储能技术领域发表文章和专利概览综述

王 朔，周 格，禹习谦，李 泓



储能技术领域发表文章和专利概览综述

王 朔1，周 格2，禹习谦2，李 泓2

（1云南大学，云南昆明 650500；2中国科学院物理研究所，北京 100190）

能源危机和环境问题制约着社会发展与人类进步，新型可再生清洁能源的开发利用是解决能源危机和环境问题行之有效的途径，先进储能技术在可再生清洁能源的开发利用过程中具有至关重要的作用。基于储能技术发展的重要性，文章简略介绍了各种先进储能技术，并结合Web of Science搜索引擎，从科技论文发表的年份、国家/地区、机构和专利等角度，对各种先进储能技术进行了文献检索统计，分析其发展趋势。在众多的储能技术中，锂离子电池、超级电容器、钠离子电池、飞轮、超导磁储存、固态电池等基础研究方向比较活跃；锂离子电池、飞轮、超级电容器、压缩空气储能、铅酸电池等则在技术开发方向比较突出。

储能技术；专利；科技论文；统计

开发优质能源和先进能源技术决定着人类经济社会的发展方向。自2015年以来，中国煤炭使用量出现了十几年来的首次下降，美国页岩气企业的部分油井出现亏损，同时国际油价持续波动下跌。当今全球能源格局呈现出以煤、石油、天然气等传统能源为主导的趋势，但传统能源在环境和资源的压 力下，发展趋势受到限制，新能源和先进能源技术在时代的要求和政策的支持下，得以迅猛发展，其中水电一直是清洁能源发展的重点之一，太阳能、风能、核能等清洁能源齐头并进，高速发展[1]。图1为不同地区可再生能源产出量。图中的可再生能源产出量和占比都处于增长趋势，且中国在可再生能源领域占比较高。在大力支持发展可再生能源的大背景下，储能技术逐步发展更新，储能产业也逐渐在变革中成长壮大，加之产业链中的技术并购和转移、战略合作等因素，先进储能技术已成为了能源领域的重要基础产业之一。

智能电网、大规模储能、电动汽车、能源互联网等领域的快速发展是信息时代和能源结构变革相互有机结合的结果，正在潜移默化地改变可再生清洁能源产生、获取、利用的方式，其中储能技术是这些领域的重要组成部分和关键支撑技术。中国国务院颁布的《能源发展战略行动计划（2014—2020年）》，明确指出：在能源科技创新方面，确立储能为重点创新领域，明确大容量储能为重点创新方向。《关于积极推进“互联网+”行动的指导意见》也指出了储能是当前需要突破的关键技术。

1 储能技术介绍

先进的储能技术涉及到电能、化学能、热能、机械能、太阳能、风能、水能等不同形式能量之间的相互转换和储存。不同形式的储能技术的能量转换途径不同，转换效率、技术成熟度、存储规模都不尽相同。从原理角度可将先进的储能技术分为物理储能技术和化学储能技术，其中物理储能技术包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、超导磁储能等，技术细节图见图2。化学储能技术包括锂离子电池、钠离子电池、液流电池、钠硫电池、铅酸电池、超级电容器和其它新型电池，技术细节图见图3。从图2和图3的储能技术的细节图侧面反映了众多科研学者从储能材料、单元器件、储能模块、储能系统、诊断分析、回收利用等技术方面进行深入的研究，分析的角度涉及到热力学、动力学、微结构、组元相互作用与反应、物理化学特性及其演化、界面和表面、缺陷与尺寸效应等，交叉的学科领域有材料化学、固体化学、化学工程、模拟计算等，并不断涌现出新储能材料体系和新储能技术，在深度、广度、复杂程度上令人惊叹。图4中储能技术发表论文所涉及的学科方向的统计结果表明先进储能技术的开发涉及到化学、材料、能源、物理、化工、电工、信息、资源、环境等多学科和领域。先进储能技术的研究与发展将丰富这些学科的研究内容，提高其基础创新动力。（以“energy storage”为关键词，检索范围：Web of Science 核心合集检索时间：2017年04月24日）

2 储能技术发展现状检索分析

先进储能技术的研究和发展一直是基础科研和技术应用的研究热点，本文通过Web of Science 进行每个技术的发展趋势分析。[检索范围：Web of Science 核心合集（文献）Derwent Innovations Index（专利）检索时间：2017年04月24日]

2.1 锂离子电池（“lithium-ion battery”或“Li-ion battery”）

锂离子电池以其高能量比、长循环寿命、高倍率性能、优良高低温性能、低价格等特点一直是化学储能研究领域最主要的部分。2015年全球储能电池累计装机容量中锂电池以1060.1 MW占据首位，相比2014年的644 MW增加了64.61%（数据来自 Sandia National Laboratories International Energy Storage Database）。目前，锂离子电池的研究已不局限于材料本身、热力学、动力学、界面反应等基础科学，正朝新材料的开发、新电池结构的设计、全电池的安全性、热行为、服役和失效分析等关键技术迈进。我国《中国制造2025》提出要求动力电池单体能量密度中期达到300 W·h/kg、远期达到 400 W·h/kg的目标[2]。

根据图5可知，从2001年开始，与锂离子电池相关的核心科技论文发表数呈上升趋势，近几年论文发表数均为7000篇左右，这种快速增长趋势与锂离子电池成熟产业化并应用到大规模储能领域有必然联系。表1显示中国发表的相关文章数占42.946%，远远超过美、韩、日等国，大于三国的总和，间接反映了我国锂离子电池研发水平蒸蒸日上的趋势。在世界范围内发表科技论文数统计中，前十位分别为中国科学院、中南大学、清华大学、浙江大学、南洋理工大学（新加坡）、阿贡国家实验室（美）、中国科技大学、哈尔滨工业大学、新加坡国立大学、复旦大学。

表1 锂离子电池SCI文章发表数国家排序和机构排序

精炼统计结果后，发现在电池容量（27528篇）、倍率（16733篇）、高低温性能（13423篇）、电压（6867篇）、功率（6859篇）、循环寿命（3925篇）各主题下发表论文数依次减少。说明锂离子电池基础研究中电池容量、倍率性能、高低温性能等方面更受关注。从电池材料的角度，负极（20185篇）、正极（17273篇）、电解液（13033篇）、隔膜（1226篇）各主题下发表论文数依次减少。说明锂离子电池研究重点为高容量的正、负极材料。

从表2统计结果分析，锂离子电池的绝大多数的专利为日本所拥有，在世界范围内专利发表数统计中，排名前十的并没有中国企业，绝大多数为日韩企业。前十位排名分别为TOYOTA、PANASONIC、SAMSUNG、BOSCH、SANYO、SONY、NISSAN、LG等企业（1936年TOYODA更名为TOYOTA，2008年MATSUSHITA更名为PANASONIC）。这源于日韩在锂离子电池领域起步早，理论基础和产业化研究比较全面。从专利技术分类角度看，黏结剂、电解质、活性物质等是重点研究技术领域（表3）。

表2 锂离子电池专利发表数专利权人名称排序

2.2 锂硫电池（“lithium-sulfur battery”或“Li-S battery”）

锂硫电池理论能量密度高达2600 W·h/kg（负极为金属锂、正极为硫），仅次于锂-空气二次电池，是化学储能器件中理论成本最低的技术之一。锂硫电池也存在很多影响性能的因素，例如，S与Li2S均为电子和离子的绝缘体、充放电过程中不可忽略的体积变化和聚硫化锂的“穿梭反应”。国外的锂硫技术比较成熟，例如SION POWER、POLYPLUS、OXIS、SAMSUNG等。中国科学院大连化学物理研究所陈剑团队[3]35 A·h锂硫电池能量密度已达到570 W·h/kg，接近世界领先水平。

表3 锂离子电池专利技术分类排序

锂硫电池早在19世纪60年代提出，由于锂硫电池自身性能的原因一直不温不火，从2013年开始，国内外与锂硫电池相关的论文发表数及引用数呈急剧上升趋势（图6），这与政策支持和技术突破密不可分。表4为锂硫电池SCI文章发表数国家排序和机构排序，表中数据显示在世界范围内，中国发表论文数为占比50.539%，远高于美国、韩国、德国、澳大利亚、加拿大、日本等。科技论文发表数排名前三的机构分别是中国科学院、清华大学、德克萨斯大学奥斯汀分校（美）。余下依次为中南大学、滑铁卢大学（加）、国立庆尚大学（韩）、阿贡国家实验室（美）、北京理工大学、加利福尼亚大学伯克利分校（美）、浙江大学。

表4 锂硫电池SCI文章发表数国家排序和机构排序

续表4

表5 锂硫电池专利发表数专利权人名称排序

表5世界范围内机构专利发表数统计结果表明SAMSUNG、BOSCH、HYUNDAI拥有较多的技术专利，我国的中国科学院大连化学物理研究所、中南大学、浙江大学、广东珠光新能源科技公司在前十中占据四席，LG、GM分别排名第五、第七。表6为发表专利技术分类排序，结果表明锂电池的专利主要集中在活性物质和电解质的选择等方向。

2.3 钠离子电池（“sodium-ion battery”或“Na-ion battery”）

与锂离子电池具有相似储能机制的钠离子电池具有原料资源丰富、价格低廉等优点，在大规模储能技术领域具有较大的应用潜力。现阶段研究主要致力于正负极材料和电解质材料的开发、界面和结构的演化、热力学和动力学等基础研究，属于研发的早期。借助于锂离子电池研发的经验，钠离子电池在高安全固态和水系钠离子电池中取得了阶段性成果。

图7显示2010年以前与钠离子电池相关的科技论文发表数较少，主要是由于缺少合适的正负极材料体系，尽管储能机制与锂离子电池类似，但钠离子的离子半径比锂离子半径大，在材料的选择上有所区别。2011到2016年，钠离子电池的科技论文发表数与引用数迅速增长，这得益于原料资源丰富的钠离子电池非常适合应用到大规模储能，引起了国内外研究人员的广泛关注。近年来与钠离子电池相关的研究论文每年发表数达到900篇，且呈现增长趋势，引用达到22000次，研究氛围十分活跃。精炼统计结果，钠离子电池在负极材料（1704篇）、正极材料（1507篇）、电解液（850篇）方面发表的论文数依次减少，侧面反映了钠离子电池的研究重心为正、负极材料。表7显示我国钠离子电池论文发表数占44.971%，位居世界首位。世界范围内科技论文发表统计数占前十的机构分别为中国科学院、中南大学、京都大学（日）、德克萨斯大学奥斯汀分校（美）、中国科技大学、南开大学、伍伦贡大学（澳）、武汉大学、华中科技大学、韩国科学技术高级研究所，其中我国占据六席。中国科学院物理研究所胡勇胜团队[4]发现了NaCuFeMnO/无烟煤碳-钠离子电池的能量密度已达100 W·h/kg，100周循环后容量保持率为97%，且具有低成本、高安全的特性。

表8显示钠离子电池的专利分析结果前十分别为SUMITOMO ELECTRIC、TOYOTA、陕西科技大学、中南大学、SUMITOMO CHEMISTRY、中国科学院物理研究所、CENTRAL GLASS（韩）、工业科学技术研究所（韩）、日本电话电报公司、SK（韩）。中、日、韩三国在新型储能钠离子电池领域齐头并进，我国在结合钠离子电池低成本的优势以及大力发展大规模储能和“互联网+”智能电网的政策等条件下，钠离子电池的发展前景十分美好。从表9钠离子电池专利技术分类排序结果中分析可得，钠离子电池的专利主要集中在正负极材料、黏结剂、电解液的选择，并和其它金属离子电池进行技术共享。

表7 钠离子电池SCI文章发表数国家排序和机构排序

表8 钠离子电池专利发表数专利权人名称排序

表9 钠离子电池专利技术分类排序

2.4 钠硫电池（“sodium-sulfur battery”或“Na-S battery”）

钠硫电池具有大电流、高功率、低自放电等性能，常作为应急电源和补偿电源，属于目前化学储能技术中示范和应用规模最大的技术，但其技术门槛高，在全球范围内，只有日本的NGK企业以及上海硅酸盐研究所能够提供产品。国外钠硫电池技术成熟度较高，能够提供几十MW·h的储能系统，已成功应用于削峰填谷、应急电源、清洁能源稳定并网等领域。

从图8钠硫电池的SCI文章发表和引文数上看，其研究一直处于相对不活跃的状态。2016年前后其引文数有所提升的原因可能与大规模储能和发展清洁能源并入智能电网有关。从表10对世界范围内科技论文发表数统计结果看出，美、日处于领先 的地位，美国占比约为中国的3倍。发表论文数前十名的研究机构分别是中国科学院、FORD、HITACHI、德克萨斯大学奥斯汀分校（美）、庆尚国立大学（韩）、NGK、CHLORIDE、太平洋西北国家实验室（美）、东京电力、犹他大学（美）。从表11世界范围内机构专利发表数统计结果发现，NGK insulators、HITACHI、上海电气钠硫储能技术有限公司占据前三，与TOKYO ELECTRIC POWER、工业科学技术研究所（韩）、MITSUBISHI、YUASA、NGK SPARK PLUG、POSCO（韩）、GENERAL ELECTRIC依次位于前十。日本在钠硫电池的专利方面占比超过43.374%（仅计算入围前10的6家公司）。从表12钠硫电池专利分析角度，钠硫电池专利主要集中在其高温设计方面（54.389%）、外壳的温控装置。

表10 钠硫电池SCI文章发表数国家排序和机构排序

表11 钠硫电池专利发表数专利权人名称排序

表12 钠硫电池专利技术分类排序

2.5 液流电池（“flow-battery”或“vanadium redox flow-battery”）

液流电池适合做大规模长时间储能，可以在太阳能和风能等清洁能源发电过程中作为储能装置，同时也在电力调峰、加强电网的稳定性和安全性、提高电力质量等方面表现优异。目前液流电池的研究热点主要在离子交换膜、双极板、电极材料及结构、电解液的组成和浓度等方面。

从图9科技论文发表和引用数统计结果看出，液流电池近几年的文献发表量一直为300篇左右，引文数为9000次以上，受关注程度较高。从1998—2010年阶段看，论文发表和引用数也呈现稳步增长的趋势，2011年出现跳跃式发展。根据表13，从世界范围角度分析，关于液流电池的科技论文发表数前5名分别为中、美、韩、德、英国。科技论文发表数排名前10的研究机构中，中国科学院、太平洋西北国家实验室（美）、中南大学位列前3，其余依 次为南安普顿大学（英）、清华大学、新南威尔士大学、麻省理工学院、田纳西大学、香港科技大学、中国科学院大学。从表14专利分析结果知，KANSAI DENRYOKU关西电力（日）、SUMITOMO ELECTRIC住友电器（日）、中国科学院大连化学物理研究所盘踞前三，其余依次为大连融科、中国东方电子、LG Chem（韩）、乐天化学（韩）、联合技术公司、韩国能源研究所。我国在液流电池技术开发方面，中国科学院大连化学物理研究所在世界范围内示范规模最大，目前在开发更高功率的电堆技术，从而进一步降低成本。世界上液流电池生产企业主要包括：日本的住友电工公司、大连融科储能技术发展有限公司、美国UNIENERGY TECHNOLOGIES公司和奥地利GILDEMEISTER公司。从表15的专利技术分类排序统计上看，液流电池的专利主要集中在液流电池结构设计、压力控制装置、催化电极材料等。

表13 液流电池SCI文章发表数国家排序和机构排序

表14 液流电池专利发表数专利权人名称排序

表15 液流电池专利技术分类排序

2.6 超级电容器（“super-capacito”或“supercapacitor”or“ultracapacitor”）

具有高倍率、长寿命、能量转换效率高、功率密度高等特性的超级电容器作为理想的储能器件已研究50多年，从图10科技论文发表数上看，2007年以前一直处于比较低的发展水平，相关论文发表数较少，在2011年后出现了高速迅猛的发展，2016年科技论文发表数达到了这些年的顶峰，约3000篇。现阶段的超级电容器的研究方向主要在高比容电极材料、性能稳定电解液、器件制备技术、系统集成配套技术等方面。根据表16，中国在世界范围的科技论文发表数上位列首位，为美国的3倍多，说明我国在2011—2016年间对超级电容器的研究热度和开发力度比较大。整体而言，日本在超级电容器上的文章发表数目并不多，前3名分别为中国、美国、韩国。世界机构科技论文发表数排名统计前十名依次是中国科学院、南洋理工大学、清华大学、复旦大学、印度理工学院、华中科技大学、重庆大学、新加坡国立大学、西瓦吉大学（印）、浙江大学，其中中国在研究机构前10名中占据6位（表16）。

从表17专利发表数统计结果可知，前10名分别为深圳海洋王照明科技、中国电网、宁波中车新能源、山东精工电子科技、复旦大学、东华大学、清华大学、浙江大学、SAMSUNG ELECTRO- MECHANICS，中国企业在世界前10中占9席，表明我国在超级电容器领域处于世界领先水平，与上文分析的中国关于超级电容器的科技论文发表数占据世界范围的首位的结论相互照应。表18为超级电容器专利技术分类前十名排序，结果表明超级电容器专利主要集中在充放电的装置、材料新结构、新材料的研发。目前超级电容器向着高能量密度的混合电容、锂离子电容器、柔性电容器方向发展。近年来，中车、集星、奥威、亿纬等企业也已推出一系列先进超级电容器产品，其中中车将超级电容器应用在有轨电车上并已成功出口。

表16 超级电容器SCI文章发表数国家排序和机构排序

表17 超级电容器专利发表数专利权人名称排序

表18 超级电容器专利技术分类排序

2.7 固态电池（“solid-state battery”）

随着各种电池作为移动终端储能设备的广泛应用，人们对能量密度和倍率性能等要求越来越高，电池安全性问题也日益突出。特别是公共交通和通讯终端中的电池在使用时，如果出现热失控、短路、胀气、漏液等问题，对人的生命和财产安全构成很大的威胁。基于全固态电池具备的高安全、长寿命、高能量密度、低成本等优势，近几年全固态电池作为新型储能技术已经引起国内外的广泛关注，研究热点主要在电极材料与固态电解质的表界面问题、复杂体系中的输运机制、新电极材料和电池结构的设计等方面[5]。

从固态电池的SCI文献发表统计上看，其发展趋势处于逐步上升的阶段，2010年前缓慢增长，此后呈现爆发式迅猛增长的趋势，获得国内外研究人员和企业的广泛关注。2016年的科技论文发表高达1000篇，引文达35000次以上（图11）。我国关于固态电池科技论文发表数约为美国的2倍，占据世界首位，美、日紧随其后。世界范围内发表论文的研究机构排名前十的分别是中国科学院、中南大学、大阪府立大学、复旦大学、清华大学、京都大学、全南国立大学（韩）、阿贡国家实验室（美）、国立首尔大学（韩）、东北大学（日）（表19）。从表20专利发表数统计结果上看，固态电池的专利排名前十主要是以丰田为首的一批日本企业，分别是TOYOTA JIDOSHA、MURATA、PANASONIC、HITACHI、TOYOTA MOTOR、IDEMITSU、NGK、FUJI FILM、MITSUBISHI、SAMSUNG ELECTRONICS（2008年MATSUSHITA更名为PANASONIC）。这体现了日本企业对储能电池安全性的注重和固态电池专业链的重视。从技术上看，日本在固态电池的开发方面历时20余年，从未中断，目前处于世界领先水平。从表21可知固态电解质专利主要集中在开发新型固态电解质材料。在众多的科技论文统计中，关于固态电解质的研究文章为3006篇，界面问题的研究文章为622篇。

表19 固态电池SCI文章发表数国家排序和机构排序

表20 固态电池专利发表数专利权人名称排序

表21 固态电池专利技术分类排序

2.8 空气电池（“air-battery”或“metal- air-battery”）

空气电池作为理论能量密度最高的化学储能器件拥有低成本、高安全性等优势，同时存在自放电率大、放电功率低、副反应复杂等问题，目前空气电池的循环寿命、倍率性能、能量效率、安全性方面与实际应用存在较大的差异。主要的研究方向包括氧还原和氧析出催化剂研发、充放电产物和副反应探索、空气电池电极设计、充放电制度影响因素探究、电解质和负极材料在充放电过程中的稳定性研究等。

从图12空气电池科技论文的发表和引文数统计结果分析，从1998年到2009年，空气电池方向的科技论文发表数处于较低水平，一直少于100篇。2010年后呈跳跃式增长趋势。表22对科技论文的发表数以国家和机构排序，在世界范围内，中国在核心科技论文发表数位居首位，美、韩紧随其后，其中，中国的科技论文数约为韩国的3倍。世界范围内论文发表数排名前10的机构分别是中国科学院、阿贡国家实验室（美）、中国科学院大学、麻省理工学院（美）、国家先进工业科学和技术研究所（日）、滑铁卢大学（加）、汉阳大学（韩）、南开大学、复旦大学、中南大学，其中中国研究机构占据五席。从表23专利统计结果角度看，世界范围内排名前十，TOYOTA、SAMSUNG ELECTRONICS、PANASONIC（2008年MATSUSHITA更名为PANASONIC）、TOSHIBA、中国科学院大连化学物理研究所、BOSCH、EFL、SONY。日、韩在专利方面拥有数较中、美多，这说明日、韩掌握比较多的空气电池方面的应用技术，而中、美在空气电池的基础科研方面比较领先。从表24对专利类别分析可得，空气电池的专利主要集中在金属电极、电池结构设计、新型催化剂、碳电极等方向。目前国内空气电池广泛商业化的条件不成熟，在储能领域的实际应用存在一定距离。

表22 空气电池SCI文章发表数国家排序和机构排序

表23 空气电池专利发表数专利权人名称排序

续表23

表24 空气电池专利技术分类排序

2.9 镍氢电池（“NI-MH battery”或“nickel-metal hydride battery”）

镍氢电池具有功率响应快、低温性能好、安全环保等优势，曾广泛应用在消费电子领域，大容量的镍氢电池常被使用在混合动力车中。近年来通过技术努力，循环性达到3000次以上，在规模储能领域具有一定的应用。从图13统计结果而言，镍氢电池一直处于不温不火的波动发展趋势，但是引文数还是呈现逐年增加的趋势。

根据表25论文发表数国家排序和机构排序可知，中国发表量占据首位，约为美国的2倍，在论文发表数排名前10的机构中，浙江大学、中国科学院、燕山大学、南开大学、北京理工大学、河南理工大学占据前10名中6位，其余分别为韩国先进科学技术研究所、大阪府立大学、法国国家科学研究院、OVON BATTERY。从表26专利分析结果知，PANASONIC占据首位，其后依次是SAMSUNG、BOSCH、LG、TOYOTA、SANYO、SK（韩）、GM（2008年MATSUSHITA更名为PANASONIC）。表27为镍氢电池专利技术分类分析，结果表明其专利主要集中在电池充放电装置、电池检测装置和电池保护装置等方向。

表25 镍氢电池SCI文章发表数国家排序和机构排序

表26 镍氢电池专利发表数专利权人名称排序

表27 镍氢电池专利技术分类排序

2.10 铅酸电池（“lead-acid battery”）

铅酸电池历经150多年的发展，已成为比较成熟商业化的电池，具有低成本、安全、化学稳定等特点，在二次电池全球市场中占一半以上，中国是全世界铅酸电池最大生产国，目前在规模储能、分布式电网、通讯基站、UPS等领域应用广泛。

从图14科技论文发表数的统计结果可以看出，近几年发表的SCI文章数均在200篇以上，但从2016年后论文发表总数有下降现象。根据表28结果可知，美国在铅酸电池方面的科技论文发表数量排名第一，是第二名中国的约2倍；论文发表数机构排序方面，排名前10的分别是保加利亚科学院、联邦科学与工业研究组织（澳）、德国亚琛工业大学、印度科技学院、江森自控（美）、哈尔滨工业大学、中央电化学研究所（印）、华中科技大学、华南师范大学、爱达荷大学（美），中国科研机构占三席。从表29专利角度分析，河南超威动力、GS YUASA（日）、SHIN-KOBE ELECTRIC MACHINERY（日）占据前三，其余依次为PANASONIC、JAPAN STORAGE BATTERY、FURUKAWA、江苏理士电池有限公司（2008年MATSUSHITA更名为PANASONIC）。从表30对专利技术分析得出铅酸电池的专利主要集中在电池结构的设计、充放电的装置、维护与监控装置等方向。近几年的铅酸电池的研究出现了很多新技术，特别是铅碳电池，浅充放电循环寿命达到了5000次。但是由于铅酸电池受到环保的制约，且能量密度低，其价格优势也逐渐被其它储能技术挑战。

表28 铅酸电池SCI文章发表数国家排序和机构排序

表29 铅酸电池专利发表数专利权人名称排序

表30 铅酸电池专利技术分类排序

2.11 液态金属电池（“liquid-metal battery”）

液态金属电池是基于液态金属电解池原理设计，由美国阿贡国家实验室提出。因具有高的离子迁移率、大电流稳定性、高安全性和长使用寿命等优势，液态金属电池在规模储能上得到了广泛应用。目前液态金属电池的研究方向主要是设计全液态电池、降低操作温度、开发新材料、提高电池电压及高温密封性和耐腐蚀性等。从图15科技论文发表数统计结果分析，液态金属电池由于研究门槛较高，一直处于相对较低的研究热度。

根据表31，世界范围内，美国的科技论文的发表数占据首位，研究机构的排序中，麻省理工大学占据第一。我国的清华大学、中国科学院、华中科技大学、西安交通大学位列前十，其它国外机构入围前十为HELMHOLTZ ZENTRUM DRESDEN ROSSENDORF、密歇根大学（美）、宾夕法尼亚州立大学（美）、肯塔基大学（美）、罗切斯特大学（美）。根据表32，从专利角度看，专利发表数前十名依次为AMBRI、中国西安交通大学、中国科学院理化技术研究所、华中科技大学、麻省理工学院、SEARETE、TANIGAWA、BRADWELL、CELLTECH POWER。日本和韩国在该领域的成果并不明显。从表33对专利类型分析可知液态金属电池的专利主要集中在新型液态合金、温控装置、充放电控制装置等方向。

表31 液态金属电池SCI文章发表数国家排序和机构排序

续表31

表32 液态金属电池专利发表数专利权人名称排序

2.12 抽水蓄能（“pumped-storage”）

抽水蓄能一直是全球储能技术的主要部分，也是我国主要的储能技术。2000—2015年累计装机量统计中，全球抽水蓄能为142.1 GW，占比98%；我国抽水蓄能为22.7 GW，占比99.5%。（数据来源CNESA项目库，2016）。抽水蓄能是电力系统中最可靠、最经济、最长寿命、大容量的大型储能装置，我国虽起步较晚，但是目前已经处于世界领先水平。从1998—2011年的科技论文发表和引用数量统计上看，抽水蓄能一直处于平稳的水平，2011年后出现了快速达到一个较高的水平（图16）。从表34科技论文发表数统计结果分析，中国科技论文发表数约为美国的1.5倍，位居首位，其余依次为美国、德国、日本、瑞士、英国、印度、伊朗、西班牙、希腊。机构发表论文数排名前十分别为华北电力大学、清华大学、河海大学（中）、武汉大学、雅典国立科技大学（希腊）、萨格勒布大学（克罗地亚）、哈扎工程公司（英）、BROWN BOVERI CO（瑞士）、德国亚琛工业大学。

从表35和表36专利统计角度分析，中国国家电网、国网新源控股公司、HITACHI、TOSHIBA、关西电力公司（日）、国家电网电力科学研究院、华东桐柏抽水蓄能发电有限责任公司、哈尔滨电机股份有限公司、河南国网宝泉抽水蓄能有限公司、MITSUBISHI ELECTRIC。这说明我国在抽水蓄能方面取得了一定的研究成果。抽水蓄能专利主要集中在抽水电站和机组、发电机的设计、电力存储系统等。

表34 抽水蓄能SCI文章发表数国家排序和机构排序

表35 抽水蓄能专利发表数专利权人名称排序

表36 抽水蓄能专利技术分类排序

2.13 压缩空气储能（“compressed air energy storage”或“CAES”）

区别于抽水蓄能，压缩空气储能不会局限于地理因素，且同时具备大容量、长寿命、低成本、高安全等优点，在清洁可再生能源并网、电网调峰调频、电力系统稳定性等方面表现突出，非常适合大规模储能。从图17中1998—2016年科技论文发表数统计结果看出压缩空气储能的研究热度一直处于不温不火的水平，引用量处于逐年增长中。从表37得出，在世界范围内，美国论文发表数为中国的2倍以上，占据世界首位，紧随其后的依次为中、巴西、德、加拿大、英国、意大利、瑞士、日本、韩国等。科技论文发表数排名前10的机构分别为中国科学院、明尼苏达大学（美）、圣保罗大学（巴西）、圣玛丽亚联邦大学（巴西）、洛桑联邦理工学院（瑞士）、里约热内卢联邦大学（巴西）、西安交通大学、清华大学、波鸿鲁尔大学（德）、华威大学（英）。我国在前10中占据三席。表38专利发表数排名前十的机构分别为LIGHT SAIL ENERGY（美）、中国科学院工程热物理研究所、SUSTAINX、华北电力大学、ALSTONE、GENERAL ELECTRIC、BOSCH、GEN COMPRESSION等。从表39专利类型分析中可以得出，压缩空气储能的专利主要是在贮气装置、发电机组等方向。

2.14 飞轮（“flywheel”）

飞轮相比其它形式的储能技术而言，具有长寿命、高能量密度、不限充放电次数、安装方便等优点，在航空航天、电力电网调频调峰、UPS等领域得到广泛应用。从图18科技论文发表数和引用数统计情况分析，飞轮储能的论文发表数一直处于较低的水平，而引文数一直处于增长的趋势。表40论文数统计中，美国、中国、日本分别占据前3，韩、英、德紧随其后。机构排名前10中，美国国家航空航天局占据首位，韩国电子电力研究院、阿贡国家实验室、铁道技术研究院（日）、德克萨斯大学、哈尔滨工业大学、德克萨斯A&M大学、东京工业大学、忠南国立大学（韩）、南洋理工大学（新加坡）位列其后。从表41专利数统计结果发现前10名主要为SCHAEFFLER（德）、韩国电力公司、LUK LAMELLE所拥有。我国在飞轮技术储能方面的研究积累并不多，因而成就并不显著。从表42对专利分类分析可知飞轮储能的专利主要集中在飞轮设计、飞轮轴承、储能系统等方向。

表37 压缩空气储能SCI文章发表数国家排序和机构排序

表38 压缩空气储能专利发表数专利权人名称排序

表39 压缩空气储能专利技术分类排序

表40 飞轮SCI文章发表数国家排序和机构排序

表41 飞轮专利发表数专利权人名称排序

表42 飞轮储能专利技术分类排序

2.15 超导磁储能（“superconducting magnetic”）

超导磁储能在电力系统中的应用是1969年由FERRIER提出，具有高电流密度、高效率、高响应速度、高转换效率、长寿命、维护简易、清洁无污染等特点，但存在门槛高、设备维修贵等问题。从图19科技论文发表数统计结果分析，超导磁储能的研究一直处于低热度，而引文数处于持续增长的趋势，这与超导磁储能研究门槛高有一定关系。世界范围内，日本、中国、美国分别占据前三位。华中科技大学、中国科学院、韩国电子技术研究院、中部电力有限公司（日）、九州工业大学（日）、铁道技术研究院（日）、电子科技大学、东京工业大学、昌原国立大学（韩）、国际超导技术中心（日）是论文发表数排名前十的机构，其中日本在超导磁储存领域的研发处于世界领先。从表44专利数统计结果分析，超导磁储能专利主要为TOSHIBA、HITACHI、FUJIKURA等日企所拥有，我国拥有数量较小。从表45对专利分类分析可知，超导磁储存的专利主要在超导体或超导线圈、储能系统、温控系统等领域。我国中国科学院电工研究所很早开始了超导磁体方面的研究，清华大学已研制150 kVA的低温超导磁体储能系统。

综合上述统计，我们对中、美、日、韩在各储能前沿技术领域的核心科技论文发表数量结果进行统计分析，可知锂离子电池、超级电容器的研究最为活跃，钠硫电池与液态金属的储能技术比较冷门，我国在锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池、超级电容器、固态电池、空气电池、镍氢电池、抽水蓄能、超导磁储存等储能技术领域相对其它国家，具有较大的优势（图20）。图21我国在各储能技术领域的核心科技论文发表数统计结果反映了我国在众多的储能技术中，对锂离子电池、超级电容器、钠离子电池、固态电池等领域的科研热度较高，是主要的科研投入。

表43 超导磁储能SCI文章发表数国家排序和机构排序

表44 超导磁储能专利发表数专利权人名称排序

表45 超导磁储存专利技术分类排序

世界范围内，从2013—2016年各储能技术SCI发表数统计结果来看，锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池、液流电池、超级电容器、固态电池、空气电池、抽水蓄能等处于增长趋势，而钠硫电池、镍氢电池、液流电池等处于波动趋势（图22）。从整体上看，锂离子电池、超级电容器、钠离子电池等仍为较高的研究热点。

图23为世界范围内各储能技术科技论文数与专利数统计图，核心科技论文发表数量前3名分别为锂离子电池、超级电容器、钠离子电池，这与图21我国储能技术发展热度高的技术领域相符；专利发表数量前3名分别为锂离子电池、飞轮、超级电容器。从整体雷达图分布可以看出铅酸电池、压缩空气储能、飞轮等技术领域专利发表数量要高于核心科技论文的发表，这与每种技术发展成熟度不同有关系。以日本在各先进储能技术的专利发表数量分布情况分析（图24），锂离子电池以69%占据首位，充分说明日本十分重视锂离子电池作为优质的先进储能技术，其次是铅酸电池、固态电池、钠硫电池。值得注意的是日本在锂硫电池、超级电容器、液态金属电池、压缩空气储能、飞轮等方面的专利拥有数较少。

4 总结与展望

先进储能技术是可再生能源集成并网、大规模储能、大型电网调峰调频等领域十分重要的支撑技术。经本文的统计概览，发现2010年始到2016年终这一阶段的各个储能技术基础研发均得到高速的发展。从基础研发的角度分析，锂离子电池、锂硫电池、钠离子电池、液流电池、超级电容器、固态电池、空气电池、抽水蓄能基础研发速度增长迅猛，相比而言，钠硫电池、镍氢电池、液流电池研发比较平缓；从技术开发的角度分析，锂离子电池、飞轮、超级电容器、压缩空气储能、铅酸电池等技术成果累积比较丰盛，而锂硫电池、钠离子电池、钠硫电池、液态金属电池、空气电池等技术成果累积相对单薄。各种储能技术的发展阶段和技术成熟度略有差异，这些差异将体现在储能技术的应用上。

在先进储能技术的基础研究和技术开发的过程中，各国之间的合作与竞争息息相关。我国在基础研究中表现的十分活跃，多项储能技术核心科技论文发表数位于前列，特别是在锂离子电池、超级电容器、固态电池、钠离子电池等领域；而在技术开发应用中的表现相对逊色，专利拥有数和专利完整度方面不完善。日本在锂离子电池、铅酸电池、固态电池、钠硫电池等技术领域拥有比较完整的专利产业链。

我国是储能技术研发最活跃国家之一，也是储能技术应用的主要消费市场。从本文概览分析可知我国在先进储能技术上与国际上还存在一定差距，但在技术开发与应用方面表现突出，希望未来我国能掌握成熟的储能技术并实现储能技术的合理 应用。

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Overview of research papers and patents on energy storage technologies

WANG Shuo1, ZHOU Ge2, YU Xiqian2, LI Hong2

(1Yunnan University, Kunming 650500, Yunnan, China; Institute of Physics,2Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China)

This article reviews different energy storage technologies. A statistical analysis is performed, on the basis of the information in the web of science, on the research papers and patents including publication year, originating countries/areas and institutions of the authors. The statistical analysis provides an indication of the development trend of the energy storage technologies. It is shown that, among all the energy storage technologies considered, fundamental studies on lithium ion batteries, supercapacitor, sodium ion batteries, flywheel, superconducting magnetic energy storage and solid state batteries are most actively studied, whereas the technology development of lithium ion batteries, flywheel, supercapacitors, compressed air energy storage, and lead-acid batteries are also very active.

energy storage;patent; sci-tech articles; statistics

10.12028/j.issn.2095-4239.2017.0023

TM 911；C 812

A

2095-4239（2017）04-810-29

2017-03-10；

2017-05-12。

国家自然科学基金（52315206，51502334）项目，国家重点研发计划“新能源汽车”专项（2016YFB0100100，2016YFB0100500）。

王朔（1991—），男，硕士研究生，研究方向为锂离子电池失效分析，E-mail：wangshuoynu@163.com；

李泓，研究员，研究方向为锂离子电池、固态电池、失效分析，E-mail：hli@iphy.ac.cn。