面向新质生产力的前沿科技展望：新能源-2024-05-新能源

面向新质生产力的前沿科技展望：新能源能源转型历程与中国新能源革命供给制约较多、绿色低碳转型任务艰巨等一系列挑战。而为、乘势而上，以更大力度推动我国新能源高质量发展，为中国式现代化建设提供安全可靠的能源保障，为共建清洁美丽的世界作出更大贡献。面向新质生产力的前沿科技展望：新能源◆新能源前沿基础技术◆新能源系统集成技术电动汽车(全固态电池、全自动驾驶)车网互动(以车网互动为核心、房车能路云)绿色氢能(零碳能源系统)新型储能(前面三个的集成：氢能、电池、车网互动)◆新能源革命前景展望能量密度AWh·kg能量密度AWh·kg高比能电池□2022-2025年：高镍三元等正极，石墨和硅碳负极，发展新型电解液和添加剂，实现车规级单体350Wh/kg的目标□2025-2030年：高镍三元、富锂正极和高硅、金属锂负极，液态电解质或固态电解质(二者其一或二者都行),实现车规级400Wh/kg的目标口2030-2035年：高镍三元和富锂锰正极、锂金属负极和固态电解质、金属/空气及锂硫材料体系的Wh/kg的目标低成本电池口磷酸铁锂、镍锰酸锂、磷酸锰铁锂及其与三元掺混口低成本钠离子电池、Zn/Al电池和其他金属空气电池体系等4●国内第一例电动汽车火灾发生后成立电池安全实验室；●2015年率先提出关注三元电池电动客车安全，促成工信部开展安全评估和暂停部分电池装车；●为制定国家动力电池热蔓延法规提供技术支撑，保护乘员安全。热失控测试与表征加速绝热量材料合成与表征基于模型的电池设计小型电池试制线电池热分析聚态喷阀测试系统2011年以来，与全球企业和研究机构开展动力电池安全技术研发与产业化，知识产权转移及横向项目金额超过1亿元◆2011年以来，发表电池安全SCl论文超过300篇，他引22906次，ESI高被引36篇，4位全球高被引科学家◆2022年10月，应邀成为国家储能电站安全监控平台专家委员会主任单位，国防特种装备电池安全测试与咨询单位；-=鑫凳…H定到mhwthoutIntenalShonCreut2022年度(全球唯一)IEEETransportationTechnologiesAwardMinggaoOuyangJouleDJhuleJouleDReductivegasmanpuReductivegasmanputhermallaleMirgaingThermaRunavayofUthim-lonBalleries8二瓶不当充电电池热失控过程电池安全技术瓶不当充电电池热失控过程电池安全技术热失控诱因电鹅主动安全与智能电池■应用*模型机理动力产品开发数学建模特性分析机理研究刚久热失控发生热失控蔓延reptTapeTnpeTest0otime.800sSutace-FrontSurtacetnnerSutace-BackAcnAAcnAt0x+001400t0x+001400athode—Cel1—Cel2—Cel3—Cel4—Cel5被动安全管理：电池系统先进热管理设计——发明了电池系统分模式量化建模技术◆不同模式采用特定的物理方程，全面建立电池系统热失控蔓延模型◆以特征温度f(T1,T2,T3)查表来简化产热运算，模型计算效率提升近20倍·系统烟气流动仿真：仿真结果So/utionTime5.842(s)SolutionTime5.SolutionTime5.842(s)9主动安全监控：研发电池领域首个面向电池时序数据的大规模预训练模型PERB1.0PERB1.0基于50GWh数据训练，参数量达1亿PERB1.0明Z#创以updateee.ManEneodaDacserEmeedtdngSampledVeciwKNeelrputDatathcadert=bsddngSempletVecsrKNulseUpdateParametersの领先综合故障识别率误差率最长预警时间健康状态评估误差率早期寿命预测误差率20000+充电桩200MWh+储能20000+充电桩200MWh+储能直接覆盖超过2000种电池类型，实现大规模、多类型电池全周期安全运维和智能服务，已在全国大规模推广应用全国30+城市实现业务落地80万辆新能源汽车80万辆新能源汽车器三-A些!#e电池服务规模数据量电池检测次数电池安全预警次数反反应I:负极与电解液反应生成还原性气体e反应VI:反应正极氧和电解液反应产热触发反应VI:反应正极氧和电解液反应产热触发于斤NatureCom.202NatureCom.202反应反应X:正负极气体之间的串扰反应Joule20183反应W:正负极固体物质之间的交换Joule2018■高比能锂电池传统液态锂离子电池充电正极电解液隔膜负极碰离子溶剂化结构全固态电池正极因态电解质膜负极………阴离子框架稳态锂离子亚稳态锤离子主要性能性能提升原因潜在应用优势高安全性采用无机不可燃电解质热稳定性好简化系统安全防护设计减少电池系统布局约束高能量密度可以采用双极板结构兼容金属锂等高容量正负极提升电池模组能量密度最大可提升2倍并有可能降低制造成本高功率特性固态电解质的离子跳跃输运机制，离子电导率和锂离子迁移数高提升快充性能匹配电动汽车需求好的温度适应性-30~100~C宽温域内，固态电解质不凝固不气化简化冷却机构拓宽电动汽车应用场景材料选型范围广电压窗口宽耐高电压稳定性好减少界面副反应拓宽正负极材料选型范围降低原料成本及资源紧缺风险参考资料：富士经济报告《2020次世代電池関速技術·市場の全貌》里物/v格压针利内短路里物/v格压针利内短路过热关键材料固态电解质：空气稳负极：体积膨胀大，库伦效率低电极/电解质界面Cxn,ceMu-Cs,P格失度复合电极/u数控破裂电芯性能倍率增加循环收■高比能锂电池高性能全固态电池容量350Wh/kg能量密度2025400Wh/kg热箱温度宽温域工作20282028600Wh/kg■2024年1月21日，欧阳明高院士牵头，多名院士专家，多家领军企业、知名高校、研究机构，以动力系统发动机电动力系统发动机电堆膜电极剥洋葱模式◆牵头2008北京奥运燃料电池客车示范和2022年北京冬奥会氢能示范.■IHIHHIHIHIHHIH◆自主研发燃料电池发动机，功率覆盖30kW-240kW,零部件国产化率达100%,成果受到总书记检阅。II>催化剂、载体多孔结构设计>三相界面调控>多堆一致性>催化剂、载体多孔结构设计>三相界面调控>多堆一致性>面内一致性调控策略>操作条件实时调整>水热管理>健康度管理◆燃料电池科技攻关重点——性能衰减解决方案膜电极及关键材料膜电极及关键材料燃料电池电堆燃料电池系统燃料电池系统◆高石墨化提升载体稳◆介孔空间限域提升铂纳米颗粒稳定性◆大幅面高速热质均匀传输流场设计与加工◆电堆高一致性装配与密封技术◆基于柔性传感技术的水热状态观测方法，开发自适应水热管理技术，保持电堆水平衡。预测电堆剩余寿命，实时向系统发送操作条件需求，实现长时间尺度健康管理膜电极OCV测试单电池加速因子制定电堆5万圈◆燃料电池科技攻关重点——全生命周期智能管理UndetheOameWnderthelnd基于代理模型快速迭代寻找最优设计参数极板加工与密封工艺自动寻优高一致性电堆装配工艺自动寻优n一雷画*基于先进传感技术高精度解耦极化过程打造“会说话的电堆”2.Databas2基于机器学习的非线性寿命预测实时辨识电堆SOH并制定维护方案◆推进氢能燃料电池领域国际合作国际氢能燃料电池协会InternationalHydrogen第一届会员大会暨第一届理事会一次会议2022年6月30日，由中国汽车工程学会、佛吉亚集团、中石化、上汽集团、现代汽车、丰田汽车及英美资源集团等共同参与发起成立的国际氢能燃料电池协会第一届会员大会暨第一届理事会一次会议，在北京成功召开，欧阳明高当选首届理事长。国际氢能燃料电池协会FuelCellAssociation协会会员情况第一届会员大会暨第一届理事会一次会议G=HONDABOSCHGarrettBALARDQ=rNr力RB*Mwmn力RB*vsss光伏电池技术发展历程单晶硅电池效率提升到了14%了第一颗太阳能供电卫星——先锋一号验室制造出了世界JanCzochralski提出光量子假说造了第一个有效的硒太阳能电池1873:英国工程1839:法国物光伏效应辆太阳能载2023:阿卜杜拉国王科技大学突破钙钛矿/晶硅叠层电池0-赵PmPlei*m0-赵-n==*汽*-室发明世界上第一研制出世界上第一块薄块非晶硅太阳能电膜电池室发明世界上第一研制出世界上第一块薄块非晶硅太阳能电膜电池(Cu₂S/CdS),池，效率2.4%效率10%研制出p-a-Si:H/i-a能声油效20.01985:澳大利亚新南威尔士大学第一次将晶硅电池效率提升至20%华大学第一次将光伏发电应用在用有机金属卤化物钙|钛矿研制出钙钛矿电池，效率3.8%用有机金属卤化物钙|钛矿研制出钙钛矿电池，效率3.8%矿品硅叠层电池效率达到29.1%电池效率提升2022:我国隆基绿2022:太阳能电能突破硅异质结电池效率达到47.6%池效率世界纪录，(多结太阳能电矿太阳能电池效率达到26.1%达到26.81%池，聚光条件)下下◆光伏电池技术变革路线图淘汰技术当前技术发展技术HJT+TOPCon:13%第一次第一次技术变革技术变革→HJT电池三代技术一代技术技术技术e未来技术目前最高效率33.9%理论效率>40%TBC电池HPBC电池2010201520212023何法矿顶电满供低矿质电池品底电池何法矿顶电满供低矿质电池品底电池号试矿顶电也Wavelength(nm)电子传输层钝化/阻挡层电子传输层钝化/阻挡层钙钛矿层互联层晶硅底电池]◆带隙匹配◆电流匹配◆界面复合售级矿顶电明常见叠层电池构型缺陷钝化缺陷--为载流子复合提供位点未配位离子缺陷--为载流子复合提供位点未配位离子反位缺陷空位缺陷暗属斯酸硫钝化离子迁移聚合物添加剂离子迁移物建供化，场体化等等结晶动力学调控AX+BX₂→ABX,制备路线与互联层优化光学与制备路线与互联层优化光学与能优异同类卤素同类卤素离子聚合导电应力改善导电应力拉伸应力与压覆火应力料镜应力拉伸应力与压41022600光伏叠层电池41022600欧阳明高团队鄂尔多斯新能源研究院钙钛矿/晶硅叠层光伏电池实验室种m种mmam20.60m²mam20.60m²2000m²明手mrimcm手284.81m²63185南—004—2磁控演射南—004—2磁控演射—2400—-2423—2400—(包含面向硅钙叠层电池的多条工艺路线：兼容不同面积的溶液法、物理气相沉积法)重m*sm1.衬底UV清洗设备2.TCO-NiOx磁控溅射一体机3.C60蒸镀设备4.叠层湿法钙钛矿狭缝涂布设备5.叠层湿法钙钛矿退火设备6.C60蒸镀设备7.钙钛矿蒸镀设备8.SnOx原子层沉积系统9.银电极蒸镀设备10.双工位手套箱11.测试设备通8ALD2024.02确定相关设备和工艺流程持续进行文献阅速与梳现交流学习试制叠层电池样品，转换效率超过硅基水平2024.06~08钙钛矿实验室交付和调试与设备商企业合作，熟悉叠层工艺单重面向新质生产力的前沿科技展望：新能源◆新能源前沿基础技术◆新能源系统集成技术电动汽车(全固态电池、全自动驾驶)车网互动(以车网互动为核心、房车能路云)绿色氢能(零碳能源系统)新型储能(前面三个的集成：氢能、电池、车网互动)◆新能源革命前景展望Fuelcell控氢能燃料电池汽车电池系统+电机系统+电机系统+新能源汽车动力系统(2001~2021):清华面向2030年，全固态电池、轮毂电机、滑板底盘均将在电动乘用车产业化滑板底盘电机控制器原理图模组模组加热功能峰值功率电机重量峰值转矩(15s)21.6kg29.85kg850Nm700Nm转矩密度转矩密度39.4Nm/kg23.5Nm/kg◆高槽极数电磁方案◆8层内定子波绕组工艺◆高极对数Halbach阵列转子◆A样机转矩密度超过业内最前沿电机，面向量产迭代中电动底盘系统集成电动底盘系统集成清华-异科能源超充系统研发及示范极速补能是未来趋势，自主研发了下一代480kW三大核心亮点功能，已开始在全国规模化落地。智能超充系统，具备“无析锂快充、冬季脉冲加热、配储自增容”---●吉林长春智能超充站(450kW)河北张家口冬奥会智能超充示范(360kW)北京北汽蓝谷智能超充站(450kW)四川宜宾智能制造基地(筹建)规划产能3.6GW湖北武汉壳牌充电站商用超充(360kW)800V>350干瓦5分钟充200公里脉冲加热每分钟数换电机构换电电池换电机构换电电池总成重量：2.54t换电底座：0.33t能量密度：136Wh/kg总成重量：2.45t0.26t+0.055t(水冷机)总成重量：1.25t能量密度：160Wh/kg云：大数据云控平台算力算法较弱，实现基础保护令算法云端协调，自适应边缘计算，冗余安全保护算力超强，生命周期云端管理)量)量广义车网互动概念·V1G:单向有序充电，仅改变汽车充电时间/速率(例如中午吸收多余太阳能，负载平衡);实现V2G的前提是电动车在停止运行时要通过双向充电桩与电网联接，如果用换电模式，车载电池的储能功能难以发挥V1G(单向有序充电)V2L(VehicletoLoad)负载紧急供电V2eV2G(NehicletoGrid)配电网V²vVehicletoVehicle)V2HV2XV2H(VehicletoHomeV2HV2X家庭备用电源V2BV2B(VehicletoBuilding)楼宇供电N2me楼宇供电V2mG(Vehicletomicrogrid)局域微网供电”智慧能源与车网互动技术应用场景协同(农村地区典型场景)低压配电网低压配电网电机组和可再生能源单元>④V2mG(DC):直流微网系统，集群后可参与V2G配电网>⑤快充站配电网>⑥换电站V2GG换电站⑤智慧楼宇V2G中压配电变电站低压配电变电站AC快充站分布式发电单元③V2B停车场V2mGV2GV2mC◆车网互动智慧能源软件平台技术负荷监测预测平台：设备的状态监测预测与安全预警传感数据融合A与Al预测能源交易与市场服务平台：价格机制设计影响设备的可调度状态负荷聚合与虚拟电厂平台：可调设备在一定范围的集总管理设备间的能量流动管理形成虚拟电厂，连接输配电系统可调的能量聚合价格机制，影响设备和虚拟电厂的状态能信息平台层通讯和网关层功率/能量设备层光伏+储能+车网互动+智慧能源场站/园区示范工程@天津：零碳@天津：零碳V2G场站示范打造新一代低碳场站智慧能源管理解决方案1AI优化降本增效全周期多能协调17年17年IRR由5.84%提升至9.11%@义乌：智慧低工业碳园区@义乌：智慧低工业碳园区V2mG项目示范性低碳建筑园区智慧能源管理解决方案光伏+储能+V2G,多能互补行业微网群去中心式绿电交易示范项目它=需@福田供电局，大规模车辆入网、绿色交通先行示范项目可调负荷接入虚拟电厂，收益约3.5元/度电一、住房城乡建设部科技创新平台(工程技术创新中心)1创新平台名称依托单位首席专家住房城乡建设部质量评定工程技术创新中心建研院检测中心有限公司(牵头单位)、中国建筑科学研究院有限公司、深圳市房屋安全和工程质量检测鉴定中心、北京科技大学、北京工业大学、哈尔滨工业大学、河北省建筑科学研究院有限公司、广西壮族自治区建筑科学研究设计院、中冶检测认证有限公司张仁瑜2住房城乡建设部智慧低碳建筑工程技术创新中心深圳清华大学研究院(牵头单位)、住房和城乡建设部料技与产业化发展中心、深圳市建设科技促进中心、深圳市龙岗区住房和建设局、中建科工集团有限公司、中建科技集团有限公司、深圳供电局有限公司、华润置地控股有限公司深圳能源集团股份有限公司欧阳明高3住房城乡建设部智能建造工程技术创新中心中建工程产业技术研究院有限公司(牵头单位)、住房和城乡建设部科技与产业化发展中心、东南大学、哈尔滨工业大学、三一筑工科技股份有限公司、北京构力科技有限公司、广联达科技股份有限公司、苏州柯利达装饰股份有限公司邱奎宁4住房城乡建设部生态与园林工程技术创新中心中国城市建设研究院有限公司(牵头单位)、住房和城乡建设部科技与产业化发展中心、北京林业大学、北京环丁环保大数据研究院、蒙草生态环境(集团)股份有限公司、芷兰生态环境建设有限公司5住房城乡建设部燃气工程技术创新中心同济大学(牵头单位)、上海市燃气管理事务中心、华润燃气控股有限公司，上海燃气有限公司、中国市政工程华北设计研究总院有限公司秦朝葵DcAcAcDcAcAc&2直连/离网2&2直连/离网2PEMEC高压气氢高压气氢液氢物理吸附液氨储存箱式货车船 氢发电面向近中远期应用，清华团队面开展三种电解水制氢研发与产业化(AEC\PEMEC\SOEC)固体氧化物电解质子交换膜电解(PEMEC)碱性电解(AEC)清华-海德团队研发的电解水制氢系统——氢舟海德氢安全科技原准化插片式电堆数字化云平台氢舟”制氢系统搭载云帆“单片及电堆首创标准化可拓展带压电解单片技术首创插片式带压电堆技术首创单片电压检测cvM融合状态预测技术首创制氢系统在线软件升级OTA首创制氢系统单片12小时内现场升级首创制氢模块气体纯度实时检测与控制技术首创无线智能氢泄漏传感技术首创绿电制氢大系统控制方案负载(用户侧)L负载(用户侧)L水散热器压缩机膨胀阀冷凝思佛热管理品效热索系统用户侧热水(相对)一冷水(相对)—高温冷醒纸温冷煤碱性电解制氢系统加氢站m运氢车/描限4料电液系院电网(备用)通间2电能清华团队开发分布式氢储能系统：光伏+制氢+燃料电池热电联供氢能热电联供发电站FielCalStptereyPonePent发电·最历EmdencyEmdency"1%第三代第四代离子溶剂膜√实验室阶段聚合物第一代第二代第三代第四代石棉/聚苯硫醚织物隔膜多孔隔膜阴/阳离子交换膜离子溶剂膜通道尺寸：100μm-500nm150nm5nm<1nm运行条件厚度盘金属催化剂多孔隔膜不需要聚砜熊够纯水运行能否差压发展状态发展潜力√成熟商业广品实验室阶段中 有利于电网的调度风电光伏集中式发电跟踪能力火电厂发电分布式小型光伏/风光互补发电发电侧频率稳定频率稳定ZP→①调频(有功功率)②调压(无功功率)③调峰通信机房、数据中心V2G居民V2G③应急供电④V2G电网稳定支撑通过新能源技术的系统整合满足储能需求磕第三次非安院求安据建大院集中项有康内表出金AROaNRC*T*五大单项新能源核心技术一、向可再生能源转型(尤其是光伏与风电);三、氢气，电池等储能(存储间歇式能源);四大集成式智慧能源系统三大主流电力灵活性技术清华大学电池安全实验室清华大学电池安全实验室1.PEMFC/PEMEC2.SOFC/SOEC3.碱性电解与氢储能清华-丰田燃料电池联合研究中心