鉻液流電池儲能產業園已于2020年簽約落地山東濰坊高新區，遠期建設目標是3GW。
同時，還在內蒙古霍林河啟動全球首個兆瓦級鐵-鉻液流電池儲能示范項目建設，預計2022年年底投產。
壓縮空氣儲能：對標抽蓄
壓縮空氣儲能技術在用電低谷時段利用電能，將空氣壓縮至高壓狀態并存于洞穴或壓力容器中，使電能轉化為空氣的內能存儲起來，在用電高峰時段將高壓空氣從儲氣室釋放，進入燃燒室燃燒利用燃料燃燒加熱升溫后，驅動渦輪機發電。
壓縮空氣屬于大規模機械儲能技術，單機規模可到100MW級，儲能時間可達4-10小時，壽命在30-50年。
壓縮空氣儲能與抽水蓄能一樣，易受地理條件約束，建造壓縮空氣系統，需要特殊的地理條件來作為大型儲氣室，如高氣密性的巖石洞穴、鹽洞、廢棄礦井等。此外，示范項目系統效率最高約61%，相比抽水蓄能的80%，效率較低。
近一年來，電力央企在壓縮空氣儲能領域進展頗多。
2021年9月30日，中國華能集團有限公司建設、調試和運維的世界首個非補燃壓縮空氣儲能電站——江蘇金壇鹽穴壓縮空氣儲能國家試驗示范項目并網試驗成功。該項目于2017年獲國家能源局立項，由中鹽集團、中國華能和清華大學共同開發，一期工程發電裝機60兆瓦，儲能容量300兆瓦時，遠期建設規模1000兆瓦。
展開 超大號電池——壓縮空氣儲能技術的“前世今生”
圖12 一種SC-CAES系統原理圖
綜上，各類壓縮空氣儲能技術均具有其自身優勢和一定的局限性，但整體來看，蓄熱式壓縮空儲能系統效率較高，具備較為成熟的技術，加之我國有大量的鹽洞、廢棄礦洞，利用已有洞穴建設低成本的壓縮空氣儲能系統非常有發展前景，因此TS-CAES系統有望在未來幾年得到廣泛關注和應用。
LAES系統和SC-CAES系統由于具有較高的能量密度，占地面積小，將在無天然洞穴地區受到越來越多的青睞，特別是SC-CAES系統還具有較高效率的優點，其吸引力將更大，但目前仍需進行進一步的技術突破，提高系統效率。UW-CAES系統由于其工作環境，有望在海洋中得到一定應用，未來水下儲氣裝置技術成熟后，可在海洋環境如海上風電儲存方面得到一定應用。
I-CAES系統由于無蓄熱裝置，待等溫技術成熟后，系統可兼具流程簡單和效率高的優點，但系統能量密度較低，使其在大規模儲能領域受限。同時未來，考慮到產能方式及用能方式的多樣性，壓縮空氣儲能可與其他熱力系統耦合，充分發揮其在促進耦合系統變工況運行上的優勢。
除了技術方面的改進，經過多年的應用研究，壓縮空氣儲能系統的應用場景也得到了極大的拓寬。大規模時，其可用于電力系統削峰填谷、可再生能源平滑波動、可再生能源/工業余熱耦合利用、火電廠/核電廠變工況輔助運行等，中小規模時，可用于分布式能源系統、分布式微電網、壓縮空氣儲能汽車、無人機彈射技術等方面。
在產業化方面，相對于歐美國家，我國的壓縮空氣儲能產業整體起步較晚，但發展很快。
展開 相變存儲器的技術特點和發展趨勢
圖1: PCRAM結構示意圖
二、相變存儲器的技術特點
相變存儲器具有很多優點，比如可嵌入功能強、優異的可反復擦寫特性、穩定性好以及和ＣＭＯＳ工藝兼容等。到目前為止，還未發現ＰＣＲＡＭ 有明確的物理極限，研究表明相變材料的厚度降至２ｎｍ時，器件仍然能夠發生相變。因而，ＰＣＲＡＭ 被認為是最有可能解決存儲技術問題、取代目前主流的存儲產品，成為未來通用的新一代非揮發性半導體存儲器件之一。
相變存儲器提高存儲容量的方式有兩種：一種是三維堆疊，還有一種是多值技術。英特爾和美光重點突破的是三維堆疊技術，而IBM在多值存儲領域取得了突破性進展。
圖2：PCRAM突破存儲容量的兩大技術方向：三維堆疊和多值存儲
三維堆疊技術通過芯片或器件在垂直方向的堆疊，可以顯著增加芯片集成度，是延續摩爾定律的一種重要技術。交叉堆疊(cross point)的三維存儲結構被廣泛應用于非易失存儲器，英特爾和美光共同研發的3D Xpoint技術，便是一種三維交叉堆疊型相變存儲器。當前，三維新型非易失存儲器的研究主要集中在器件和陣列層面。與傳統的二維存儲器不同，三維相變存儲器采用了新型的雙向閾值開關（Ovonic Threshold Switch，OTS）器件作為選通器件(selector)。根據OTS器件的物理特性和三維交叉堆疊陣列結構的特點，三維交叉堆疊型相變存儲器采用一種V/2偏置方法以實現存儲單元的操作。
IBM是相變存儲器多值存儲技術的推進者，其每個存儲單元都能長時間可靠地存儲多個字節的數據。
展開 哪種技術路線能支撐起長時儲能的大旗
其次為抽水蓄能，之后為以鋰電為代表的新型儲能。
據郭劍波院士《中國高比例新能源帶來的平衡挑戰》分析，我國“十四五”期間 將完成存量煤電機組靈活性改造 2 億干瓦，增加系統調節能力 3000~4000 萬千 瓦，新增煤電機組中具備靈活調節能力的達 1.5 億干瓦；到 2025 年，新型儲能 裝機容量達到 3000 萬干瓦以上；抽水蓄能規模 2025 年達到 6200 萬千瓦以上， 2030 年達到 1.2 億干瓦左右。新型儲能將會在 2025 年以后，逐漸成為靈活性 調節的主力。
2、長時儲能：百花齊放，百舸爭流
儲能技術特點及降本情況各不相同，根據應用場景的不同，長時儲能技術將呈現 多線并舉的格局。概括而言，長時儲能技術可分為機械儲能、儲熱和化學儲能三 大主線。其中，機械儲能包括抽水蓄能、壓縮空氣儲能；儲熱主要為熔鹽儲熱；化學儲能包括鋰離子電池儲能、鈉離子電池儲能以及液流電池儲能。
2.1、抽水蓄能：當前最成熟、度電成本最低的儲能技術
2.1.1、原理：依靠水的重力勢能作為介質儲能
抽水蓄能仍然是當前最成熟、裝機最多的主流儲能技術。抽水蓄能是機械儲能的 一種：在電力負荷低谷期將水從下池水庫抽到上池水庫時將電能轉化成重力勢能 儲存起來，在負荷高峰時利用反向水流發電，綜合效率在 70%到 85%之間。
2.1.2、優劣勢：儲能技術成熟，但選址受限、開發周期較長
優勢：當前最成熟的儲能技術，度電成本最低。根據《儲能技術全生命周期度電 成本分析》（文軍等，2021 年）中測算，在不考慮充電成本且折現率為 0 的情 況下，抽水蓄能僅有 0.207 元/kWh 的度電成本，在各種儲能技術中度電成本最 低。劣勢 1：地理資源約束明顯，遠期來看無法足量的滿足儲能需求。
展開 實現100%可再生能源需要儲能技術在這三方面的突破
美國國家可再生能源實驗室（NREL）研究員Kerry Rippy發表文章，題目是：These 3 energy storage technologies can help solve the challenge of moving to 100% renewable electricity（這三種儲能技術突破有助于解決向100%可再生電力轉變）。
近幾十年來，風能和太陽能發電的成本大幅下降，這也是美國能源部預測到2050年可再生能源將成為美國增長最快的能源來源的原因之一。然而，儲存能量仍然相對昂貴。而且，由于可再生能源發電并非總是可用，儲能是必不可少的。
在美國國家可再生能源實驗室（NREL）最近的一份報告中，研究人員估計，到2050年美國可再生能源存儲容量將有可能增加3000%，未來需要儲能技術在三方面突破來幫助實現這一目標。
更長的放電時間
從用于小型電子產品的堿性電池到用于汽車和筆記本電腦的鋰離子電池，大多數人已經在日常生活的許多方面使用電池，但電池仍有很大的改善空間。例如，具有長放電時間（最多10小時）的大容量電池在夜間儲存太陽能或增加電動汽車的續航里程方面很有價值，但目前很少有電池達到這種水平，根據最近的預測，到2050年這種性能的電池裝機容量可能超過100千兆瓦，是胡佛大壩發電能力的50倍。
儲能電池最大的障礙之一是鋰和鈷的供應有限，而鋰和鈷目前是制造輕質、高功率電池的關鍵。據估計，2050年世界上約10%的鋰和幾乎所有的鈷儲量將被耗盡。此外，世界上近70%的鈷是在剛果開采的，開采條件長期以來被證明不盡人意。
科學家們正致力于開發鋰和鈷電池的回收技術，并基于其他材料設計電池。特斯拉計劃在未來幾年內生產無鈷電池。
展開 2018第二屆亞洲動力電池與儲能技術峰會
同時隨著儲能產業的不斷發展，VR、無人機、智能穿戴以及機器人等新興產業的崛起，將進一步帶動全球對高性能電池的需求，電池產業相關設備、電池材料也將大幅受益。
在全球對電池強烈需求的情況下，我國電池技術“后勁不足”的問題日益凸顯。一，我國企業技術研發投入比較低。2016年，我國高技術制造業研究與試驗發展經費與主營業務收入之比為1.9%。國際上一般認為，當研發強度達到2%時，企業才能基本生存；當研發強度達到5%以上，企業才具有競爭力。二，產學研轉化能力不足。雖然我國每年有數以萬計的與電池相關的科研成果發表，但這些碎片化的知識難以直接滿足公司對電池產品的需求，這就導致了“研”和“產”不能直接對接。
本次論壇的承辦單位，能源學人、南屋實驗室、電池產業網聯合發揮各自優勢，構建了從電池研發到相關技術落地產業化的整條服務鏈。能源學人和電池產業網將分別挖掘科研單位、企業的需求及遇到的難題，并幫助二者實現技術對接。對于非成熟化技術，將通過南屋實驗室進行技術的改進，然后再與企業產業化對接。三方將整合各方資源，共同為我國新能源技術的發展建言獻策，促進新能源產學研高速轉化！
會議主要內容
本次會議將繼續圍繞“技術產業化”為核心，結合當今電池及其他儲能領域的熱點問題展開討論。主要涉及的關鍵點有動力電池、BMS（電池管理系統）、高能量密度、電池設計、電池安全、固態、鋅基、鈉基、鋰硫、高鎳、富鋰、鋰金屬、硅基、回收等等。
展開 
Nature子刊：同步輻射技術揭示氧化還原相變過程！
這項工作不僅對鋰離子電極材料的熱穩定性和熱致相變給出了詳細的描述，還為下一步的儲能材料優化提供了一些思路。研究工作所使用的方法可以推廣到更加廣闊的研究領域，尤其是復雜體系的非均勻相變過程等的研究中。特別是考慮到下一代同步輻射光源的發展，更高的亮度將會大大降低實驗的時間，從而能夠更好地捕捉到相變過程中的非穩定狀態，為能源材料、環境科學等研究領域提供有力的工具。
用于增強相變冷卻的液體超擴散助推高性能噴射流沸騰技術
通過利用工作流體（如氟化電子液體）沸騰的液體-蒸汽潛熱交換實現的相變冷卻，有利于將來大量技術或應用中的高功率密度電子設備的熱管理，在包括5G、云計算、大數據、區塊鏈、人工智能等領域具有巨大的潛力。然而，沸騰傳熱作為一種動態的界面現象，對其包括液體再濕潤和蒸汽離開等過程和機制的深入理解仍然具有挑戰性。
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成果掠影
中國科學院理化技術研究所江雷院士、田野副研究員等人設計了一種含有周期性微槽/金字塔陣列的微/納米結構銅表面，其上有機冷卻劑的超擴散行為（<134.1 ms）極大地促進了液體再濕潤過程，從而產生特化的、超快的射流沸騰現象，同時使臨界熱通量和傳熱系數分別提高了80%和608%。對噴射流沸騰微氣泡的成核、生長和分離行為的原位觀察表明，帶有納米皺紋的微型溝槽/金字塔通過超擴散誘導的超快液體再濕潤和持續蒸汽膜凝聚促進了潛熱交換過程。最后通過對超擴散微/納米結構的優化，以超低電力使用效率（PUE<1.04）實現了高性能相變冷卻在超級計算機中心CPU芯片熱管理中的應用。該研究以題為“Liquid Super-Spreading Boosted High-Performance Jet-Flow Boiling for Enhancement of Phase-Change Cooling”的論文發表在《Advanced Materials》上。
03
圖文導讀
圖1 在微/納米結構Cu表面上由超擴散促進的射流沸騰現象。
圖2 表面上不同金字塔高度的射流沸騰換熱性能。
圖3 超擴散促進的微型射流沸騰氣泡成核、生長和分離。
展開 2026年第三屆越南河內電池及儲能技術展覽會Battery Expo 2026
參展范圍：
電池產品及技術：各類動力電池及組件、儲能電池、固態電池、3C 電池、鉛蓄電池等各類電池以及電芯、材料、模組與 PACK 等
儲能產品及技術：儲能設備及組件、光儲一體化及配套設備、儲能電站及 EPC 工程、BMS 電池管理系統、儲能逆變器、充電樁技術等
新能源及光伏技術：太陽能、風能、地熱能、潮汐能、生物質能等新能源發電及其配套技術和設備，余熱/垃圾焚燒/沼氣發電技術、新光源及節能照明產品等；光伏材料應用技術產品如硅材、玻璃、封裝薄膜等
電力技術設備：輸配電設備、發電技術設備、 整廠設備及工程、電力調度系統設備、控制及測試電力設備及儀器、電器電子設備、自動化設備等
越南儲能市場：
伴隨著越南經濟的不斷持續發展、新能源汽車產銷量的增加、儲能規模的擴大、消費電子出貨量的增長，都在很大程度上刺激了其電池和儲能行業的發展勢頭。根據VAMA的數據顯示，在2022年，越南汽車銷量超過了40萬輛，其中電動汽車銷量占比接近10%，在未來仍存在著顯著增長潛力。在儲能領域，為了盡快實現“碳中和”目標，越南政府加快對可再生能源的產業布局，國內風力發電、光伏發電、水力發電等的裝機容量增長迅速，也帶動了其國內儲能規模的擴大，預計2023年年底將達到200MWh，未來五年并將以10-15%增速發展。但由于越南儲能技術市場起步較晚，目前其本土的新能源電池生產產能很難滿足國內日益增長的消費需求，這也因此導致市場對進口的高度依賴，而中國為其主要進口來源地。根據中國海關統計數據顯示，在2022年1-9月，越南從中國進口的鋰離子電池數量為5.68億個，較上年同期同比增長22.7%，高于同期印度、中國香港、韓國等地從中國進口的數量占比。
展開 國家科技部發布“儲能與智能電網技術”重點專項2021年度項目申報指南
5月10日，國家科技部發布“儲能與智能電網技術”重點專項2021年度項目申報指南，擬圍繞中長時間尺度儲能技術、短時高頻儲能技術基礎支撐技術等6個技術方向，按照基礎前沿技術、共性關鍵技術，啟動20項指南任務，擬安排國撥經費6.67億元。其中，圍繞中長時間尺度儲能技術方向，擬部署2個青年科學家課題，每個課題擬安排國撥經費不超過500萬元。
聲明
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電氣圈，一個有態度的圈子
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