儲(chǔ)能技術(shù)是實(shí)現(xiàn)可再生能源高效利用的關(guān)鍵。相比傳統(tǒng)的儲(chǔ)能技術(shù)，移動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)具有低成本和高能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)點(diǎn)，可靈活地應(yīng)用于諸多場(chǎng)景。本文概述了新興的可移動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)（包括可充電電池、燃料電池、電化學(xué)超電容和介電電容器）的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，重點(diǎn)介紹了相關(guān)應(yīng)用的關(guān)鍵材料、策略和技術(shù)的創(chuàng)新，并展望了未來的發(fā)展方向，旨在推動(dòng)移動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，助力實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)。
能源是人類文明進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力。在過去的一個(gè)世紀(jì)中，傳統(tǒng)化石能源的消耗急劇增長，這不僅引起了傳統(tǒng)化石能源的危機(jī)，同時(shí)也導(dǎo)致了大量溫室氣體排放，從而引起極端天氣頻發(fā)。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，全球許多國家和地區(qū)提出了實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)，大力發(fā)展和使用可再生能源迫在眉睫（圖2A）。然而，受晝夜交替、季節(jié)變化、地域差異等因素影響，可再生能源具有間歇性和和地域分布不均的特點(diǎn)（圖2B），導(dǎo)致電力供應(yīng)不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。因此，通過儲(chǔ)能技術(shù)存儲(chǔ)多余能源并在時(shí)空重新分配后再利用是高效利用可再生能源的關(guān)鍵。
迄今為止，研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種能源儲(chǔ)存技術(shù)，包括抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪、電池、燃料電池、電化學(xué)電容器、傳統(tǒng)電容器等（圖2C）。其中，抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能目前在全球儲(chǔ)能中占主導(dǎo)地位，但其存在地域限制、成本巨大、能量轉(zhuǎn)換效率低、不可運(yùn)輸以及對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重等缺點(diǎn)。飛輪和超導(dǎo)磁能儲(chǔ)能具有高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，但存在超導(dǎo)材料成本高、能量密度低以及建立后難以移動(dòng)等缺點(diǎn)。與這些儲(chǔ)能技術(shù)相比，基于電化學(xué)和電介質(zhì)儲(chǔ)能技術(shù)等的設(shè)備具有可移動(dòng)性、低成本和高能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢(shì)，可以靈活布置，覆蓋從微型（植入式和便攜式設(shè)備）到大型系統(tǒng)（電動(dòng)汽車甚至電力網(wǎng)系統(tǒng)）以及從高能量密度到高功率密度的廣泛范圍（圖2D）。例如，可充電電池具有高能量轉(zhuǎn)換效率、高能量密度和長循環(huán)壽命，在便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車甚至與電網(wǎng)連接的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。燃料電池，尤其是氫燃料電池，作為一種清潔能源，具有更高的能量密度，可為離網(wǎng)設(shè)備提供自主電源，如行駛里程長且需要快速補(bǔ)充燃料的車輛。電容器以其高功率密度和快速充放電能力而聞名，適用于需要快速釋放能量和高功率輸出的場(chǎng)景，如輔助啟動(dòng)系統(tǒng)、能量回收的電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、電網(wǎng)電力緩沖和微型電子設(shè)備等。其中，電介質(zhì)電容器，具有更高功率密度，在醫(yī)療設(shè)備和電磁武器等脈沖功率設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。
就此而言，上述的可移動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)該在工業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮更重要的作用，盡管它們大多數(shù)仍然存在挑戰(zhàn)或技術(shù)瓶頸。在此，我們概述了這些新興儲(chǔ)能技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，重點(diǎn)介紹了相關(guān)應(yīng)用的關(guān)鍵材料、策略和技術(shù)的創(chuàng)新，最后，展望了未來的發(fā)展方向，希望這篇簡短的綜述能夠?qū)Υ祟愐苿?dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有所幫助。
總結(jié)與展望
上述的可移動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)覆蓋了從微型到大型系統(tǒng)以及從高能量密度到高功率密度的廣泛范圍，為滿足各種復(fù)雜場(chǎng)景的能源需求，將工作在不同頻率范圍、不同容量的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行梯次配置是在現(xiàn)有功率電路平臺(tái)上高效工作的一種有效可行的解決方案。以電動(dòng)汽車為例，高功率密度的電化學(xué)電容或介電電容器可用于瞬間啟動(dòng)設(shè)備或?yàn)榭焖偌铀偬峁﹦?dòng)力；而高能量密度的燃料電池或電化學(xué)電池可以提供穩(wěn)定的續(xù)航能力。此外，通過梯級(jí)配置儲(chǔ)能技術(shù)，系統(tǒng)能夠利用能源回收設(shè)備在幾秒鐘內(nèi)從突然制動(dòng)中回收能量并高效存儲(chǔ)。以上泛在儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展亟需化學(xué)、材料科學(xué)、工程科學(xué)、應(yīng)用物理等跨學(xué)科領(lǐng)域的交叉合作，其在工程應(yīng)用方面的協(xié)同技術(shù)突破有望迫近儲(chǔ)能器件的物理極限，促進(jìn)碳中和。
能源是人類文明進(jìn)步的驅(qū)動(dòng)力。在過去的一個(gè)世紀(jì)中，傳統(tǒng)化石能源的消耗急劇增長，這不僅引起了傳統(tǒng)化石能源的危機(jī)，同時(shí)也導(dǎo)致了大量溫室氣體排放，從而引起極端天氣頻發(fā)。為應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，全球許多國家和地區(qū)提出了實(shí)現(xiàn)“碳中和”的目標(biāo)，大力發(fā)展和使用可再生能源迫在眉睫（圖2A）。然而，受晝夜交替、季節(jié)變化、地域差異等因素影響，可再生能源具有間歇性和和地域分布不均的特點(diǎn)（圖2B），導(dǎo)致電力供應(yīng)不連續(xù)、不穩(wěn)定、不可控，嚴(yán)重影響電網(wǎng)的安全穩(wěn)定。因此，通過儲(chǔ)能技術(shù)存儲(chǔ)多余能源并在時(shí)空重新分配后再利用是高效利用可再生能源的關(guān)鍵。
迄今為止，研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種能源儲(chǔ)存技術(shù)，包括抽水蓄能、壓縮空氣、飛輪、電池、燃料電池、電化學(xué)電容器、傳統(tǒng)電容器等（圖2C）。其中，抽水蓄能和壓縮空氣儲(chǔ)能目前在全球儲(chǔ)能中占主導(dǎo)地位，但其存在地域限制、成本巨大、能量轉(zhuǎn)換效率低、不可運(yùn)輸以及對(duì)生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重等缺點(diǎn)。飛輪和超導(dǎo)磁能儲(chǔ)能具有高功率密度的優(yōu)點(diǎn)，但存在超導(dǎo)材料成本高、能量密度低以及建立后難以移動(dòng)等缺點(diǎn)。與這些儲(chǔ)能技術(shù)相比，基于電化學(xué)和電介質(zhì)儲(chǔ)能技術(shù)等的設(shè)備具有可移動(dòng)性、低成本和高能量轉(zhuǎn)換效率的優(yōu)勢(shì)，可以靈活布置，覆蓋從微型（植入式和便攜式設(shè)備）到大型系統(tǒng)（電動(dòng)汽車甚至電力網(wǎng)系統(tǒng)）以及從高能量密度到高功率密度的廣泛范圍（圖2D）。例如，可充電電池具有高能量轉(zhuǎn)換效率、高能量密度和長循環(huán)壽命，在便攜式電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車甚至與電網(wǎng)連接的能源儲(chǔ)存系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。燃料電池，尤其是氫燃料電池，作為一種清潔能源，具有更高的能量密度，可為離網(wǎng)設(shè)備提供自主電源，如行駛里程長且需要快速補(bǔ)充燃料的車輛。電容器以其高功率密度和快速充放電能力而聞名，適用于需要快速釋放能量和高功率輸出的場(chǎng)景，如輔助啟動(dòng)系統(tǒng)、能量回收的電動(dòng)制動(dòng)系統(tǒng)、混合動(dòng)力電動(dòng)汽車、電網(wǎng)電力緩沖和微型電子設(shè)備等。其中，電介質(zhì)電容器，具有更高功率密度，在醫(yī)療設(shè)備和電磁武器等脈沖功率設(shè)備中具有廣闊的應(yīng)用前景。
就此而言，上述的可移動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)該在工業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮更重要的作用，盡管它們大多數(shù)仍然存在挑戰(zhàn)或技術(shù)瓶頸。在此，我們概述了這些新興儲(chǔ)能技術(shù)的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，重點(diǎn)介紹了相關(guān)應(yīng)用的關(guān)鍵材料、策略和技術(shù)的創(chuàng)新，最后，展望了未來的發(fā)展方向，希望這篇簡短的綜述能夠?qū)Υ祟愐苿?dòng)儲(chǔ)能技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展和碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)有所幫助。
總結(jié)與展望
上述的可移動(dòng)儲(chǔ)能技術(shù)覆蓋了從微型到大型系統(tǒng)以及從高能量密度到高功率密度的廣泛范圍，為滿足各種復(fù)雜場(chǎng)景的能源需求，將工作在不同頻率范圍、不同容量的儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)行梯次配置是在現(xiàn)有功率電路平臺(tái)上高效工作的一種有效可行的解決方案。以電動(dòng)汽車為例，高功率密度的電化學(xué)電容或介電電容器可用于瞬間啟動(dòng)設(shè)備或?yàn)榭焖偌铀偬峁﹦?dòng)力；而高能量密度的燃料電池或電化學(xué)電池可以提供穩(wěn)定的續(xù)航能力。此外，通過梯級(jí)配置儲(chǔ)能技術(shù)，系統(tǒng)能夠利用能源回收設(shè)備在幾秒鐘內(nèi)從突然制動(dòng)中回收能量并高效存儲(chǔ)。以上泛在儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展亟需化學(xué)、材料科學(xué)、工程科學(xué)、應(yīng)用物理等跨學(xué)科領(lǐng)域的交叉合作，其在工程應(yīng)用方面的協(xié)同技術(shù)突破有望迫近儲(chǔ)能器件的物理極限，促進(jìn)碳中和。
