馬紫峰，賀益君，陳建峰

（1 上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，上海 200240；2 北京化工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，北京 100029）

1 發(fā)展新能源是實(shí)現(xiàn)“碳中和”的必由之路

為實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)發(fā)展中能源、資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，在2015 年的《巴黎協(xié)定》中提出在21世紀(jì)中葉實(shí)現(xiàn)全球碳中和。2020年9月22日，中國政府在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)上莊嚴(yán)承諾：中國的二氧化碳排放力爭于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國煤炭資源利用量全球第一、CO2排放總量全球第一、石油進(jìn)口量全球第一、天然氣進(jìn)口量全球第一，為保障我國能源資源的有效安全供給，并在未來短短四十年內(nèi)實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，必須進(jìn)行能源供給側(cè)改革、實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、提升效率、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)和經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，逐步建立健全綠色低碳循環(huán)發(fā)展的經(jīng)濟(jì)體系。大力開發(fā)利用可再生能源資源，發(fā)展新能源技術(shù)是其有效途徑之一。

新能源是指區(qū)別于石油、天然氣、煤炭和核能等傳統(tǒng)一次能源的可再生能源，按照我國《可再生能源法》定義，可再生能源包括風(fēng)能、太陽能、水能、生物質(zhì)能、地?zé)崮?、海洋能等非化石資源?？稍偕茉促Y源的轉(zhuǎn)換利用基本途徑如圖1所示，可以看出，可再生能源通常轉(zhuǎn)換為電能、熱能或者燃料供給終端用戶使用。由于風(fēng)能、太陽能等可再生能源發(fā)電的間歇性和不穩(wěn)定性，儲(chǔ)能系統(tǒng)在新能源高效利用過程中具有重要的地位，氫能作為重要能源載體，可實(shí)現(xiàn)可再生能源制氫（綠氫），降低化石資源轉(zhuǎn)換制氫。生物燃料是生物質(zhì)資源利用的重要環(huán)節(jié)。

圖1 可再生能源轉(zhuǎn)換利用的基本途徑

氫能作為一種清潔能源載體，既可通過化石燃料轉(zhuǎn)換獲取，也可利用可再生能源轉(zhuǎn)換，如電解水制氫和生物質(zhì)轉(zhuǎn)換制氫。燃料電池是氫能轉(zhuǎn)換利用的重要裝備，發(fā)展高效率、低成本的燃料電池是實(shí)現(xiàn)氫能燃料電池應(yīng)用的關(guān)鍵。利用H2與CO2反應(yīng)生產(chǎn)甲醇等燃料或化學(xué)品，可為實(shí)現(xiàn)碳減排、碳中和提供一條有效途徑。

化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)科是在化石資源開發(fā)與轉(zhuǎn)換利用過程中形成的工程科學(xué)，在新能源轉(zhuǎn)換和利用中依然發(fā)揮著重要的作用，不斷豐富、拓展與升華化工學(xué)科的內(nèi)涵。為加速可再生能源利用，促進(jìn)新能源化工學(xué)科發(fā)展，讓新能源化工技術(shù)為我國“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)做出應(yīng)有貢獻(xiàn)，本文通過新能源轉(zhuǎn)換、電化學(xué)儲(chǔ)能及其系統(tǒng)應(yīng)用、新能源系統(tǒng)集成和應(yīng)用的理論探討、案例分析形式，簡述新能源轉(zhuǎn)換與利用中的相關(guān)化工科學(xué)問題，旨在拋磚引玉，推動(dòng)化工、材料、人工智能和新能源交叉融合。

2 新能源化工技術(shù)的理論基礎(chǔ)

新能源化工是研究可再生能源轉(zhuǎn)換、存儲(chǔ)和應(yīng)用中涉及的“三傳一反”以及相關(guān)化學(xué)工程科學(xué)問題的新興學(xué)科。新能源化工技術(shù)是連接新能源化學(xué)與新能源應(yīng)用工程的橋梁（圖2），其目的是實(shí)現(xiàn)可再生能源資源高效率、經(jīng)濟(jì)性和系統(tǒng)性地大規(guī)模應(yīng)用。新能源化工技術(shù)研究涉及電化學(xué)工程、光化學(xué)工程、生物化學(xué)工程、分子化學(xué)工程、系統(tǒng)工程和人工智能學(xué)等化工基礎(chǔ)及其交叉科學(xué)問題。

圖2 新能源化工技術(shù)：連接新能源化學(xué)與新能源應(yīng)用工程的橋梁

電化學(xué)反應(yīng)是指電場作用下發(fā)生的氧化與還原反應(yīng)，涵蓋動(dòng)力電池、燃料電池、水電解制氫、氯堿工業(yè)、無機(jī)電合成、有機(jī)電合成、電化學(xué)冶金、電化學(xué)加工等電化學(xué)技術(shù)。電化學(xué)工程是研究將實(shí)驗(yàn)室的電化學(xué)反應(yīng)放大到工業(yè)生產(chǎn)規(guī)模過程中需要深入闡明的傳質(zhì)、傳熱、傳荷與電化學(xué)反應(yīng)之間的內(nèi)在關(guān)系[2]，其中電化學(xué)反應(yīng)器、電流分布與效率、能量綜合與集成、過程節(jié)能與優(yōu)化是電化學(xué)工程研究中需考量的重要指標(biāo)。以電化學(xué)能源材料、器件及系統(tǒng)集成為標(biāo)志的“電化學(xué)能源工程”已成為化工技術(shù)創(chuàng)新的前沿領(lǐng)域[3]。

近年來，如何利用取之不盡用之不竭的太陽能，解決人類社會(huì)不斷增長的能源需要，發(fā)展高效率太陽能轉(zhuǎn)化與化學(xué)品合成技術(shù)已成為物理、化學(xué)、生物和材料諸多學(xué)科研究的熱點(diǎn)[4]。光化學(xué)工程是從工程角度探索光化學(xué)反應(yīng)工程、光催化反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)、光生物化學(xué)工程、光能源化學(xué)工程等化工基礎(chǔ)問題，其中光催化分解水制氫、光催化CO2還原、太陽燃料合成、太陽能聚熱及其熱化學(xué)循環(huán)反應(yīng)等光化學(xué)反應(yīng)過程中的傳熱、傳質(zhì)、波長效應(yīng)、光吸收速率等工程特性研究，是光化學(xué)工程研究的重點(diǎn)領(lǐng)域。

生物能源是僅次于煤炭、石油和天然氣而居于世界能源消費(fèi)總量第4位的能源，是指利用生物可再生原料及太陽能生產(chǎn)的能源，包括生物質(zhì)能生物液體燃料及利用生物質(zhì)生產(chǎn)的能源，如生物乙醇、生物柴油、生物質(zhì)氣化及液化燃料、生物制氫等[5]。目前，作為我國重點(diǎn)培育和發(fā)展的戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，生物乙醇工業(yè)的生產(chǎn)效率偏低，生產(chǎn)成本偏高。為實(shí)現(xiàn)生物乙醇經(jīng)濟(jì)性生產(chǎn)，必須加強(qiáng)生物化工技術(shù)創(chuàng)新，并以大數(shù)據(jù)、數(shù)字孿生和區(qū)塊鏈等新技術(shù)為支撐，推進(jìn)生物燃料乙醇產(chǎn)業(yè)的智能化、安全化發(fā)展新模式[6]。

分子化學(xué)工程是應(yīng)用分子科學(xué)和分子工程的方法研究化學(xué)工程學(xué)的規(guī)律，旨在工業(yè)容器尺度（反應(yīng)器/分離器）上，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)分子尺度上的化學(xué)變化與物理過程的精準(zhǔn)可控。分子化學(xué)工程以量子化學(xué)為基礎(chǔ)，從微觀（原子和分子）上揭示化學(xué)工程學(xué)的本質(zhì)及其內(nèi)在聯(lián)系的規(guī)律，是從分子到工廠的橋梁。通過分子化學(xué)工程的深入研究，化學(xué)品合成和新材料的發(fā)現(xiàn)與制造模式將會(huì)發(fā)生重大改變，也就是利用計(jì)算機(jī)和理論計(jì)算對(duì)材料結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行預(yù)測，在實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)分子的可控制備，利用分子化學(xué)工程理論實(shí)現(xiàn)工廠的無級(jí)放大[7]。

可再生能源資源的開發(fā)利用是一個(gè)多目標(biāo)復(fù)雜系統(tǒng)工程，涉及物理、化學(xué)化工、材料、電力電子、人工智能和自動(dòng)控制等學(xué)科。新能源利用效率、安全與成本的約束及其相關(guān)綜合能源系統(tǒng)復(fù)雜性，對(duì)優(yōu)化新能源技術(shù)體系，調(diào)控不同應(yīng)用場景的新能源系統(tǒng)運(yùn)行帶來很大挑戰(zhàn)。人工智能賦能流程制造業(yè)和新能源產(chǎn)業(yè)，可提升各種應(yīng)用場景的新能源利用效率和經(jīng)濟(jì)性[8-9]。運(yùn)用化工系統(tǒng)工程知識(shí)，建立精準(zhǔn)的新能源系統(tǒng)模型，開展基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的綜合能源管理優(yōu)化研究，對(duì)于提高新能源資源利用效率和經(jīng)濟(jì)性具有重要意義。

3 可再生能源資源轉(zhuǎn)換過程的化工問題

由于可再生能源種類繁多，新能源轉(zhuǎn)換方式和技術(shù)特點(diǎn)各異。太陽能發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、水電解制氫、生物質(zhì)制氫、燃料電池發(fā)電、光電化學(xué)反應(yīng)、CO2資源化利用等過程均涉及眾多化工基礎(chǔ)問題。這里僅以可再生能源制氫、燃料電池發(fā)電與化學(xué)品共生、太陽能轉(zhuǎn)換過程簡述之。

3.1 可再生能源制氫過程

可再生能源制氫包括水電解制氫和生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制氫兩大類。水電解制氫的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)氫過程不產(chǎn)生CO 或CO2。目前，水電解制氫過程能耗偏高，每生產(chǎn)1 標(biāo)準(zhǔn)立方米（標(biāo)方）H2需耗電4～5kWh，單套電解槽產(chǎn)氫氣量最高僅為1000m3/h。2021 年3月，我國寶豐能源公司采用單臺(tái)產(chǎn)能1000標(biāo)方/h的高效堿性電解槽，建成了產(chǎn)氫1×104標(biāo)方/h 的太陽能發(fā)電-水電解制氫綜合示范項(xiàng)目[10]。相對(duì)化石能源制氫（俗稱“灰氫”），水電解制氫成本主要取決于電力供應(yīng)價(jià)格。水電解制氫的研究熱點(diǎn)是高活性析氫/析氧電極材料研發(fā)，在電流密度一定的情況下降低電極過電勢。開發(fā)單臺(tái)產(chǎn)氫量更大、電流效率更高的電解槽是電化學(xué)工程研究的重要挑戰(zhàn)，也是“綠氫”產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。

生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制氫包括基于生物質(zhì)汽化和重整的熱化學(xué)轉(zhuǎn)化法[11]，基于光合成與發(fā)酵的生物轉(zhuǎn)化法[12]。生物轉(zhuǎn)化法的關(guān)鍵為：一是產(chǎn)氫酶的研究；二是將固氮酶和氫化酶催化轉(zhuǎn)化制氫過程集成；三是將低溫質(zhì)子交換膜電解池與微生物電解池結(jié)合，構(gòu)建復(fù)合型低溫（<100℃）電化學(xué)生物質(zhì)轉(zhuǎn)化制氫。

3.2 燃料電池發(fā)電與化學(xué)品共生過程

燃料電池自1839 年格羅夫（Grove）發(fā)明至今已有180余年歷史，相較于1859年普蘭特（Plante）發(fā)明的鉛酸電池，燃料電池的實(shí)用化進(jìn)程異常緩慢。究其原因是燃料電池的系統(tǒng)能效、技術(shù)經(jīng)濟(jì)性、操作便利性和氫氣供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的復(fù)雜性制約其推廣和大規(guī)模應(yīng)用。作為燃料電池電催化反應(yīng)的核心，由陽極/電解質(zhì)/陰極構(gòu)建的膜電極（MEA）是關(guān)鍵[13]。創(chuàng)制高活性、高穩(wěn)定性電催化劑，研制高性能電解質(zhì)膜，揭示不同工作溫度條件下燃料電池中多相流體的流動(dòng)行為與電化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，是提升燃料電池系統(tǒng)綜合能源效率、降低系統(tǒng)成本的必由之路。天津大學(xué)焦魁等[14]認(rèn)為，今后燃料電池MEA 中氣體擴(kuò)散層和微孔層的發(fā)展應(yīng)側(cè)重于優(yōu)化跨尺度和跨組件傳輸，在結(jié)構(gòu)和潤濕性控制方面應(yīng)與其他組件兼容，同時(shí)還對(duì)燃料電池系統(tǒng)水和熱管理、MEA材料及其組件改進(jìn)提出新想法。

從本質(zhì)上講，燃料電池屬于一類復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)器，按質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）工作原理，當(dāng)燃料（氫氣、CO 等）在陽極側(cè)電氧化轉(zhuǎn)換成電能的同時(shí)，陰極側(cè)的氧氣則與質(zhì)子反應(yīng)生成化學(xué)品（如水、CO2等）。基于此原理，馬紫峰等[15]于21 世紀(jì)初就提出燃料電池發(fā)電過程與化學(xué)品共生設(shè)想，并采用PEMFC 反應(yīng)器，成功實(shí)現(xiàn)了硝基苯加氫制環(huán)己胺與電能共生。近年來，利用固體氧化物燃料電池（SOFC）和PEMFC進(jìn)行化學(xué)品與電能共生的研究不斷增加[16]，采用固體氧化物電解池（SOEC）進(jìn)行CO2加氫反應(yīng)就是該原理的延伸與應(yīng)用。但是，要實(shí)現(xiàn)燃料電池發(fā)電與化學(xué)品共生過程的商業(yè)化，需選擇合適的目標(biāo)產(chǎn)物，深入研究燃料電池反應(yīng)器“電生”反應(yīng)熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)，針對(duì)有經(jīng)濟(jì)價(jià)值的化學(xué)品開展相應(yīng)的電催化劑研究，而燃料電池反應(yīng)器的工作溫度對(duì)于其能量轉(zhuǎn)換效率和化學(xué)品合成收率至關(guān)重要。

3.3 太陽能轉(zhuǎn)換過程之化工問題

太陽能轉(zhuǎn)換涵蓋自然光合作用、光催化、光電催化、光熱轉(zhuǎn)換和太陽能電池等，在光催化、光電催化、光熱轉(zhuǎn)換等轉(zhuǎn)換過程中，光化學(xué)反應(yīng)器設(shè)計(jì)和光熱轉(zhuǎn)換儲(chǔ)熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)均涉及光化學(xué)工程和傳熱傳質(zhì)等問題。太陽能電池中的晶體硅、功能薄膜、鈣鈦礦型材料合成與工程化以及光電轉(zhuǎn)換器件加工過程都需要解決相關(guān)化工技術(shù)問題。

李燦[4]致力于太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)化研究多年，于2020 年建成全球首個(gè)千噸級(jí)“液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目”。該項(xiàng)目將太陽能發(fā)電與水電解制氫過程耦合生產(chǎn)“綠氫”、再將CO2加氫轉(zhuǎn)化為“綠色”甲醇，為可再生能源到綠色液體燃料甲醇的生產(chǎn)提供一條新途徑。模擬自然光合作用，實(shí)現(xiàn)人工光合成與生物固氮反應(yīng)，發(fā)展生物能源是生物化學(xué)工程學(xué)科的前沿領(lǐng)域。

4 電化學(xué)儲(chǔ)能材料與器件制造過程工程特性

隨著可再生能源資源利用占比的不斷提升，儲(chǔ)能系統(tǒng)的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。儲(chǔ)能工程已成為化工學(xué)科重要分支。儲(chǔ)能技術(shù)分為物理儲(chǔ)能和化學(xué)儲(chǔ)能兩大類，電化學(xué)儲(chǔ)能是近年來儲(chǔ)能技術(shù)最活躍的研究領(lǐng)域。本節(jié)以鋰/鈉離子電池設(shè)計(jì)制造過程為例，敘述電化學(xué)儲(chǔ)能材料和器件制造過程中的過程工程特性。

4.1 多元過渡金屬氧化物正極材料制備過程

在鋰離子電池正極材料體系中，以層狀結(jié)構(gòu)LiNixCoyMn1-x-yO2（NCM）和LiNixCoyAl1-x-yO2（NCA）為代表的三元材料已得到廣泛應(yīng)用，目前正處于低鎳向高鎳的轉(zhuǎn)化期，繼續(xù)向更高精尖、高性能方向發(fā)展[13]。鈉離子電池是近年來快速發(fā)展的新一代儲(chǔ)能電池，通過電極與電解質(zhì)工程化開發(fā)證明，以層狀結(jié)構(gòu)NaFexM1-xO2（NFM）為正極材料的鈉離子電池展現(xiàn)出優(yōu)異的性能[17]。對(duì)于鋰/鈉離子電池應(yīng)用的層狀結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物正極材料，其多元過渡金屬氫氧化物前體的合成工藝與裝備對(duì)材料結(jié)構(gòu)與性能影響很大。目前，多元過渡金屬氫氧化物前體的工業(yè)化制備方法為共沉淀法。為提高微納米材料晶體生長效率，以超重力反應(yīng)[18]、微流控、膜分散反應(yīng)器或微通道反應(yīng)[19]為代表的微尺度過程強(qiáng)化技術(shù)正在逐步引入前體制備。圖3為各種不同微納米前體制備裝置或原理示意圖。

圖3 共沉淀法生產(chǎn)前體中試線（a）、旋轉(zhuǎn)填充床（b）和膜分散反應(yīng)器結(jié)構(gòu)分散機(jī)制（c）

以共沉淀法制備NCM/NCA/NFM 前體工藝為例，為精確制備不同過渡金屬（Ni、Co、Mn、Al、Fe、Ti、Cu、V和Cr等）元素配比和粒徑分布的沉淀物，首先需要篩選合適的過渡金屬化合物、沉淀劑和絡(luò)合劑，控制共沉淀過程的反應(yīng)溫度、pH、投料速度、黏度以及陳化時(shí)間等操作參數(shù)；其次是研究沉淀反應(yīng)和陳化過程中流體流動(dòng)形態(tài)對(duì)晶體生長過程的影響，指導(dǎo)沉淀反應(yīng)和陳化過程設(shè)備的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)。

高溫?zé)崽幚硎卿?鈉離子電池電極材料制備過程重要環(huán)節(jié)。鋰鹽或者鈉鹽與前體等混合后通過高溫焙燒和保溫過程，發(fā)生高溫固相反應(yīng)生成所需要的目標(biāo)產(chǎn)物。例如，以Fe、FePO4、Li3PO4?H2O 為起始原料，通過高能機(jī)械球磨（反應(yīng)粉碎）與高溫?zé)崽幚斫Y(jié)合，可實(shí)現(xiàn)磷酸鐵鋰（LFP）的原子經(jīng)濟(jì)性合成[20]。最近，馬紫峰等[21]利用同步輻射加速器光源，采用原位X 射線衍射（XRD）技術(shù)研究了NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2正極材料燒結(jié)過程中結(jié)構(gòu)演變規(guī)律，為材料熱處理工藝參數(shù)優(yōu)化提供了理論依據(jù)。圖4為前體與Na2CO3混合物升溫過程結(jié)構(gòu)相變及其工業(yè)化熱處理裝置。

圖4 前體與碳酸鈉混合物燒結(jié)過程結(jié)構(gòu)相變（a）及其高溫?zé)崽幚碓O(shè)備（b）

4.2 電極構(gòu)筑及其制造過程工程特性

電極構(gòu)筑是二次電池和燃料電池實(shí)現(xiàn)電化學(xué)能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)的核心。對(duì)于燃料電池反應(yīng)器，氫氣、甲醇等燃料在陽極發(fā)生電催化氧化反應(yīng)，氧氣在陰極發(fā)生還原反應(yīng)，其多孔電極中活性物（如Pt/C、PtRu/C、FeN/C 等）分布的均勻性、電極孔結(jié)構(gòu)和導(dǎo)電特性均與電催化活性息息相關(guān)。對(duì)于鋰/鈉離子電池，層狀結(jié)構(gòu)過渡金屬氧化物（如NCM、NCA 和NFM 等）以及橄欖石型結(jié)構(gòu)LFP 等電極活性物，與導(dǎo)電碳和黏接劑混合后構(gòu)筑成復(fù)合電極，其結(jié)構(gòu)與電極/電解液界面?zhèn)鬏斝阅苡兄芮嘘P(guān)系。如何構(gòu)筑高性能電極成為電化學(xué)能源器件制造中的關(guān)鍵點(diǎn)。

電極的構(gòu)筑不僅僅停留在設(shè)計(jì)上，更重要的是如何實(shí)現(xiàn)一致性好的規(guī)?；苽?。以動(dòng)力鋰電池的電極制備為例，針對(duì)NCM、NCA 和LFP 等不同結(jié)構(gòu)的正極活性物，其電極漿料的組成設(shè)計(jì)各異，LFP由于導(dǎo)電性較差，電極漿料配方中會(huì)添加較多的導(dǎo)電劑，碳納米管已經(jīng)成為標(biāo)配的導(dǎo)電添加劑。電極漿料和電極涂布過程屬于典型的化工單元操作。例如，電極漿料采用攪拌式反應(yīng)釜制備，如何提供高速剪切力使固體粉料與溶劑、黏接劑和導(dǎo)電劑充分混合并形成流變性好、活性物分散均勻的電極漿料，攪拌式反應(yīng)釜的攪拌槳結(jié)構(gòu)、混合溫度和攪拌速度控制是關(guān)鍵[22]。電極涂布采用隧道干燥器連續(xù)拉伸涂布，電極漿料通過擠壓或者轉(zhuǎn)移涂布方式均勻涂覆在鋁箔或銅箔表面，在干燥室內(nèi)連續(xù)運(yùn)動(dòng)過程中使溶劑揮發(fā)并回收利用。

4.3 刀片電池設(shè)計(jì)啟示及電池安全性

刀片電池是比亞迪開發(fā)的新穎動(dòng)力鋰電池，以大容量、高安全性著稱。與傳統(tǒng)動(dòng)力電池相比，刀片電池的外形尺寸有著顯著差別[如圖5(a)]，刀片電池狹長，長度435～2500mm，而厚度只有13.5mm，這樣的結(jié)構(gòu)可大幅提高電池體積利用率和能量密度，改善電池散熱性能，電池系統(tǒng)的安全性顯著提高。

刀片電池不是材料體系創(chuàng)新，而是電池設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和加工工藝革新。刀片電池設(shè)計(jì)是基于電極/電解質(zhì)界面荷電傳輸及電池產(chǎn)熱和傳熱機(jī)制研究，利用計(jì)算機(jī)仿真模擬對(duì)電池結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。為提高電芯容量，有人采用外形帶有散熱翅片的塑殼電池[圖5(b)]，其單體容量可超過200Ah，但能量密度偏低。刀片電池的出現(xiàn)為動(dòng)力電池改良設(shè)計(jì)打開新的視角。

圖5 刀片電池與普通動(dòng)力鋰電池結(jié)構(gòu)比較

5 新能源系統(tǒng)集成與應(yīng)用

以電能為核心，在源端整合太陽能、風(fēng)能、生物質(zhì)、氫能、燃料電池和儲(chǔ)能系統(tǒng)，在終端實(shí)現(xiàn)冷、熱、電聯(lián)供的綜合能源系統(tǒng)（integrated energy system,IES）已成為全球新能源開發(fā)的熱點(diǎn)。從新能源轉(zhuǎn)換與儲(chǔ)存器件到系統(tǒng)集成，過程建模、仿真與優(yōu)化等化工系統(tǒng)工程技術(shù)得到新的應(yīng)用，人工智能、5G 等互聯(lián)網(wǎng)與信息技術(shù)在以新能源為核心的IES中將發(fā)揮重要作用。下面以電池狀態(tài)預(yù)測、綜合能源系統(tǒng)管理和光-儲(chǔ)-充系統(tǒng)集成應(yīng)用為例簡述。

5.1 電池狀態(tài)預(yù)測模型構(gòu)建

為提高動(dòng)力與儲(chǔ)能電池應(yīng)用系統(tǒng)效率和安全性，實(shí)現(xiàn)智能控制和安全運(yùn)行，精確預(yù)測電池的荷電狀態(tài)（SOC）、健康狀態(tài)（SOH）和功率狀態(tài)（SOP）等狀態(tài)參數(shù)至關(guān)重要。針對(duì)鋰/鈉離子電池充電特征曲線和交流阻抗特性，馬紫峰等[23]運(yùn)用化工系統(tǒng)工程方法，開展了電池管理系統(tǒng)（BMS）設(shè)計(jì)理論研究。首先，通過鋰離子電池電極反應(yīng)動(dòng)力學(xué)及充電特征曲線分析，提出了基于高精度模型的電池狀態(tài)估計(jì)方法框架。然后，基于電池老化機(jī)理分析，提出多種容量衰減趨勢自適應(yīng)解耦策略，建立了具備參數(shù)在線更新功能的多尺度高斯回歸耦合模型。最后，以美國宇航局（NASA）愛姆斯中心的標(biāo)準(zhǔn)鋰電池?cái)?shù)據(jù)對(duì)該模型有效性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明，所開發(fā)的SOH 預(yù)測模型精度達(dá)到97%，比國際先進(jìn)指標(biāo)提高約5%。

針對(duì)電池SOC 動(dòng)態(tài)變化特性，研究者還開發(fā)出基于滾動(dòng)時(shí)域優(yōu)化的鋰電池模型參數(shù)以及SOC自適應(yīng)聯(lián)合估計(jì)技術(shù)，SOC 估計(jì)精度最高可達(dá)99%，為全生命周期內(nèi)鋰電池的SOC精準(zhǔn)估計(jì)提供解決方案[24]。同時(shí)，還建立鋰電池建模與評(píng)估云平臺(tái)，為比亞迪、南方電網(wǎng)和國家電網(wǎng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)管理提供有力支持。

針對(duì)鈉離子電池特點(diǎn)，從SOH 時(shí)序測量數(shù)據(jù)出發(fā)，提出基于雙指數(shù)模型的粒子濾波法和基于小波分析的高斯過程回歸法，實(shí)現(xiàn)了鈉離子電池單步SOH和剩余可用壽命（RUL）預(yù)測[25]。

5.2 基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的綜合能源系統(tǒng)管理

隨著全球能源供應(yīng)多元化，加強(qiáng)對(duì)IES的管理不僅能夠提高能源利用率，減少對(duì)環(huán)境的破壞，也能提升經(jīng)濟(jì)發(fā)展質(zhì)量和效益。IES的大規(guī)模區(qū)域互聯(lián)使其逐漸發(fā)展成為大型高維系統(tǒng)，間歇性的可再生能源和電動(dòng)汽車、分布式儲(chǔ)能設(shè)備等柔性負(fù)載的接入，增加了IES的復(fù)雜動(dòng)態(tài)特性[26-27]。IES形式多樣，大致可分為固定式和移動(dòng)式兩大類型。固定式IES包括智能微電網(wǎng)、家庭能源和基于動(dòng)力鋰電池或燃料電池的電動(dòng)汽車充電或加氫系統(tǒng)等。將燃料電池和蓄電池組合的IES可顯著提高新能源汽車動(dòng)力系統(tǒng)的能源效率和可靠性，有效延長汽車的續(xù)航里程。最近，將甲醇重整制氫高溫PEMFC 與鈉離子電池組合，構(gòu)建了一種新穎的IES，可供移動(dòng)通信基站、海島和邊防哨所應(yīng)用[28]。

針對(duì)IES的高度不確定性，傳統(tǒng)優(yōu)化方法需要對(duì)不確定因素提前預(yù)測，并利用動(dòng)態(tài)場景生成方法對(duì)環(huán)境進(jìn)行估計(jì)，再進(jìn)一步建立系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)模型。這類方法計(jì)算量大、預(yù)測結(jié)果偏差較大。作為人工智能一個(gè)重要分支，強(qiáng)化學(xué)習(xí)（reinforcement learning,RL）因其強(qiáng)大的自主學(xué)習(xí)能力、無模型依賴性、變量復(fù)雜性等優(yōu)點(diǎn)，已成為處理IES管理問題的重要手段。針對(duì)IES變量的高維度特性，可采用多層馬爾可夫決策過程（Markov decision process，MDP）模型對(duì)IES進(jìn)行分層優(yōu)化，在面對(duì)具有連續(xù)動(dòng)作和狀態(tài)空間的問題時(shí)，還可以與具有出色數(shù)據(jù)處理能力的深度學(xué)習(xí)相結(jié)合，構(gòu)成深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)(deep reinforcement learning, DRL) 算法，進(jìn)而求解得到具有高維變量的IES 最優(yōu)管理策略。錢鋒等[29]從模型和算法兩個(gè)層面，歸納總結(jié)了強(qiáng)化學(xué)習(xí)求解IES管理的問題。在模型方面，把綜合能源管理問題分為電力系統(tǒng)和IES管理問題，在電力系統(tǒng)管理中討論了智能微電網(wǎng)、家庭能源和電動(dòng)汽車三個(gè)電能優(yōu)化管理問題。在算法方面，分析了各類問題中用到的不同強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法，從多時(shí)間尺度特性、可解釋性、遷移性和信息安全性四個(gè)方面提出獨(dú)特見解。

5.3 光-儲(chǔ)-充系統(tǒng)集成與優(yōu)化運(yùn)行

光-儲(chǔ)-充系統(tǒng)是可再生能源應(yīng)用的一種重要模式，在城市智慧能源互聯(lián)網(wǎng)建設(shè)中起到重要作用。在光-儲(chǔ)-充系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，光伏發(fā)電設(shè)備與儲(chǔ)能器件選型與容量配置是核心。光伏電池工作溫度與輸出功率的精準(zhǔn)預(yù)測是保障光伏系統(tǒng)高效、安全、長壽命運(yùn)行的關(guān)鍵。賀益君等[30]基于先驗(yàn)知識(shí)推導(dǎo)出通用性工作溫度模型架構(gòu)，然后根據(jù)RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)模型中的未知因子進(jìn)行建模修正，并將所提模型與功率預(yù)測模型耦合后，使光伏電池發(fā)電功率預(yù)測模型精度提升了17.3%?；跇?gòu)建的光伏電池精準(zhǔn)模型和儲(chǔ)能系統(tǒng)老化模型，針對(duì)上海市某商業(yè)區(qū)光-儲(chǔ)-充系統(tǒng)設(shè)計(jì)，引入負(fù)荷預(yù)先調(diào)度策略，其系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)度集成優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 光-儲(chǔ)-充系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)度集成優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)

6 結(jié)論與展望

通過對(duì)可再生能源制氫、燃料電池發(fā)電與化學(xué)品共生、太陽能轉(zhuǎn)換、動(dòng)力與儲(chǔ)能電池材料制備等過程的工程特性分析，結(jié)合電池設(shè)計(jì)及其狀態(tài)預(yù)測模型構(gòu)建，可以發(fā)現(xiàn)，新能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)過程的關(guān)鍵材料及器件，以及基于新能源的綜合能源系統(tǒng)開發(fā)都離不開化工、材料和系統(tǒng)工程科技的交叉融合與創(chuàng)新應(yīng)用。電化學(xué)工程、光化學(xué)工程、生物化學(xué)工程、分子化學(xué)工程、材料化學(xué)工程、化工系統(tǒng)工程等學(xué)科交叉融合，對(duì)揭示可再生能源資源轉(zhuǎn)換與利用中的科學(xué)規(guī)律，形成新能源化工特色的理論具有重要作用。新能源化工技術(shù)進(jìn)步將為提高可再生能源利用效率，促進(jìn)可持續(xù)綜合能源系統(tǒng)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)我國碳中和戰(zhàn)略目標(biāo)提供堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

從可再生能源制氫和太陽能轉(zhuǎn)換，到燃料電池和動(dòng)力電池等電化學(xué)能源器件的工程化實(shí)踐證明，生物質(zhì)制氫、燃料電池、太陽能化學(xué)轉(zhuǎn)化、鋰/鈉離子電池均屬于復(fù)雜的“生物/光/電化學(xué)反應(yīng)”過程，將這些新能源化學(xué)反應(yīng)從實(shí)驗(yàn)室放大到規(guī)?；a(chǎn)裝置，需開發(fā)新能源化學(xué)反應(yīng)所需的關(guān)鍵材料及其規(guī)模化制備技術(shù)。從分子化學(xué)工程角度，深入闡明新能源化學(xué)反應(yīng)中的傳質(zhì)、傳熱、傳荷機(jī)理，揭示其反應(yīng)工程特性，設(shè)計(jì)功能性各異的新能源化學(xué)反應(yīng)器至關(guān)重要。

從新能源化學(xué)基礎(chǔ)研究到實(shí)現(xiàn)新能源工程應(yīng)用，新能源化工技術(shù)起到承前啟后的橋梁作用。新能源的轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)與利用是一個(gè)復(fù)雜巨系統(tǒng)，其效率、安全與成本的約束及其相關(guān)綜合能源系統(tǒng)復(fù)雜性，對(duì)優(yōu)化各種新能源技術(shù)體系、調(diào)控不同應(yīng)用場景的系統(tǒng)運(yùn)行帶來很大挑戰(zhàn)。

對(duì)于未來新能源化工技術(shù)研發(fā)，將從新能源轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)和利用過程的“共性科學(xué)問題”和“關(guān)鍵技術(shù)”兩個(gè)層面展開，建議開展的共性科學(xué)問題和關(guān)鍵技術(shù)包括但不限于以下幾個(gè)方面。

共性科學(xué)問題：①新能源化工熱力學(xué)，包括新能源轉(zhuǎn)換與存儲(chǔ)體系熱力學(xué)、綜合能源系統(tǒng)?分析及新能源材料理論設(shè)計(jì)與計(jì)算等；②新能源分子化學(xué)工程，包括從原子和分子尺度揭示新能源化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，發(fā)展過程強(qiáng)化新方法，實(shí)現(xiàn)分子到工廠無級(jí)放大過程開發(fā)；③新能源材料化學(xué)工程，指以新能源材料和器件為導(dǎo)向的化學(xué)工程科學(xué)及其內(nèi)在規(guī)律；④新能源系統(tǒng)工程學(xué)，基于新能源的綜合能源系統(tǒng)集成與優(yōu)化方法，人工智能在新能源系統(tǒng)制造與運(yùn)行管理中的應(yīng)用。

關(guān)鍵技術(shù)：①新能源材料的規(guī)模化可控制備過程及裝備技術(shù)；②大容量、高效率和低成本的水電解制氫技術(shù)；③典型新能源化學(xué)反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)制造技術(shù)；④大規(guī)模、低成本儲(chǔ)能器件及新型儲(chǔ)能技術(shù)；⑤基于新能源的綜合能源系統(tǒng)優(yōu)化與智能控制技術(shù)。