前言

现代经济发展依赖于现成、易得的廉价能源。当今，世界的能源供应主要是以化石燃料为主。美国国家面临双重的能源困境：一是由于二氧化碳排放造成的全球气候变暖，这是一个国际性的问题;另一个是我们对外国石油的依赖所造成的脆弱。分布式二氧化碳排放是这种困境的一个重要组成部分。内燃机中汽油的燃烧是分布式二氧化碳排放的一个主要来源，这些汽油主要来自国外石油。二氧化碳的另外一个主要来源是发电所使用的化石燃料的燃烧。使用不产生二氧化碳的原料发电的新技术将可为缓解目前的困境提供潜力，例如太阳能、风能、核能、插入式混合电动车（汽车）或全电动汽车（电动车）。

然而，实现这一愿景的主要挑战是发展有效的电能储存（ EES ）系统。现在的电能存储器件通常是化学存储(电池)或电化学电容器(ECs)，都不能满足未来的能源存储需求。可充电电池类型的便携式电储能系统为移动电话和笔记本电脑方面的无线革命提供动力，现在也使混合电动车（HEV）成为可能。这些发展刺激着在争取实现并联式混合动力汽车(plug-in hybrid electric vehicle ，PHEV)方面的国际竞争，这将使得计算机能全部利用在非繁忙时段电网存储下来的电力来驾驶工作。然而，目前的电池技术只能提供有限的车辆性能，在一个充电周期内可驾驶距离还不到50公里。因此，要发展实用高效并且可靠的运输系统的并联式混合动力汽车(PHEV)，还需要发展增强的电能存储器件。

电能存储对从太阳、风或核原料所发之电的日夜不停地有效传输也是非常重要的。举例来说，要把利用太阳产生的电能用于夜间，就必须要有电能存储器件。由于在一天中能源需求的高峰在白天，而在夜间低需求时生产的电就需要有效地存储起来以备高峰之需。在当今的供电网格中，短时间的能量波动也是一个非常重大的问题。为此，要减轻这种波动就需要使用电能存储设备。目前电能存储系统远远无法满足这些未来电力供应的需要。没有这些先进的电能存储系统，就无法实现向未来的，非二氧化碳发电新技术的转变。

因为清洁电力的发电效率和使用对这个国家来说是非常重要的，所以电能存储被认为是国家所需要的关键技术。不幸的是，近200年来，电池技术还没有太大实质性的改变。电解电容存储是一个较新的技术，但它有许多与电池共同的特点。在这两个系统中，都发生许多复杂和相互关联的化学和物理过程，然而，我们对这些过程的了解却相当有限。了解这些过程，对打破现在的技术障碍是非常重要的，并有望提供未来电能存储系统的新概念。

“电能存储系统的基础研究需求”研讨会的目的就是要确定能为指导电能存储系统重大技术改进提供科学依据的基础研究需求和机会。在研讨会之前，能源部基础能源科学办公室(BES)与能源部的能源效率和可再生能源办公室(EERE)、能源部电力提供和能源可靠性办公室(OE)密切合作，分别从与电力输送与分配相关的应用前景展望来清晰地确定电能存储未来的需求，并查明关键技术空白。此外，还请电能存储产业和应用研究实验室的负责人编写技术资源文本，《电能存储方面的技术和应用的研发需求》(本报告附件)。它为与会者在开会时展开研讨提供了基础。在研讨会上，由来自DOE的EERE和DOE的OE的代表，以及由专家所做的关于锂离子电池及电化学电容器的发展现状的大会报告，和日本电容器和混合能源综述报告等都给大会提供了额外的观察视角。

研讨会成立了两个独立的专题讨论小组分别对电能存储系统的类型、化学存储和电容存储进行评估。本报告也分为相似的两个部分。这两个系统的类型都是基于电化学，但是电池能量存储是以化学反应物的形式储能的，然而电化学电容器是直接以电荷的形式储能的。对这两个领域，专家组都提出了优先的研究方向(PRDs)。然而，与会人员认为，在这两个领域所需要的关键基础研究方面有显著的重叠。为此，成立了第三个专家组来确定可望为满足未来电能存储技术需求提供重要突破的最高优先的交叉(跨学科)研究方向。

研讨会专家小组指出，最近在纳米科学、新型分析技术和可用于理论、建模与仿真的先进计算能力方面的进展，为发展未来电能存储系统所需要的特定的、多功能材料和相关的化学过程    提供了前所未有的机遇。有了这些能力，就可以实现一个设计电能存储系统的全新范式。该结果将是设计多功能、自修补、自我调节的系统，它将比现在的技术有更高的能量和功率密度、更快的再充电时间，和更长的寿命。

人们强烈认识到，满足未来电能存储需求的重大进展不能通过对现有技术作增量改进性的改变来实现。只有通过能够洞察所获得的电能存储系统中的物理和化学过程的基础研究才能获得。将要获得的这些知识对发展新材料和电解质所需要的突破非常重要。这些突破是实现实用化的电动车和对太阳能和风能所发电力分配的唯一通路。此外，该小组指出，最近的发展已经促进了跨学科的合作，将物理、化学、材料科学和计算科学带入到电化学领域。这些合作预示要将把存储化学能和物理能的器件支撑科学深深地移入到电化学电池中。这些努力可以预期在我们这一代和能量使用中将有一个范式的转移；将把世界从将要发生的能源困境中解脱出来。

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