本期精选了发表在Carbon Neutrality上“先进储能”方向的13篇文章，分别来自中国石油大学(北京)徐春明院士团队；南方科技大学赵天寿院士团队；中科院工程热物理研究所陈海生研究员团队；上海交通大学赵长颖教授；华中科技大学杨荣贵教授团队；中国科学技术大学焦淑红教授团队；西安交通大学胡小飞教授团队；郑州大学陈卫华教授团队；武汉理工大学周亮研究员团队；济南大学原长洲教授团队；吉林大学杜菲教授团队；上海大学赵玉峰教授团队；大连理工大学姜东岳副教授团队。
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01
Review
Recent Progress of Quantum Dots for Energy Storage Applications
量子点在储能应用中的研究进展
Quan Xu, Yingchun Niu, Jiapeng Li, Ziji Yang, Jiajia Gao, Lan Ding, Huiqin Ni, Peide Zhu, Yinping Liu, Yaoyao Tang, Zhong-Peng Lv, Bo Peng, Travis Shihao Hu, Hongjun Zhou and Chunming Xu*
https://doi.org/10.1007/s43979-022-00002-y
全球变暖和化石燃料枯竭等生态问题日益严峻，增加了能源转换和储存的需求。太阳能、风能、氢能等清洁能源的快速发展，有望成为解决能源问题的关键。一些优秀的文献作品强调了量子点在超级电容器、锂硫电池和光催化制氢方面的应用。
中国石油大学(北京)徐春明院士和徐泉教授团队在文中总结了量子点及其复合材料在这些储能应用中的最新研究进展。理性分析量子点在能量存储和转换方面的不足，预测量子点研究未来的发展趋势、挑战和机遇。
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02
Review
Redox flow batteries and their stack-scale flow fields
液流电池与电堆尺度流场设计
Jing Sun, Zixiao Guo, Lyuming Pan, Xinzhuang Fan, Lei Wei & Tianshou Zhao*
https://doi.org/10.1007/s43979-023-00072-6
大力发展可再生能源对于实现碳中和，缓解能源危机具有重要意义。太阳能与风能在可再生能源中占据主要地位，但其发电量受太阳辐射与风速影响，具有时段性的波动。因此，开发大规模储能系统对提高可再生能源的利用率与可靠性至关重要。在众多储能技术中，液流电池不受地理条件限制，并具有极高的安全性与较长的生命周期，因而受到广泛关注。在液流电池运行过程中，电解液经由流场运输至活性区域各个部分并进行电化学反应，因此，流场结构对液流电池的传质损失与泵功消耗具有决定性的影响，优化流场结构则是提高电池性能、降低电池成本的有效途径。
南方科技大学赵天寿院士团队在文章中提供了液流电池流场结构设计与优化的最新进展。首先，作者讨论了适用于流道研究分析的实验方法与多种数值模拟模型。进一步的，作者总结了多种具有良好性能的新型流场结构，并系统地综述了针对已有流场结构的参数化研究与流道修饰方法。最后，作者讨论了流场结构在放大过程产生的问题，对高性能流场在电堆尺度液流电池的应用进行了展望。
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03
Original Article
Economic evaluation of energy storage integrated with wind power
储能与风电一体化系统技术经济性研究
Xinjing Zhang*, Lu Feng, Xiaoyu Li, Yujie Xu, Liang Wang & Haisheng Chen*
https://doi.org/10.1007/s43979-023-00054-8
可再生能源近年来发展迅速，其在应对全球气候变化、保障电力供应安全和确保经济社会持续快速发展方面具有重要意义。但由于其自身具有随机性、波动性和间歇性的特点，大规模接入电网会对电力系统运行产生不利影响，通过构建大规模耦合储能的可再生能源系统，利用储能系统对可再生能源存储和释放来平抑可再生能源的波动，提高可再生能源的使用价值及碳减排效果。
为了掌握接入储能系统后的效果，中科院工程热物理研究所陈海生研究员团队开展了储能与可再生能源耦合系统的技术经济性研究。分析了将储能应用于风力发电系统的经济效益，综合考虑风-储系统售电效益（套利）、储能系统备用辅助服务效益和储能系统投资费用等因素的影响，以风储系统年综合效益最大为优化目标，建立了同时考虑电价套利和备用辅助服务的风储系统优化模型和充放电过程运行控制策略。评估了不同储释能效率、储能系统成本和储能系统寿命下风储系统的年综合效益，得到了不同储能情形下使风储系统年综合效益达到最大时的最优储能容量配置。
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04
Review
Progress in thermal energy storage technologies for achieving carbon neutrality
碳中和愿景下的储热技术研究进展
Changying Zhao*, Jun Yan, Xikun Tian, Xinjie Xue & Yao Zhao
https://doi.org/10.1007/s43979-023-00050-y
中国面临2030年碳达峰、2060年碳中和的目标，未来对新能源的需求将不断增加，而人类终端能源消费超过一半是以热能形式被利用的，因此储热技术是解决新能源波动性的一个重要技术。
上海交通大学赵长颖教授综述了储热技术在碳中和中的作用，并重点总结对比了各种储热技术现状和未来发展方向，包含了显热、相变（潜热）及热化学三种储热方式，重点从相变储热和热化学储热的材料、换热和设备系统层面进行了综述，最后还对卡诺电池和各种储热技术进行了总结分析。
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05
Original article
High-temperature thermal storage-based cement manufacturing for decarbonization
基于高温储热的低碳水泥生产
Xiaokang Liu, Xiaobo Li* and Ronggui Yang*
https://doi.org/10.1007/s43979-022-00030-8
水泥工业是我国最主要的碳排放源之一，实现水泥工业的低碳转型是实现碳达峰、碳中和目标的重要组成部分。水泥生产中的首要碳排放来自碳酸钙分解。由于大规模碳酸钙目前还难以实现，这使得碳捕集技术成为水泥工业低碳转型的关键，但碳捕集技术的高能耗、高成本一直是很大的挑战。
华中科技大学杨荣贵教授团队提出高温储热替代水泥分解炉内的燃料，建立了以高温储热为核心的水泥工业低碳转型工艺，实现水泥生产中主要CO2的低能耗、低成本分离，拓展了清洁能源在碳捕集中的应用，为我国水泥等高能耗工业的低碳转型提供了新的技术路径。
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06
Original Article
Understanding steric hindrance effect of solvent molecule in localized high-concentration electrolyte for lithium metal batteries
理解锂金属电池局部超浓电解液中溶剂分子的空间位阻效应
Xinpeng Li, Yuxue Pan, Yue Liu, Yulin Jie, Shunqiang Chen, Shiyang Wang, Zixu He, Xiaodi Ren, Tao Cheng*, Ruiguo Cao* & Shuhong Jiao*
https://doi.org/10.1007/s43979-023-00074-4
逐渐降低煤炭、石油等化石能源的消费占比，提高新能源占比，是实现碳中和的重要方法之一。储能电池作为可再生新能源发挥着越来越重要的作用。锂金属电池（LMBs）作为下一代可充电存储设备具有重要前景，能够提供>500 Wh kg−1的高能量密度。然而，锂金属负极的低库仑效率（CE）和锂枝晶生长严重阻碍了锂金属电池的发展。电解液调控是提高锂金属负极循环稳定性的重要策略。
中国科学技术大学焦淑红教授团队通过溶剂分子调控策略，开发了基于弱溶剂化分子三乙氧基甲烷的局部超浓电解液体系，在提高锂金属负极库仑效率的同时，有效抑制了锂枝晶的生长，提高了锂金属电池的循环稳定性。该工作为高能量密度锂金属电池电解液的设计提供了指导意义。
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07
Original Article
Research progress of electrolyte additives for subzero-temperature aqueous sodium-ion batteries
低温水系钠离子电池电解液添加剂的研究进展
Ru Wang, Shupeng Zhang, Shaochen Peng, Yifan Tong & Xiaofei Hu*
https://doi.org/10.1007/s43979-024-00081-z
为了实现2030年“碳达峰”和2060年“碳中和”的目标，发展绿色、高效、可持续和具有成本效益的电化学储能技术已成为共识。商业的锂离子电池作为目前最成功、最先进的电化学储能技术，因其能量密度高、循环寿命长等优点，已广泛的应用于智能电网，电动汽车、5G基站等领域。然而，锂在地壳中的储量有限且较高的成本给其在未来的应用中带来了挑战。因此，开发价格低廉、储量丰富、环境友好、安全性能高的电化学储能技术迫在眉睫。钠在地球上分布广泛，并且与锂处于元素周期表中的同一主族，化学性质相似。低成本的钠离子电池成为储能应用中锂离子电池合适的替代品之一。此外，在钠离子电池中，由于钠与铝之间不发生合金化反应，采用铝箔作为正负极集流体可以有效的降低电池的总体成本。因此，推动可充电钠离子电池的商业化发展可以为实现双碳目标做出重大贡献。
电解液促进了钠在正负极之间的运输，决定了电化学稳定窗口，是钠离子电池中不可缺少的组成部分之一。有机电解液具有高能量密度、良好的化学稳定性和优异的电化学性能是目前钠离子电池中使用最广泛的电解液。然而，它们具有毒性和可燃性，大量存在的情况下会降低电池的安全性，导致爆炸事故的发生。相反，以水为溶剂的电解液成本低廉、无毒、不可燃、安全环保、具有高离子电导率和优异的电化学稳定性变得越来越受欢迎。不幸的是，典型的水系电解液面临离子电导率的限制，并且具有较高的凝固点，阻碍了它们在高维度或寒冷地区等极端条件下发挥作用的能力。这些问题可以通过引入电解液添加剂的方法来解决。目前对低温钠离子电池电解液添加剂的研究还没有系统的综述。
西安交通大学胡小飞教授团队系统的总结了低温钠离子电池电解液添加剂的研究进展。此外，还提出了低温水系钠离子电池电解液添加剂在促进电化学储能技术方面的潜在发展路径。
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08
Original Article
Solvation-enhanced electrolyte on layered oxide cathode tailoring even and stable CEI for durable sodium storage
溶剂化结构调控诱导均匀CEI增强层状氧化物正极稳定钠储存
Sen Wang, Jiyu Zhang, Weibo Hua, Longfei Wen, Guochuan Tang, Xin Wang, Cunshuang Ma & Weihua Chen*
https://doi.org/10.1007/s43979-023-00060-w
钠离子电池（SIBs）因其与锂离子电池相似的工作原理、丰富的钠资源而受到广泛关注，并有望应用于电动汽车和大规模储能系统。正极材料实质上决定了电池的能量密度，在众多候选正极材料中，层状过渡金属氧化物已被广泛研究并开始商业化。然而，层状氧化物正极材料仍然存在电极-电解液界面不稳定的问题，导致电池循环稳定性能不佳。不同的电解液会在电极表面形成不同成分和性质的CEI，从而影响钠离子电池的电化学稳定性。因此，提高电极与电解液的相容性以稳定电极-电解液界面是优化电池性能的重要途径。
郑州大学陈卫华教授团队报道了所制备的层状过渡金属氧化物正极材料NaNi1/3Fe1/3Mn1/3O2（NFM）在四种广泛使用的酯类电解液中的不同界面化学行为。受氧化物表面高电子密度和强亲核性的影响，四种电解液中正极-电解液界面处的Na+溶剂化结构均表现出增强的配位性，其中EC/DMC电解液由于分子链较小，溶解化结构最为紧密，电化学性能稳定，从而衍生出均匀、稳定的CEI，表现出更好的界面相容性和循环稳定性。
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09
Original Article
Moderate active Fe3+ doping enables improved cationic and anionic redox reactions for wide-voltage-range sodium storage
适量活性Fe3+掺杂提高宽电压区间钠存储的阴阳离子氧化还原反应
Congcong Cai, Xinyuan Li, Hao Fan, Zhuo Chen, Ting Zhu, Jiantao Li, Ruohan Yu, Tianyi Li, Ping Hu* & Liang Zhou*
https://doi.org/10.1007/s43979-023-00077-1
钠离子电池由于钠元素源丰富、成本低而被认为是大规模储能的有力候选者之一。正极材料则是决定电池性能的关键因素。其中，层状过渡金属氧化物正极材料由于制备简单、理论容量高以及振实密度高等优点而极具前景。层状氧化物正极材料根据其中钠所占据的位置以及氧层的堆积序列可以分为P型和O型氧化物，其中P型氧化物材料具有更大的钠离子扩散通道。虽然层状氧化物在较宽的电压区间内具较高的理论比容量，但Mn3+具有Jahn-Teller效应，且高电压区间的过度脱钠易导致结构塌陷。虽然非活性元素（Mg、Al、Li、Zn、Ti等）的引入能起到稳定结构的作用，但是由于这些元素不能提供额外氧化还原对，会削弱材料的整体容量。
武汉理工大学周亮研究员团队报道了不同含量的活性Fe3+掺杂P2-Na0.67Mg0.1FexMn0.9-xO2（x = 0-0.2）正极材料，并观察到Na0.67Mg0.1Mn0.8Fe0.1O2（NMMF-1）中Mn3+/Mn4+分布不均匀的现象。研究证实，适量Fe3+引入可减少材料表面和体相的Mn3+含量，从而缓解Jahn-Teller效应。原位X射线衍射表征显示，NMMF-1在1.5 - 4.5 V（vs. Na+/Na）的宽电压范围内表现为全固溶反应。适量Fe3+掺杂还引入了额外的活性Fe3+/Fe4+氧化还原反应，实现了容量和循环稳定性之间的平衡。因此，NMMF-1正极材料呈现出高的储钠容量和改善的循环稳定性。这项研究为构建适用于钠离子电池的高容量和高稳定的层状金属氧化物正极材料提供了新的思路。
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10
Original Article
Hierarchically porous N-doped carbon framework with enlarged interlayer spacing as dual-carbon electrodes for potassium ion hybrid capacitors
具有增大层间距的分层多孔N掺杂碳框架作为钾离子混合电容器的双碳电极
Qingchao Gao, Tuo Li, Chanjuan Liu, Jinfeng Sun, Yang Liu*, Linrui Hou & Changzhou Yuan*
https://doi.org/10.1007/s43979-023-00057-5
由于较高的功率和能量密度，钾离子混合电容器（PIHC）具有广阔的应用前景。然而，在K+嵌入/脱出过程中显著的体积变化以及正负极的不匹配限制了它们的进一步发展。
济南大学原长洲教授团队制备分层多孔氮掺杂碳（N-HPC）用作PIHC的电极材料。N-HPC的三维分层多孔结构和较大的层间距为减缓钾离子的体积膨胀提供了足够的空间。此外，适当的N掺杂可以增加K+存储的活性位点，并提高电极的导电性。
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11
Original Article
Na5YSi4O12 fast ion conductor protection layer enabled dendrite-free Zn metal anode
Na5YSi4O12快离子导体保护层实现无枝晶锌金属阳极
Ningbo Xu, Chenbo Yuan, Ge Sun, Nan Chen, Shiyu Yao* & Fei Du*
https://doi.org/10.1007/s43979-023-00073-5
由于Zn金属阳极的独特优点，例如其高丰度、水溶液反应环境、合适的电化学电势、高体积容量和比容量，水性锌离子电池最近吸引了大量关注。
吉林大学新型电池物理与技术教育部重点实验室杜菲教授团队开发了快离子导体Na5YSi4O12作为保护层以促进Zn金属阳极的电化学性能。NYSO@Zn阳极在10mA cm-2的高电流密度下具有良好的倍率性能，并且消除了Zn枝晶和副反应产物，实现了比锌电池系统优越的容量和稳定性。
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12
Review
Research progresses in O3-type Ni/Fe/Mn based layered cathode materials for sodium ion batteries
镍铁锰基O3型钠离子电池层状氧化物正极材料研究进展
Shengyu Zhao, Qinhao Shi, Wuliang Feng, Yang Liu, Xinxin Yang, Xingli Zou, Xionggang Lu & Yufeng Zhao*
https://doi.org/10.1007/s43979-023-00053-9
自 1991 年索尼公司将锂离子电池商业化以来，锂离子电池凭借其能量密度高、循环寿命长、理论安全性好等特点，现已被广泛开发和利用，成为移动电子设备、电动汽车和混合动力电动汽车的主要能源。随着电动汽车和混合动力汽车市场的兴起，锂的需求量急剧增加，而地壳中锂资源分布不均、储量有限，进一步引发了价格的波动。与锂相比，钠的丰度较高，广泛分布于地壳和海洋中，且具有相似的化学性质，在固定储能系统中的应用潜力巨大。如今，钠离子电池（SIBs）的研究逐年增多，正极材料对钠离子电池的可逆容量、能量密度和寿命起着至关重要的作用。其中，层状氧化物阴极材料因其合适的工作电压、高可逆容量和易于合成的特点而成为最有商业应用前景的阴极材料之一。
上海大学赵玉峰教授团队基于当前商业化应用的镍铁锰基正极材料，阐述了材料在商业化进程中面临的挑战，分析了镍铁锰基O3型材料面临的问题，如多级不可逆相变、空气稳定性、长循环性能等，并总结了改善的方法。
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13
Review
Roles of thermal energy storage technology for carbon neutrality
储热技术在实现碳中和中的发展展望
Mingyang Sun, Tianze Liu, Xinlei Wang, Tong Liu, Mulin Li, Guijun Chen & Dongyue Jiang*
https://doi.org/10.1007/s43979-023-00052-w
为早日实现《巴黎协定》的目标，全球气温上升控制在工业化前水平之上2℃之内，力争1.5℃之内，并在本世纪下半叶实现碳中和，各种新型储能技术得到了飞速发展，但由于全球能源消耗一大半是以热能的形式散失，因此发展新型储热技术势在必行。
大连理工大学姜东岳副教授团队重点总结了储热技术包含显热、潜热以及热化学储热在零碳发电、零碳建筑、零碳交通、零碳生命科学以及零碳社会下最新的技术应用和发展方向，并讨论了储热技术对于实现碳中和的未来要求和挑战。
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Carbon Neutrality 是由上海交通大学与Springer Nature合作出版的低碳科学与技术、碳金融与碳管理及相关政策领域的国际性跨学科综合期刊。本刊旨在打造碳中和领域旗舰期刊和国际一流期刊，主要刊载低碳相关领域具有高度原创性、能够反映学科水平的高质量研究论文和评论性综述文章，为国内外从事低碳研究的专家学者提供一个专业的国际学术交流平台。目前已被ESCI、Scopus、CAS、DOAJ数据库收录，成功入选2023中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊项目。
Carbon Neutrality文章处理费（Article Processing Charge）全免，竭诚欢迎国内外低碳领域专家、学者积极投稿，携手共建碳中和领域全球科学社群！
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