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中国科学院文献情报系统先进能源情报网

先进能源科技动态监测快报

本期重点

IEA：2018 年全球电动汽车保有量达创纪录的 510 万辆

IRENA：可再生能源电力成本持续下滑 竞争力日益凸显

欧洲深部地热技术创新平台发布战略研究与创新议程

美国能源部提出地热能研究五大关键技术领域

单分散 Fe 单原子催化剂实现 CO2到 CO 的高效还原

2019年第 12期（总第 338期）

主管： 中国科学院文献情报系统战略情报服务协调组

主办： 中 国 科 学 院 武 汉 文 献 情 报 中 心

《先进能源科技动态监

测快报》

中国科学院武汉文献情

报中心

湖北省武汉市武昌区小

洪山西 25 号（430071）

网址：

http://www.whlib.ac.cn

联系人：

郭楷模

guokm@whlib.ac.cn

电话：

027-87199180

先进能源情报网

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先进能源科技战略情报研究中心

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先进能源情报网微信公众号

中国科学院文献情报系统先进能源情报网简介

中国科学院文献情报系统先进能源情报网是在中国科学院文献

情报系统学科情报服务协调组的整体组织和指导下，由中国科学院

武汉文献情报中心牵头组建，联合中国科学院文献情报系统能源领

域相关研究所，共同搭建的情报研究资源共享及协同服务的非营利

性情报研究及服务团体。先进能源情报网将汇聚中科院文献情报系

统内与领域相关的战略情报研究人员、学科情报人员、研究所科研

管理人员、研究所文献情报人员，以及相关的管理和学科专家，通

过“协同开展情报研究服务、组合共建情报产品体系、促进情报资

源交流共享、提升整体情报保障能力”的工作方式，创新院所协同

的情报研究和服务保障模式，促进情报资源的共享、情报需求和情

报供给的对接、情报技术方法的合作开发，实现情报能力的扩散和

提升,进而对中国科学院各个层面（院层面、所层面、项目团队层面

及科研人员层面）的重要情报需求提供坚实保障。

先进能源情报网成员单位

成员单位 单位名称

组长单位 武汉文献情报中心

副组长单

位（排名

不分先

后）

合肥物质科学研究院

大连化学物理研究所

青岛生物能源与过程研究所

广州能源研究所

成员单位

（排名不

分先后）

上海高等研究院

山西煤炭化学研究所

上海应用物理研究所

兰州近代物理研究所

广州地球化学研究所

过程工程研究所

电工研究所

工程热物理研究所

武汉岩土力学研究所

武汉物理与数学研究所

苏州纳米技术与纳米仿生研究所

福建物质结构研究所

先进能源科技动态监测快报 2019 年第 12 期（总 338 期）

目 录

决策参考

IEA：2018 年全球电动汽车保有量达创纪录的 510 万辆 ············· 2

IRENA：可再生能源电力成本持续下滑 竞争力日益凸显 ··········· 4

欧洲深部地热技术创新平台发布战略研究与创新议程 ················ 9

美国能源部提出地热能研究五大关键技术领域 ······················· 13

项目计划

DOE 与 Exxon Mobil 签订 1 亿美元能源技术研发合作协议 ······· 15

英国政府资助 2300 万英镑推动电动汽车电池技术创新 ············ 16

DOE 资助 3900 万美元支持先进燃煤发电技术研发 ················· 16

前沿与装备

单分散 Fe 单原子催化剂实现 CO2到 CO 的高效还原 ··············· 17

机器学习技术大幅提升钙钛矿材料研发速度 ·························· 18

两维-三维复合钙钛矿太阳电池创下 22.2%转换效率新高 ·········· 19

稳定 SEI 膜实现锂金属电池高比能和快充特性 ······················· 20

专辑主编：陈 伟 联系邮箱：energy@whlib.ac.cn

本期责编：郭楷模 出版日期：2019 年 06 月 15 日

1

本期概要

国际能源署（IEA）发布了《全球电动汽车展望 2019》报告，系统分析了

全球电动汽车市场的发展现状和未来的发展潜力：2018 年，全球电动汽车销售

数量超 200 万辆，较 2017 年翻了一番，使得全球电动汽车累计保有量突破了 500

万辆大关，达到了创纪录的 510 万辆，同比飙涨了 63%。其中中国市场保有量

高达 230 万辆，占全球总量的近一半，是全球最大的电动汽车市场。欧洲和美国

分别以 120 万辆和 110 万辆位列二、三位。与电动汽车蓬勃发展的市场类似，全

球充电基础设施（如充电桩）的部署规模也在快速扩张，2018 年全球充电基础

设施（包括公共和私人）数量约 520 万个，其中约有 54 万个是公共充电设施。

电动汽车的发展有助于减少碳排放，2018 年电动汽车的使用减少了近 4000 万吨

的二氧化碳排放量，预计到 2030 年至少可以减少 2 亿吨碳排放。

国际可再生能源机构（IRENA）发布《可再生能源电力成本 2018》报告，

对全球可再生能源电力成本进行了综述分析：得益于技术进步、招投标替代固

定上网电价补贴制度以及规模化部署进程，过去十年间，可再生能源发电成本处

于持续下降态势。在 2010-2018 年间，全球公用事业太阳能光伏发电的加权平准

化度电成本（LCOE）大幅下降了 77%，从 37 美分/千瓦时降至 8.5 美分/千瓦时；

光热发电（CSP）的 LCOE 下降了 46%，从 34 美分/千瓦时降至 18.5 美分/千瓦

时；陆上风电 LCOE 大幅下降了 35%，从 8.5 美分/千瓦时降至 5.6 美分/千瓦时；

生物质发电的 LCOE 下降了 14%至 6.2 美分/千瓦时；2018 年水电 LCOE 较 2017

年下降了 11%至 4.7 美分/千瓦时；地热发电于 2013 年回落至 6 美分/千瓦时，并

在 2013-2018 年间稳定在 6-7.5 美分/千瓦时。

欧洲深部地热技术与创新平台（ETIP-DG）发布深部地热战略研究与创新

议程，确定了欧盟在地热领域未来数十年的研发优先事项：包括地热资源预测

与评估、资源获取与开发、热电联产及系统集成、地热能技术开发政策研究和地

热能知识共享平台等 5 个关键领域，旨在降低深部地热发电的总成本以推进其商

业应用，以确保到 2050 年实现欧盟的深部地热发展愿景。

美国能源部（DOE）发布《地热愿景：挖掘地下热能潜力》报告，提出了

美国地热能发展应重点部署的五大关键技术领域，包括：（1）改善地热资源评

估技术；（2）改进地下信号探测技术；（3）改进地热钻井和井筒完整性；（4）地

热资源回收再利用技术研究；（5）地热资源和设施监测、建模和管理技术研发。

详见正文。

美国能源部（DOE）宣布与埃克森美孚公司（Exxon Mobil）签订一份价值

1 亿美元为期 10 年的联合研究协议：旨在利用企业在商业化推广方面的丰富经

验以加速推进 DOE 国家实验室的创新、经济、低排放能源技术的商业部署进程，

提高能源效率，减少化石燃料和石油化学品生产等过程中的排放。

由瑞士洛桑联邦理工学院的 Xile Hu 教授课题组牵头的国际联合研究团队

设计制备了一种新型的分散于氮掺杂的碳载体上的铁（Fe）单原子催化剂：该

催化剂能够在 80 mV 低过电位下实现 CO2到 CO 的高效转化，法拉第效率（FE）

高达 80%；而在 340 mV 高过电位下，FE 更是攀升至 90%，比传统已报道的 Fe2+

位点效率高出一个数量级，展现出超强的 CO2催化转化性能。

2

决策参考

IEA：2018 年全球电动汽车保有量达创纪录的 510 万辆

5 月 27 日，国际能源署（IEA）发布了《全球电动汽车展望 2019》报告1指出，

在各项扶持政策的支持以及持续下降的电池成本推动下，全球电动汽车销量快速增

长。2018 年，全球电动汽车销售数量超过 200 万辆，较 2017 年翻了一番，使得全

球电动汽车累计保有量突破了 500 万辆大关，达到了创纪录的 510 万辆，同比飙涨

了 63%。报告强调，强有力的政策支持和持续进步的技术将会促使电池性能进一步

提高、成本进一步下降，从而继续推动全球电动汽车市场持续增长，促进交通运输

电气化不断发展。报告系统分析了近期全球电动汽车市场的发展现状和未来的潜力，

要点如下：

2018 年全球电动汽车销量达创纪录的 200 万辆，较 2017 年大幅飙涨了 100%。

其中中国市场销量最多，达到了 110 万辆，占全球总销量的一半以上；紧随其后的

是欧洲和美国，销量分别达到了 38 万辆和 36 万辆。在保有量方面，截至 2018 年底，

全球电动汽车保有量达到了 510 万辆的历史新高，其中中国市场保有量高达 230 万

辆，占到全球总量的近一半，是全球最大的电动汽车市场。欧洲和美国分别以 120

万辆和 110 万辆位列二、三位。而在电动汽车市场份额方面，北欧国家处于领先地

位。其中挪威电动汽车占新车销售量的 46%，是全球电动汽车销售市场份额最高的

国家，近两倍于第二大市场份额的冰岛（市场份额 17%），六倍于第三大市场份额

的瑞典（8%）。荷兰以近 7%的市场份额位列全球第四，中国以约 4.5%的市场份额

位列全球第五。

注：BEV-纯电动汽车；PHEV-插电式电动汽车

图 1 2013-2018 年全球电动汽车保有量发展态势（单位：百万辆）

电动汽车发展不仅限于常规的乘用车，电动公交车、电动两轮车（自行车和摩

1 Global EV outlook 2018.

https://webstore.iea.org/download/direct/1045?fileName=Global_EV_Outlook_2018.pdf

3

托车）、电动三轮车、电动卡车等也都在快速发展。截至 2018 年底，全球电动两轮

/三轮车保有量超过 3 亿辆，绝大部分都在中国市场。中国电动两轮车市场每年销售

量可达数千万辆，比世界上其他任何国家都要大几百倍。同期，电动公交车销售数

量也在持续增长，目前全球电动公交车的保有量达到 46 万辆，比 2017 年增加近 10

万辆。小型电动卡车保有量达到了 25 万辆，较 2017 年增加了 8 万辆；而中型电动

货运卡车 2018 年销售量在 1-2 万辆之间，主要销售市场在中国。

与电动汽车蓬勃发展的市场类似，全球充电基础设施（如充电桩）的部署规模

也在快速扩张，为电动汽车的长途行驶提供保障。2018 年，全球电动汽车充电基础

设施（包括公共和私人）数量约 520 万个，其中约有 54 万个是公共充电设施。公共

充电设施近三分之一是快速充电设施，三分之二是慢速充电设施。与电动汽车类似，

中国也是全球公共充电设施数量最多的国家，其中快速充电设施占全球公共快速充

电设施总量的 40%左右，慢速充电设施占比则高达 78%。

图 2 2013-2018 年电动汽车充电基础设施发展趋势预测（单位：百万个）

伴随着电动汽车快速发展，其对电力消耗也日益增加。2018 年，全球电动汽车

的电力消耗量约为 58 TWh，与 2017 年瑞士全国的总电力消耗量相当。其中电动两

轮车占电动汽车电力消耗量比例最高，达到 55%。就国家而言，中国是世界电动汽

车电力消耗最高的国家，占全球电动汽车电力消耗量的 80%。在新政策情景中，全

球电动汽车的电力需求预计将在 2030 年达到 640 TWh，这比 2018 年的水平增加了

十倍以上；而在 EV30@30 情景中，这一数值更是增加到了 1110 TWh，几乎是新政

策情景的两倍。

2018 年全球电动汽车碳排放量约 3800 万吨二氧化碳当量。相比之下，如果这

些电动汽车全部换成传统内燃机汽车，同期的二氧化碳当量将达到 7800 万吨，意味

着电动汽车的使用使得 2018 年二氧化碳排放量减少了近 4000 万吨。在新政策情景

中，电动汽车的温室气体排放量预计在 2030 年达到 2.3 亿吨，但如果这些车辆换成

传统内燃机汽车，则排放量几乎翻倍（4.5 亿吨）。在 EV30@30 情景中，电动汽车

在 2030 年排放量预计也将是 2.3 亿吨，但换成传统内燃机汽车排放量将大幅增加至

7.7 亿吨。

消费电子产品对电池性能需求的不断提升推动了电池技术不断进步。未来，技

4

术发展将推动电池成本持续下降，而且其发展进程将与汽车行业的电气化转型进程

密切相关。预计到 2025 年，电池将越来越多地使用钴含量较少的化学物质作为正极

材料，这将进一步驱动电池能量密度增加和电池成本降低。除了电池技术本身，还

有诸多其他技术能够在促进电池成本下降中发挥关键作用，如全新的设计方案、使

电池尺寸更加紧凑以适应旅行需求和降低成本等。

电动汽车的增加和相关电池生产规模扩大意味着汽车行业对电池原材料的需求

将会增加。材料的需求类型将会随电池化学技术的进步而变化。在新政策情景中，

对钴的需求增加到约 17 万吨/年，对锂的需求增加到约 15.5 万吨/年，锰需求增加至

15.5 万吨/年，I 级镍（镍含量>99%）需求增加至 85 万吨/年。在 EV30@30 场景中，

由于电动汽车部署规模更为庞大，意味着对电池各类原材料需求就更加旺盛。

强有力的政策和激励措施对电动汽车的未来发展至关重要。截至当前，电动汽

车部署规模的增长主要受政府政策推动，包括电动汽车生产商的经济补贴、公共采

购计划、减少电动汽车购买成本的财务激励措施、提高燃油经济性标准和限制污染

物排放的当地法规、零排放汽车的强制性指令、部署更多的公共充电基础设施等。

政策不仅影响着消费者购买偏好，也通过降低风险的方式鼓励投资者和制造商扩大

生产，推动电力网络部署。

（丁华琪 郭楷模）

IRENA：可再生能源电力成本持续下滑 竞争力日益凸显

5 月 29 日，国际可再生能源机构（IRENA）发布《可再生能源电力成本 2018》2报告指出，得益于技术进步、招投标替代固定上网电价补贴制度以及规模化部署进

程，过去十年间，可再生能源发电成本处于持续下降态势。2018 年，全球各种商业

化可再生能源加权平均电力成本都实现了不同程度的下降，太阳能热发电（CSP）

下降了 26%，生物质发电下降 14%，太阳能光伏发电和陆上风电均下降 13%，水电

下降 12%，地热和海上风电均下降 1%。同时，在 2020 年将并网运营的项目中，将

有 77%的陆上风电和 83%的集中式光伏发电项目电价低于最廉价的新建化石燃料发

电电价。更为关键的是，成本下降的趋势会持续到下一个十年，意味着可再生能源

电力成本竞争力将日益增强。报告要点如下：

1、太阳能光伏

2018 年，全球新增太阳能光伏装机容量 94 GW，占全球可再生能源装机净增量

的一半以上（55%）。由于技术进步和组件成本下降，2018 年全球公用事业太阳能

光伏电站加权平均装机成本进一步下滑，从 2017 年的 1389 美元/千瓦装机成本降至

1210 美元/千瓦，同比降低 13%。其中印度装机成本最低，为 793 美元/千瓦，较 2017

2 Renewable Power Generation Costs in 2018.

https://www.irena.org/publications/2019/May/Renewable-power-generation-costs-in-2018

5

年下降 27%。意大利和中国紧随其后，分别为 870 美元/千瓦（-9%）和 879 美元/

千瓦（-23%）。日本装机成本减少了 3%，但依旧是全球装机成本最高的国家，达

到了 2101 美元/千瓦。

受到装机成本下降的驱动，在 2010-2018 年间，全球公用事业太阳能光伏发电

加权平准化度电成本（LCOE）大幅下降了 77%，从 37 美分/千瓦时降至 8.5 美分/

千瓦时，年均降幅达到了 13%。而就 2018 年而言，印度 LCOE 降幅最大（21%），

降至 6.3 美分/千瓦时；其次是中国，下降 20%至 6.7 美分/千瓦时；美国以 18%降幅

位列第三。而在具有良好资源和完善监管体系的国家（如智利、墨西哥、秘鲁、沙

特和阿拉伯联合酋长国等），太阳能光伏度电成本更是低至 3 美分/千瓦时。

图 1 2010-2018 年间太阳能光伏全球加权平均装机成本（单位：美元/千瓦）、容量因子和 LCOE

（单位：美元/千瓦时）变化态势

2、太阳能热发电

相对太阳能光伏，太阳能热发电（CSP）发展的速度较慢，2018 年新增装机容

量仅 0.5 GW。截至 2018 年底，全球累计 CSP 装机容量仅有 5.5 GW。全球 CSP 电

站加权平均装机成本从 2017 年约 7200 美元/千瓦降至 2018 年约 5200 美元/千瓦，同

比降低 28%。尽管发展速度较慢，但由于开发经验和供应链愈加成熟，2010 年以来

CSP 的 LCOE 也下降了 46%，从 2010 年的 34 美分/千瓦时降至 18.5 美分/千瓦时。

未来四年，预计 CSP 的 LCOE 会进一步下降至 6-10 美分/千瓦时。

6

图 2 2010-2018 年间 CSP 全球加权平均装机成本（单位：美元/千瓦）、容量因子和 LCOE（单

位：美元/千瓦时）变化态势

3、风力发电

得益于风力涡轮机和物流成本下降，2018 年全球陆上风电加权平均装机成本从

2017 年 1600 美元/千瓦降至 1500 美元/千瓦，同比降低 6%。其中中国装机成本最低

约 1170 美元/千瓦，印度次之（1200 美元/千瓦），澳大利亚（1640 美元/千瓦）、

美国（1660 美元/千瓦）、巴西（1820 美元/千瓦）、德国（1830 美元/千瓦）、法国

（1870 美元/千瓦）和英国（2030 美元/千瓦）紧随其后。由于装机成本下降和涡轮

机单机容量提升，2010-2018 年间陆上风电 LCOE 大幅下降了 35%，从 8.5 美分/千

瓦时降至 5.6 美分/千瓦时。而在某些国家/地区，陆上风电项目的 LCOE 在 2014 年

已降至 3-4 美分/千瓦时，低于化石燃料发电成本，展现出强劲的经济竞争力。

2018 年，全球海上风电新增装机 4.5 GW，增长主要来自欧洲和中国，其中中

国就贡献了近 40%的增量，英国（29%）和德国（22%）合计贡献了一半以上的增

量。与陆上风电类似，全球海上风电加权平均装机成本也在过去的 8 年间稳步下降，

只是降幅较小，从 2010 年 4572 美元/千瓦降至 4353 美元/千瓦。尽管海上风电市场

规模依旧不大，但由于装机和运维成本下降以及单机容量增加，海上风电的 LCOE

在 2010-2018 年间也稳步下降了 20%，即从 2010 年 15.9 美分/千瓦时降至 12.7 美分

/千瓦时。

7

图 3a 2010-2018 年间陆上风电全球加权平均装机成本（单位：美元/千瓦）、容量因子和 LCOE

（单位：美元/千瓦时）变化态势

图 3b 2010-2018 年间海上风电全球加权平均装机成本（单位：美元/千瓦）、容量因子和 LCOE

（单位：美元/千瓦时）变化态势

4、生物质发电

与太阳能、风能发电不同，生物质发电的经济性很大程度上取决于是否有安全、

可持续的生物质原料供应和转化技术。此外，不同区域不同国家的生物质原料资源

量不同，也会影响该发电技术经济性。当前，印度生物质发电的装机成本最低，为

700-2600 美元/千瓦；其次是中国，为 700-3000 美元/千瓦；北美和欧洲地区的装机

成本相对较高。就全球而言，2018 年全球生物质发电加权平均装机成本从 2017 年

的 2850 美元/千瓦降至 2100 美元/千瓦，受此影响，生物质发电的 LCOE 同比下降

了 14%至 6.2 美分/千瓦时。

8

图 4 2010-2018 年间生物质发电全球加权平均装机成本（单位：美元/千瓦）、容量因子和

LCOE（单位：美元/千瓦时）变化态势

5、水力发电

水力发电是技术成熟度最高的可再生能源发电技术，且其成本较低，因此成为

可再生能源电力的最主要来源。在 2010-2013 年间，水力发电装机成本较为稳定，

但 2014 年后随着建设和并网机电设施等成本上升，全球水电加权平均装机成本出现

了整体上涨的情况，从 2010 年的 1232 美元/千瓦增加到 2017 年的 1768 美元/千瓦，

在 2018 年又下降至 1492 美元/千瓦，但仍高于 2010 年水平。水电加权平均装机成

本的波动情况与新建水电项目的位置有很大的关系，如 2018 年新增水电项目主要来

自中国，其装机成本较平均水平低 10%-20%。水电 LCOE 走势基本与其全球加权平

均装机成本一致，2018 年较 2017 年下降了 11%至 4.7 美分/千瓦时，但依旧比 2010

年水平高出了 29%。

图 5 2010-2018 年间水力发电全球加权平均装机成本（单位：美元/千瓦）、容量因子和 LCOE

（单位：美元/千瓦时）变化态势

6、地热发电

当前地热发电装机规模仍然较小，且近年来发展势头有所放缓，2018 年全球仅

新增 500 MW 装机容量，远低于 2015 年的峰值水平。考虑到每年新建地热项目数

9

量有限，地热电站的 LCOE 对新建电站的地理位置极为敏感，因此其 LCOE 容易出

现波动，2010 年时地热发电的 LCOE 为 5 美分/千瓦时，随后在 2012 年涨至 8 美分

/千瓦时，又于 2013 年回落至 6 美分/千瓦时，并在 2013-2018 年间稳定在 6-7.5 美

分/千瓦时。

图 6 2010-2018 年间地热发电全球加权平均装机成本（单位：美元/千瓦）、容量因子和 LCOE

（单位：美元/千瓦时）变化态势

（丁华琪 郭楷模）

欧洲深部地热技术创新平台发布战略研究与创新议程

近期，欧洲深部地热技术与创新平台（ETIP-DG）发布深部地热战略研究与创

新议程3，确定了欧盟在地热领域未来数十年的研发优先事项，以到 2050 年实现欧

盟的深部地热发展愿景。ETIP-DG 由欧盟委员会在“战略能源技术规划”（SET-Plan）

框架下于 2016 年创建，汇集了工业界、学术界和行业协会的代表，涵盖深部地热勘

探、生产和利用的价值链，旨在降低深部地热发电的总成本以推进其商业应用。本

议程共提出了 5 个领域的关键挑战：地热资源预测与评估；资源获取与开发；热电

联产与系统集成；地热能技术开发政策研究；知识共享平台。具体将开展的研发重

点如下：

一、地热资源预测与评估

1、改进钻探前的地热资源勘探。开发改进地热储层结构成像和岩石及流体性质

的经济高效勘探方法：使用重力勘探、电磁勘探、无源地震勘探、2D-3D-4D 反射地

震勘探等勘探技术，降低勘测成本，提高地下成像分辨率；改进监测地表异常的遥

感技术；开发结合计算科学和地质、地球物理、地球化学勘探的综合方法；开发流

体通道、热流和压力评估的先进方法；储层温度、化学和流动特性、地震活动、联

合场采集和增强数值联合反演的评价方法；勘探阶段评估地震诱发条件的技术。

3 Strategic Research and Innovation Agenda.

http://www.etip-dg.eu/front/wp-content/uploads/SRIA_ETIP-DG_web-1.pdf

10

2、先进调查和监测技术。改善地热开发全过程中的储层性能表征，主要包括：

通过现场数据延时分析增强储层信息；提高钻孔地球物理技术（例如垂直地震剖面、

可控源电磁法、光纤方法）以及原位地质和地球物理特性井筒测量技术的效率；原

位流体监测；高温示踪剂技术；测井综合解释；高温和恶劣条件下的创新传感器；

先进的数据采集、计算和处理，以及地表探测数据的综合解释；联合反演和建模，

并与勘探和现场监测目标相结合；开发利用现有数据的技术（如智能再处理）。

3、开发勘探工作流程（概念模型、储层特征、性能和决策模型）。开发不同地

热资源的最佳勘探工作模型，主要包括：概念模型和储层表征模型标准化；开发表

征不同类型储层的预测模型；开发性能模型以及决策和风险管理方法；应用信息价

值方法示范投资组合；自适应技术和组织方法实现躺井的再利用。

4、建立勘探目录（类比储层、岩石特性和模型约束）。建立岩石特性、裂隙网

络特征和流体-岩石相互作用特征目录，改进多尺度、多学科和基于场地的概念模型

和储层表征能力，主要包括：结合油气藏勘探和生产数据建立和扩展岩石特性数据

库；开发不同地热储层的参考模型；开发新的扩大勘探规模的方法；通过特性与尺

度的经验关系进行地质统计学储层构造与表征；构建多尺度参考地图和模型，为区

域和场地模型提供约束，集成地球物理、实验室和结构模型；建立流体-岩石相互作

用数据库，在油气/地热流体环境下为岩石特性变化提供约束条件。

5、评估资源潜力。开发欧洲统一的资源潜力评估工具和方法，主要包括：超高

温地热系统资源的勘探方法，以及对超常规温度地热资源特性和过程的深入理解和

预测模型；开发理论和实验方法以估算脆性/韧性条件下岩石物理和机械性质；分析

深层超高温流体和枯竭油气储层获得低温地热资源；EGS 资源勘探方法，以及对超

常规深层地热资源的特性和过程的深入理解和预测模型；开发和测试勘探方法以探

测合适储层条件；研究海上岩浆、地质再勘探和联合开采资源等新型资源。

二、资源获取与开发

1、机器人钻井技术。开发控制和/或自动化钻井技术以缩短时间并减少对井的

破坏。技术领域包括井下传感器、双向通信通道、数据分析、机器学习数据库、自

动化算法和地面控制处理硬件和软件。可能开发的技术包括用于地热钻探的新硬件

和软件设备，以及集成井下测量和地面控制以实现地热钻井过程的自动化。

2、快速钻井技术。开发用于地热的高效岩石破坏技术并将井下测量与钻井技术

相结合。主要包括：开发硬岩钻井方法，避免钻头磨损，并具有高穿透率（ROP > 5m/h）；

研究和优化岩石破坏准则；使用基于机械特性的下部钻具阻尼系统减轻钻柱振动；

开发更高穿透率、更低钻压和更小扭矩的混合钻井系统；下部钻具的设计和测试；

开发和测试用于结晶和硬岩的径向钻孔技术并进行钻孔设计；快速钻井的现场示范。

3、绿色钻井液。开发配置新型钻井液的技术和环保材料，可用于（超热）地热

11

储层或与新型钻井方法相结合。重点关注纳米材料、聚合物、可生物降解聚合物、

传热研究，以及基于模拟数据、实验室实验、现场试验和相关环境测试开发先进钻

井液配方。

4、可靠的套管和固井材料。主要包括：耐腐蚀外壳的新型低成本解决方案；开

发包覆层以降低成本；验证和示范新型耦合技术以降低套管破裂率；开发新型水泥

配方以改善传热等问题，降低预热期间套管应力和应变，确保恶劣条件下的有效硬

化和稳定；地热开发过程中套管柱情况的研究和分析；研究和分析材料及连接行为，

以选择合适的材料；开发模拟地热环境的套管钻井测试设施；制定地热井的设计和

维护标准。

5、钻井期间的监测和测井。通过创新的井下记录和通信方法改进地热钻井期间

的信息获取，主要包括：高温和/或高压条件下运行的工具；在大斜度水平井中操作

的工具；随钻测量技术，如随钻地震系统；储层非均质性、井眼波和混响分析；井

间数据采集技术；高分辨率图像数据表征目标区域岩石；实时数据处理和解释以更

精确调整钻井过程中井眼轨迹目标；实时井下-地面传输，如泥浆脉冲、电磁、钻杆

声波；地面同步井下存储记录仪；通过在下部钻具上方使用先进减震器技术减少钻

柱振动；低成本非侵入性技术以加快高风险条件的地下数据收集。

6、地热井高温电子设备。开发用于高温地热井的电子设备和传感器，确保可靠

的钻井测量并实现随钻测井，主要包括：耐 175-300℃的高温电子元件；改进的隔热

罩以及电子设备和传感器冷却技术，可使用标准电子设备；将高温传感技术（例如

光纤）集成到井的设计中。

7、增强型地热开采的有效和安全技术。用于 EGS 的特殊井道概念设计，研发

联合增产技术以改善性能并降低地震风险。通过现场测试证明和改进上述及类似技

术的有效性，研究激发技术的可持续性和影响，通过实验室和现场测试来评估“全

钻井”热提取概念的可行性。

8、完全回注和绿色发电。不可冷凝气体回注系统的实验室测试和建模；开发混

合井储层模拟器等计算工具；特定场地完井设计；开发创新系统以避免/减少发电厂

中断供电期间地热流体向大气的排放；放射性物质处理；研究和开发酸性高压高温

环境下设备的新材料。

9、减少腐蚀和结垢，优化设备和组件寿命。结垢和腐蚀的评估、监测和控制研

究；预防地热储层和环境结垢及腐蚀的化学品的演变研究；在线测量水垢形成的连

续、非破坏性、非侵入性定量和定性方法；规模化缆线清洁作为连续使用阻垢剂的

替代或补充方案；开发稳定的示踪剂以监测流动路径，确定高温和超临界储层的岩

石体积和水-岩石传热面。

10、有效的资源开发。提高控制和预测地热发电厂管理效率的能力，重点关注：

12

储层管理策略和生产潜力预测；流体管理、设备保护和减少排放；生产系统设计优

化和环境影响最小化；非常规和混合系统的设计及性能预测；发电厂综合设计和管

理；特定情景的成本效益预测分析。

11、增强型生产泵。提高生产泵效率和寿命以确保地热生产可靠性，并开发避

免井区域中两相流动的工具，提高开采经济性。主要包括：开发耐高温、高效的电

潜泵技术；电潜泵地热密封装置；提高不同供应商的电潜泵组件的兼容性；改进封

闭式注射泵技术；高矿化和盐水储层的可靠利用；在泵技术部门及相关活动领域建

立欧洲范围内的合作。

三、热电联产及系统集成

1、先进二元系统。降低发电成本：新的外形和布局设计，低成本组件材料，减

少电厂占地面积和整体成本；发展计算流体动力学技术提高涡轮机平均效率；亚临

界和超临界机组中使用新的流体混合物提高净循环效率；新型多级配置减少热量浪

费；降低电厂配套设施成本；扩大发电规模。改进二元系统特定组件：改进热交换

器的材料、表面结构和涂层以增强传热和减少结垢，改进空气冷却器/冷凝器提高冷

却系统效率；低温地热源的混合冷却二元循环，创新级联概念集成热/冷供应。

2、创新设计并将二元循环技术集成到新的和现有的闪蒸电厂。通过将二元系统

集成到地热闪蒸电厂以提高转换效率，包括：有效降低成本，增加二元电厂产能；

根据瞬时负荷需求开发电网整合控制方法；电网运营商的远程控制；二元电厂与闪

蒸电厂的集成方法。

3、高温二元发电厂。通过优化电厂设计，深入研究地热流体化学，采用合适的

高阻材料防止腐蚀，将二元发电技术用于高温地热资源。

4、开发超高温地热系统。主要包括：示范可靠的流体处理和蒸汽净化方法；示

范适用于商业开发的可靠地面设备；示范超高温地热井发电；示范湿式洗涤蒸汽净

化方法；优化湿式洗涤方法以提高整体热量或功率转换效率；井下湿式洗涤以提高

地面设备可靠性；干式洗涤以提高发电效率；测试或开发极端高温和高压环境的新

材料和耐腐蚀设备。

5、提高地热发电厂灵活性。主要包括：调整膨胀机/涡轮机和其他组件；改善

发电厂的模块化设计；优化地热源、二元发电厂和区域供热网络的连接配置；为特

定场景（如岛屿）的智能电网提供不同电压电力。

6、高温储热。主要包括：集成储热以应对热需求和热供应变化；开发控制系统

以管理热量和电力生产、热量需求和存储。

7、开发混合发电厂。主要包括：利用余热或非地热资源提高地热盐水温度的新

型地热发电厂；利用地热稳定波动性发电的混合发电厂；地热与其他能源在工业和/

或住宅区的区域供热和制冷结合的示范。

13

8、地热资源矿产开发。主要包括：提高分离技术的选择性和效率；开发从地热

盐水中提取化学成分并转化为高价值产品的新型技术；开发利用地热盐水化学能源

潜力的技术；将分离技术整合到地热工厂中。

9、智能电网不同电压下的地热发电。主要包括：开发电力系统转换器和相应控

制系统以将地热发电厂连接到低压和中压电网；整合中/长期储能系统（储电和储热）；

开发小型和分布式地热发电厂新概念。

四、地热能技术开发政策研究

在欧盟和国家层面制定地热能开发政策，以促进地热市场的发展和领域的创新

渗透。重点关注：研究和评估地热的经济激励和支持机制；解决和量化勘探风险，

开发减轻风险的金融工具；促进地热与自然环境的融合；基于“循环经济”概念进

行开发；开展针对公众参与和接受的研究；确保地热能的专业技术和人力资源，培

养下一代地热研究力量。

五、地热能知识共享平台

通过开发信息平台，在欧盟层面创建标准和通用数据模型，促进欧洲层面的地

热信息获取。将共享相关数据和衍生模型以降低勘探成本并管理技术和财务风险，

通过大规模示范和部署以验证创新地热概念及其在能源系统中的集成。 （岳芳）

美国能源部提出地热能研究五大关键技术领域

近期，美国能源部（DOE）发布《地热愿景：挖掘地下热能潜力》报告4，提出

了美国地热能发展应重点部署的五大关键技术领域，包括：资源评估、地下信号探

测、地热钻井和井筒、地热资源回收以及地热资源和设施监测、建模和管理，具体

内容如下：

1、地热资源评估

对美国的发电和非发电地热资源进行评估，基于现有水热和增强型地热系统

（EGS）资源评估数据，扩大数据量并提高资源分布地图分辨率，减少评估不确定

性，降低勘探风险和开发成本，识别更多地热资源。

2、改进地下信号探测

（1）开发勘探工具以识别未发现资源，提高识别 EGS 资源的能力。开发新的

勘探技术以表征地下渗透率、温度和化学性质，以及无明显地表特征区域的地质结

构和应力状态。改进地球物理、地球化学以及地质采样、建模、分析和遥感技术，

整合多学科方法增强从地热资源数据获取价值的能力，如结合机器学习，通过自动

4DOE Releases New Study Highlighting the Untapped Potential of Geothermal Energy in the United States.

https://www.energy.gov/articles/doe-releases-new-study-highlighting-untapped-potential-geothermal-energy-united-stat

es

14

模式识别和数据解释改进地下特征表征。

（2）提高现有地球物理方法的分辨率。改进现有地球物理勘探的电阻率法，加

强地震反射波法的应用，开发创新地球物理方法。通过被动地震监测、重力和磁力

勘探、数据联合反演提高 EGS 储层开发能力。

3、改进地热钻井和井筒完整性

（1）开发地热钻井数据库。仿效油气行业建立地热钻井数据库以优化钻井技术，

包括：加强国际合作，共享数据和知识；将机器学习应用于数据的早期研发，降低

非生产钻井时间和钻井成本。

（2）通过技术改进将油气行业的技术和工具应用于地热领域。改进现有油气行

业工具用于地热钻井的高温和腐蚀性环境，改良钻头刀具以减少磨损，提高硬岩钻

井成功率，将随钻测量技术用于地热钻井。

（3）开发地热专用钻井技术、方法和工具。开发钻井硬件（如钻头、钻柱、泥

浆马达）、井材料（如套管、水泥）、钻井系统和方法（如泥浆设计、掘进和固井

套管、创新钻井方法）。通过创新的井设计以及减少套管和固井技术所需套管柱数

量，降低钻井成本。开发用于地热的化学增效钻井、射流辅助破岩和激光辅助钻井。

（4）改进钻井决策、运行管理和效率。通过准确可靠的预测确保良好的钻井决

策，进一步研究和实施决策流程，建立简化地热钻探方法的组织和管理文化。

（5）改进地热井生命周期。研究地热井材料失效的原因，改进井工程设计和施

工，开发耐更高温度和腐蚀性环境的新型材料。开发监测地热井筒完整性的工具和

系统，收集状态数据以更好预测地热井寿命。

4、改进地热资源回收

（1）开发现有和创新的储层激发方法。将主要针对两类激发技术：致密油行业

的高压、低容量激发技术；地热田的低压、大容量激发技术。研究储层激发的耦合

热-水-机械化学过程，以及局部和区域压力对其的影响机理，以提高现有激发方法

的成功率，开发创新的激发方法。

（2）改进层间封隔技术。将油气行业层间封隔技术用于地热领域，改进地质力

学数据收集，研究泵送速率和流体化学对储层激发的影响，以充分理解局部和区域

的地质应力状态，设计层间封隔策略。

（3）先进的实时裂缝建模和测绘。结合井压、温度和化学的实时变化，开发先

进的裂缝模型，了解储层的动态过程。此类模型应集成温度-水流-力学-化学控制和

实时微震数据。

（4）量化应力状态、诱发地震和渗透率之间的关系。开发温度-水流-力学-化学

模型了解 EGS 储层变化，调整运行策略，减少诱发地震。

（5）改进地源热泵的换热机制和系统设计。开发替代热交换器，如开发螺旋管

15

换热器和使用热交换桩。使用高级软件和其他设计工具优化系统设计，使商业大型

地源热泵系统更加节能。进行技术突破，开发变速压缩机和双级热泵，到 2030 年将

热泵效率提高 50%。

5、改进地热资源和设施的监测、建模和管理

（1）改进储层性能的监测、建模和预测。改进储层监测、建模和预测工具，如

应用机器学习技术开发地热储层-蒸汽田-发电的综合模型。

（2）开发先进的储层示踪剂和示踪剂部署技术。开发创新示踪剂及其测试方法

和解释技术，以改进水热和 EGS 储层管理，增强对地下流体流量和温度分布以及地

热生产和注入对其影响的认识，进而改进运行管理，实现可持续发电，最终降低运

营成本。 （岳芳 郭楷模）

项目计划

DOE 与 Exxon Mobil 签订 1 亿美元能源技术研发合作协议

近期，美国能源部（DOE）国家可再生能源实验室（NREL）和国家能源技术

实验室（NETL）宣布与埃克森美孚公司（Exxon Mobil）签订联合研究协议5，协议

规定在未来 10 年内 Exxon Mobil 将向 NREL 和 NETL 投资 1 亿美元，用于推进新型

低碳排放能源技术研发、示范和商业化部署工作。该协议是能源部实验室与私营部

门之间最大的公私伙伴合作项目之一，旨在利用企业在商业化推广方面的丰富经验

以加速推进 DOE 国家实验室的创新、经济、低排放能源技术的商业部署进程，提高

能源效率，减少化石燃料和石油化学品生产等过程中的排放。

根据合作协议，Exxon Mobil 公司与 NREL 和 NETL 将开展的初步工作是探索

生物燃料和碳捕集与封存（CCS）技术在发电、交通运输和制造业领域的商业规模

应用有效途径。此次合作是 Exxon Mobil 公司一系列商业规模创新低碳排放能源技

术研究项目重要组成部分，迄今为止 Exxon Mobil 已经与麻省理工学院、普林斯顿

大学、德克萨斯州大学奥斯汀分校、佐治亚理工学院、威斯康星大学麦迪逊分校等

几十所大学和研究机构合作，在可再生能源、电池技术、电网、石化行业、制造业

等领域进行了低碳技术研究。从 2000 年至今，埃克森美孚共投入超过 90 亿美元用

于开发和部署低排放能源技术。

（岳芳 郭楷模）

5DOE National Labs Partner with ExxonMobil for $100 Million in Joint Research.

https://www.energy.gov/articles/doe-national-labs-partner-exxonmobil-100-million-joint-research

16

英国政府资助 2300 万英镑推动电动汽车电池技术创新

6 月 11 日，英国商务部宣布在“法拉第电池挑战赛（Faraday Battery Challenge）”

框架下资助 2300 万英镑以支持英国电动汽车电池创新活动6，旨在将汽车行业和学

术界汇聚在一起，通过公私合作模式加速推进电动汽车电池技术研发，使英国成为

世界领先的电动汽车研发中心之一。本次获得资助的项目包括：矿业咨询公司

Wardell Armstrong 将与自然历史博物馆以及科尼什锂业公司（Cornish Lithium）合作

开展有关未来英国锂材料供应的研究，以满足未来电动汽车对锂的巨大需求；捷豹

路虎领导研究项目将在保持安全的同时最大限度地提高电池性能；材料技术公司

Granta Design 将牵头研究人工智能在电池制造中的应用研究等多个项目。

本次资助是“法拉第电池挑战赛（Faraday Battery Challenge）”的一部分，该挑

战赛于 2017 年由英国政府推出，旨在鼓励开发最新的电动汽车电池技术，从而加快

英国向低碳经济的转型，帮助英国政府实现到 2040 年所有新汽车实现零排放的目标。

截至当前，该挑战赛已向 63 个项目授予了总计 8260 万英镑的资助。

（黄健 郭楷模）

DOE 资助 3900 万美元支持先进燃煤发电技术研发

6 月 10 日，美国能源部（DOE）宣布在其“变革性发电计划”和交叉领域研究

计划框架下投入 3900 万美元7，旨在开发先进燃煤发电技术，从而改善现有燃煤电

厂的运行效率、可靠性和灵活性。本次资助着重关注三大主题领域：传感器、诊断

和控制；电厂组件改进；数据分析驱动控制。具体内容参见表 1。

表 1 先进燃煤发电技术研发项目具体内容

技术主题 具体内容 资助金额

/万美元

传感器、诊

断和控制

测试和验证分布式同轴电缆传感器在燃煤锅炉管现场状态监测中的

应用

300

基于多伽玛的燃煤特性测量传感器技术示范 123

动态神经网络优化在火电厂爬坡过程中的应用 299

燃煤电厂的瞬时效率、灵活性和可靠性优化 200

电 厂 组 件

改进

消除 91 级钢的蒸汽侧结垢，提高现有化石燃料发电厂的效率、可靠

性和灵活性

212

减少气溶胶对积灰和煤燃烧排放的影响 400

混凝土储热实现燃煤电厂无循环的灵活运行 391

等离子点火和稳燃技术提高现有燃煤锅炉的运行灵活性、可靠性和经 362

6 Fresh funding to power the vehicles of the future.

https://www.ukri.org/news/funding-to-power-vehicles-of-the-future/ 7 Department of Energy Invests $39 Million to Improve Existing Coal-Fired Fleet.

https://www.energy.gov/articles/department-energy-invests-39-million-improve-existing-coal-fired-fleet

17

济性

提高燃煤电厂凝汽器传热和性能的技术研究 200

利用热虹吸管和胶凝材料进行储热以增强燃煤电厂运行灵活性 200

抗生物污损表面处理提高燃煤电厂凝汽器性能 135

材料和设计概念的环境验证，以提高现有燃煤电厂的运行灵活性 200

用于电厂深度循环运行的无灰垢再生式空气预热器 50

数 据 分 析

驱动控制

混合分析解决方案改善煤电厂运营 79

发电厂运营成本和周期优化模型 200

通过第一性原理-人工智能模型进行锅炉状态监测 198

基于因果嵌入的深度分析网络进行燃煤电厂故障检测与诊断 200

（岳芳 郭楷模）

前沿与装备

单分散 Fe 单原子催化剂实现 CO2到 CO 的高效还原

利用光催化反应将温室气体 CO2 转化为高附加值燃料或者电化学产品，是解决

能源短缺和温室效应问题的理想方法之一。然而当前高效的 CO2 催化剂主要采用价

格昂贵的贵金属，不利于商业化推广。开发高效的非贵金属催化剂成了克服上述问

题的关键。单原子催化剂由于具有高活性、高原子利用率的特点，在催化领域具有

广阔应用前景，成为了近年来研究的热点领域。由瑞士洛桑联邦理工学院的 Xile Hu

教授课题组牵头的国际联合研究团队设计制备了一种新型的分散于氮掺杂的碳载体

上的铁（Fe）单原子催化剂，能够在低过电位（80 mV）下实现 CO2到 CO 的高效

转化，展现出超强的催化活性，为催化还原 CO2 提供了全新的解决方案。研究人员

通过化学热解方法，在氮掺杂的碳载体（N-C）上生长了一层单分散的 Fe 原子形成

复合物。X 射线精细结构测试和 X 射线光电子谱综合表征显示该复合物为 Fe3+–N–

C，即 Fe 元素是以三价氧化态 Fe3+离子存在的；进一步的高分辨透射电镜显示，Fe

3+

离子均匀分散在整个 N-C 基底上，呈现单原子分散状态。接着研究人员将 Fe3+–N–

C 置于 0.5 摩尔的碳酸氢钠电解液中进行电催化性能测试，实验结果显示 Fe3+–N–C

催化剂在 80 mV 低过电位下就能够将 CO2 催化还原成 CO，且催化转化的法拉第效

率高达 80%；而在 340 mV 高过电位下，催化电流密度能够达到 94 mA/cm2，即每

平方厘米催化剂每小时可以催化产生 1.75 毫摩尔的 CO，法拉第效率高达 90%，比

传统已报道的 Fe2+位点效率高出一个数量级。为了探究其中的潜在机理，研究人员

采用原位 X 射线吸收光谱对催化反应过程进行了表征，结果显示在催化过程中发生

作用的活性位点是单分散的 Fe3+离子，这种 Fe

3+与氮掺杂的碳载体中的吡咯氮（N）

原子配位，从而在电催化过程中保持其+3 价氧化状态，而这种配位机制可能是通过

电子耦合作用实现的。研究人员进一步通过电化学测试证明，Fe3+位点比传统 Fe

2+

18

位点具有更快的 CO2 吸附速度和更弱的 CO 吸附能力，因此前者比后者具备更加优

秀的 CO2 催化转化性能。该项研究设计制备了全新的负载于碳基底的单分散 Fe3+单

原子催化剂，在低过电位下实现了 CO2 到 CO 的高效催化转化，减少了反应能量的

消耗，为应对温室气体和能源问题提供了新的潜在技术方案。相关研究工作发表在

《Science》8。 （谢帅 郭楷模）

机器学习技术大幅提升钙钛矿材料研发速度

传统材料开发手段主要依据人工收集和分析数据，并通过实验经验进行判断，

不仅准确性不高，而且研发周期漫长。而机器学习技术主要依靠机器从先前的实验

数据中学习特征并高精度预测新的特性，因此大幅缩短新材料的研发周期，大大节

约时间和人力成本。麻省理工学院 Tonio Buonassisi 教授课题组牵头的国际联合联合

研究团队利用高通量实验平台和机器学习技术在短短 2个月内制备并表征了 75种新

型钙钛矿化合物材料，其中 87%的新材料带隙处于 1.2-2.4 eV，大幅缩短研发周期，

有助于提升钙钛矿基光电子器件的研发突破。传统的材料样品合成制备方法主要采

用实验室人工处理，每批次的数量受到限制，且时间周期相对较长，为此研究人员

利用自动化技术开发了高通量的材料合成平台，能够实现钙钛矿材料快速批量生产，

其速度较传统人工合成提升近 35 倍。高通量材料制备使得单批次制备的材料数量大

幅增加，而这意味着单次实验就有望实现对更多材料性能（光电、物理、化学特性

等）的解读（但最终能否实现大批量数据解读取决于是否有大数据的处理能力），

有利于缩短实验周期，提升实验效益。基于上述高通量材料合成平台，研究人员在

不到两个月时间内制备了 75 种全新的钙钛矿材料。为了实现对大批量数据的快速收

集和分析，研究人员引进了机器学习算法，通过建立钙钛矿材料成分和性能之间的

关联搭建了相应的材料模型，实现了输入参量与输出参量之间的关联，可通过不断

选择新的参数对模型进行重复训练，研究不同组分对新材料性质的影响。模型研究

发现，参量 X 位（钙钛矿相材料为 ABX3 型）的元素类型对钙钛矿带隙影响最为明

显，如当甲基胺铅碘（MAPbI3）钙钛矿在 X 位引入部分不同比例溴（Br）元素后，

MAPbI3 钙钛矿的带隙会发生明显变化，随着掺杂量增加而带隙增大（从 0%比例增

加到 100%比例，带隙从 1.5 eV 增大到 2.35 eV），意味着可以根据实际的用途（即

应用在单结还是多结太阳电池），调整材料带隙。对其他位置的元素替代掺杂（如

B 位的锡[Sn]元素掺杂）也可以实现对钙钛矿带隙的调谐，只是影响没有 X 位显著。

模拟结果显示，75 种新型钙钛矿中 87%样品的带隙在 1-2.4 eV，都符合单结或者多

结太阳电池的需求。研究人员进一步通过模型实现对新钙钛矿材料相结构（区分钙

钛矿属于三维、二维还是零维）的快速识别，整个识别效率较传统的人工 X 射线检

8 Jun Gu, Xile Hu, Haoming Chen, et al, Atomically dispersed Fe3+ sitescatalyze efficient CO2 electroreduction to CO.

Science, 2019, DOI: 10.1126/science.aaw7515

19

测提升了近 10 倍，且准确率高达 90%。最关键的是，研究人员将上述机器学习研究

结果应用于实践，制备铅卤化物和无铅钙钛矿，实验结果与模拟吻合度高，表明上

述方法具有很好的可靠性。该项研究一方面利用机器学习技术实现了对新钙钛矿材

料组分和性能数据的快速学习分析预测，较传统方法效率提升近 10 倍；另一方面利

用高通量材料合成平台实现材料的批量合成，较传统方法提升近 35 倍。两者结合大

幅缩短新钙钛矿材料研发周期，对钙钛矿太阳电池器件研发突破和商业化具有重大

推动作用。相关研究成果发表在《Joule》9。

（丁华琪 郭楷模）

两维-三维复合钙钛矿太阳电池创下 22.2%转换效率新高

有机无机杂化钙钛矿太阳电池凭借其转换效率高、制备工艺简单、成本低廉等

诸多优点成为了新一代薄膜太阳电池技术的研究热点。然而当前高效率钙钛矿太阳

电池主要采用三维（3D）相结构的钙钛矿薄膜，而 3D 钙钛矿存在稳定性不佳的问

题，严重阻碍了钙钛矿电池商业化进程。相反，2D 钙钛矿具备优异的稳定性，因此

将 2D 和 3D 进行整合成为钙钛矿电池研究的前沿热点之一。瑞士洛桑联邦理工学院

Michael Grätzel教授课题组在常规的 3D钙钛矿薄膜表面沉积一层具有超疏水特性的

2D 钙钛矿，大幅增强了薄膜的稳定性，同时 2D 钙钛矿增强了界面的空穴抽取，有

效抑制非辐射复合，从而获得了高达 22.2%的转换效率，创下了 2D/3D 复合钙钛矿

电池效率新高。研究人员首先通过两步法制备了常规的 3D 相结构的钙钛矿薄膜，

随后将其浸入碘化五氟苯乙基铵（FEAI）异丙醇溶液中，经高温退火处理使其结晶。

紫外可见光谱测试显示，FEAI 处理没有改变钙钛矿薄膜光的响应特性。但扫描电镜

表征显示，FEAI 处理后的钙钛矿薄膜表面形貌与未处理薄膜具有明显的差异性，意

味着 FEAI 处理后的 3D 钙钛矿薄膜表面可能形成了新结构的薄膜。为了确认上述猜

测，研究人员采用 X 射线光电子能谱和 X 射线能谱分析 FEA+分布情况，结果显示

FEA+均匀分布在 3D 钙钛矿薄膜表面。X 射线反射率和掠入射 X 射线衍射进一步分

析显示，FEAI 处理的 3D 钙钛矿膜的 XRD 图谱是纯 2D 和 3D 相反射叠加的钙钛矿

系统，意味着 FEAI 处理使得 3D 钙钛矿薄膜表面形成了一层 2D 钙钛矿薄膜，即形

成了 3D/2D 复合钙钛矿薄膜。时间相关的光致发光谱（TRPL）显示，3D/2D 复合钙

钛矿载流子寿命较 3D 钙钛矿增加了一倍多，从 950 纳秒增加到了 2550 纳秒；并且

空穴抽取效率测试显示 3D/2D 复合钙钛矿空穴抽取效率也更高。上述结果表明 FEAI

处理有效增强了空穴抽取，促进了电子和空穴分离，从而抑制了非辐射的复合，增

强了载流子寿命。接着研究人员分别以 3D 钙钛矿和 3D/2D 钙钛矿为光敏层组装成

电池器件，并进行光电化学性能测试，基于 3D/2D 复合钙钛矿的电池获得了 1.096 V

9 Shijing Sun, Noor T.P. Hartono, Zekun D. Ren, et al. Accelerated Development of Perovskite-Inspired Materials via

High-Throughput Synthesis and Machine-Learning Diagnosis. Joule,2019. DOI: 10.1016/j.joule.2019.05.014

20

电池开路电压、25.8 mA/cm2 短路电流和 78.4%填充因子，光电转换效率高达 22.2%，

是迄今为止采用 2D 钙钛矿层的钙钛矿电池效率的最高值；相比之下，纯 3D 钙钛矿

电池器件转换效率仅为 20.6%。最后在 40%湿度环境下，对未封装的器件稳定性开

展测试，实验显示在一个标准太阳光辐照下连续运行 1000 小时后，3D 钙钛矿电池

效率大幅下降至初始值的 43%，而 3D/2D 复合钙钛矿则仍保持了初始值的 90%，展

现出极其优异的稳定性。通过水接触角测量，3D/2D 复合钙钛矿具有出色的耐湿性

能，这主要归因于全氟化物的超疏水特性。该项研究通过溶液浸润方法，创新设计

合成了 2D 钙钛矿薄膜覆盖 3D 钙钛矿薄膜的 3D/2D 复合钙钛矿，由于 2D 钙钛矿的

超疏水特性，提高了 3D钙钛矿层的稳定性，同时 2D钙钛矿层增强了界面空穴抽取，

有效抑制了非辐射复合，从而在保障电池高性能的前提下大幅提升了电池稳定性，

为设计开发高效稳定钙钛矿电池开辟了新思路。相关研究成果发表在《Science

Advances》10。

（丁华琪 郭楷模）

稳定 SEI 膜实现锂金属电池高比能和快充特性

随着电动汽车的蓬勃发展，具备大电荷存储容量、高能量密度、高循环稳定性

和快速充放电的电池市场需求越来越大。锂（Li）金属电池的理论容量高达 3860

mAh/g，被认为是极具发展潜力的电池技术。但充放电过程中 Li 枝晶的生长会引起

电池短路，导致电池性能快速下降，局部的热量聚集还会引起燃烧甚至爆炸。因此，

开发安全、高能量密度和快速充电的电池成为当下的研究热点。韩国汉阳大学

Yang-Kook Sun 教授课题组制备了一种由六氟磷酸锂（LiPF6）和草酸锂二氟硼酸盐

（LiODFB）电解质组成的新型电解液，使电池获得了稳定的固态电解质膜（SEI），

有效抑制了 Li 枝晶的生长，在确保电池高能量密度的前提下，显著提升了电池循环

寿命，且获得了快速充电特性，有潜力应用于电动汽车领域。研究人员将 1 摩尔的

LiPF6 和 0.05 摩尔的 LiODFB 溶解到碳酸乙酯（EMC）和碳酸氟乙烯（FEC）的混

合溶液中形成电解质。与此同时，研究人员将 Li 负极浸润在溶有硝酸锂（LiNO3）

的二乙二醇二甲醚（DEGDME）电解质中 5 小时进行预处理，通过化学吸附作用在

Li 负极表面形成一层富含 Li2O 的 SEI 薄膜。相关研究已经表明，Li2O 有利于通过

防止电解质的过度分解和实现无枝晶的 Li 沉积物形态来建立稳定的 SEI 膜，因此有

助于改善电池循环稳定性。扫描电镜和电化学测试结果显示，相比没有预处理的 Li

金属电极，预处理后的电极表面形成了一层富含 Li2O 交联低聚物薄膜，这种薄膜具

有良好的弹性和导电性，有助于抑制锂枝晶生长。随后研究人员通过组装 Li 半电池

10 Yuhang Liu, Seckin Akin, Linfeng Pan, et al. Ultrahydrophobic 3D/2D fluoroarene bilayer-basedwater-resista

nt perovskite solar cells with efficiencies exceeding 22%. Science Advances, 2019, DOI: 10.1126/sciadv.aaw254

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系统研究了新型电解液和预处理对电池锂沉积的影响机制。10 次电化学循环结果显

示：没有采用新电解质也没有进行预处理的 Li 负极在充放电过程中表面形成了一层

结构疏松多孔的 Li 枝晶薄膜；采用新电解质但未进行预处理的 Li 负极表面只是形

成了少量的 Li 纳米纤维；而既采用新电解质又进行预处理的 Li 电极表面始终保持

光滑致密形貌。因此，新电解质和预处理结合有效地抑制了电解液与锂金属表面之

间有害的界面反应，从而有效抑制了 Li 枝晶的生长。扫描电镜测试揭示了新型电解

质和预处理结合的 Li 负极表面形成了一层稳定的 SEI 膜，这是抑制锂枝晶生长的关

键所在。研究人员进一步组织一系列的完整电池进行电化学性能测试，在 1.8 mA/cm2

放电电流密度下，采用未预处理的 Li 负极和传统电解质的锂金属电池循环寿命仅为

90 次，采用未预处理的 Li 负极和新型电解质的锂金属电池循环寿命可达 150 次，而

采用预处理 Li 负极和新型电解质结合的锂金属电池的循环寿命大幅提升至 250 次，

表明预处理和新电解质有助于改善循环稳定性。但电池想要获得高能量密度还需要

相匹配的正极。随后研究人员对不同的正极（负极均采用预处理的 Li 电解质，且均

采用新型电解液）对比研究，结果显示在 1.8 mA/cm2 放电电流密度下，采用传统镍

钴锰（NCM）正极的电池初始放电比容量为 195 mAh/g，而采用新型锂镍钴锰氧负

极（Li[Ni0.75Co0.10Mn0.15]O2，LNCMO）电池的初始放电比容量可达 205 mAh/g。当

放电电流密度增加到 9 mA/cm2 时，NCM 电池放电比容量下降到了 70 mAh/g，而

LNCMO 电池放电比容量依旧可达 150 mAh/g。随后在 3.6 mA/cm2放电电流密度下

进行循环测试，结果显示 NCM 电池随着循环的进行比容量不断下降，而 LNCMO

电池可以稳定循环 80 余次，且可以保持 80%的初始容量，展现出优异的循环稳定性。

接着研究人员以 3.6 mA/cm2 的充电速度（2 小时即充满）和 9 mA/cm

2 的放电速度对

电池进行快充实验，电池可以稳定循环 500 余次，展现出优秀的快充特性。为了验

证新架构电池的商业可行性，研究人员按照商业电池模式以新架构电池为基本组成

制备了软包电池，进行快速充放电循环，结果显示电池可以稳定循环 500 余次，同

时保持 90%的初始容量，这是迄今已报道的软包电池性能的最优值，展现出在电动

汽车领域的广阔应用前景。该项研究一方面设计制备了一种新型的混合电解质，另

一方面对 Li 负极进行预处理，从而确保 Li 负极表面形成一层稳定 SEI 膜，有效抑

制了锂枝晶，同时辅以匹配的高容量正极，获得了具有快充特性的高比容量、长循

环寿命的锂金属电池，为解决电动汽车续航里程短的问题提供了潜在的技术解决方

案。相关研究成果发表在《Energy & Environmental Science》11。 （谢帅 郭楷模）

11 Jang-Yeon Hwang, Seong-Jin Park, Chong S. et al. Customizing a Li–metal battery that survives practical operating

conditions for electric vehicle applications. Energy & Environmental Science, 2019, DOI:10.1039/c9ee00716d

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