Angetrieben von der globalen Energiewende und den Zielen der CO2-Neutralität haben Energiespeichersysteme als entscheidendes Bindeglied zwischen erneuerbaren Energien und dem Stromsystem kontinuierliche und umfassende Investitionen von Wissenschaft und Industrie in ihre technologische Entwicklung erhalten. In den letzten Jahren haben vielfältige Bemühungen, die sich auf die Verbesserung der Energiedichte, die Verlängerung der Zykluslebensdauer, die Verbesserung der Sicherheitsleistung und die Reduzierung der Kosten konzentrierten, zu bedeutenden Durchbrüchen bei der elektrochemischen Energiespeicherung, der physikalischen Energiespeicherung und der Systemintegration geführt und den Übergang der Energiespeichertechnologie von der Laborverifizierung zur Anwendung im großen Maßstab beschleunigt.
Die elektrochemische Energiespeicherung bleibt das aktivste Forschungsgebiet, wobei Lithium-Ionen-Batterien aufgrund ihrer hohen Energiedichte und ausgereiften Industriekette eine führende Position einnehmen. Besonders hervorzuheben ist die Erforschung neuer Materialsysteme: Die Kombination von ternären Batterien mit hohem Nickelgehalt und Anoden auf Siliziumbasis verbessert weiterhin die spezifische Kapazität. Olivin-strukturierte Materialien wie Lithium-Mangan-Eisenphosphat sind aufgrund ihrer kombinierten Sicherheits- und Kostenvorteile zu Forschungsschwerpunkten für den Ersatz von herkömmlichem Lithiumeisenphosphat geworden. Die Forschung zu Festkörperbatterien mit noch größerem disruptiven Potenzial hat schrittweise Ergebnisse erzielt. Durch die Verwendung von Polymer- oder Oxidelektrolyten anstelle von flüssigen Elektrolyten wurde das Risiko eines thermischen Durchgehens erheblich reduziert und in Laborumgebungen wurden Energiedichten von über 400 Wh/kg und eine hervorragende Leistung bei niedrigen Temperaturen erreicht. Natriumionenbatterien sind aufgrund ihrer reichlich vorhandenen Ressourcen und geringen Kosten vielversprechend für die Energiespeicherung in großem Maßstab und Anwendungen für Elektrofahrzeuge mit niedriger Geschwindigkeit. Aktuelle Forschung konzentriert sich auf die strukturelle Optimierung von Schichtoxiden und polyanionischen Verbindungen zur Verbesserung der Zyklenstabilität und Geschwindigkeitsleistung.
Auch bei den physikalischen Energiespeichertechnologien gibt es vielfältige Durchbrüche. Pumpspeicherkraftwerke werden weiterhin im Hinblick auf hohe {{1}Förderhöhen, große-Kapazitätseinheiten und variable-Geschwindigkeitssteuerung optimiert, wodurch ihre Anpassungsfähigkeit an intermittierende Stromquellen verbessert wird. Die Energiespeicherung von Druckluft entwickelt sich in Richtung Adiabatisierung und flüssiger Luft und erweitert ihre Anwendung in der langfristigen Energiespeicherung, indem sie die Abhängigkeit von externen Wärmequellen verringert und die Effizienz der Energieumwandlung verbessert. Die Schwungrad-Energiespeicherung hat bei Hochgeschwindigkeits-Magnetschwebelagern und der Rotortechnologie aus Verbundwerkstoffen Fortschritte gemacht und ihre Leistungsdichte und Zykluslebensdauer erheblich verbessert, sodass sie für die Netzfrequenzregulierung und die Bremsenergierückgewinnung im Schienenverkehr geeignet ist.
Systemintegration und intelligente Steuerungsforschung treiben die Entwicklung von Energiespeichersystemen von „Einzelgeräten“ zu „kooperativen Netzwerken“ voran. Batteriemanagementsysteme (BMS) umfassen multiskalige Modellierung und Online-Diagnosealgorithmen, um den Gesundheitszustand (SOH) der Zelle zu bewerten und die verbleibende Lebensdauer (RUL) in Echtzeit vorherzusagen und so eine Grundlage für verfeinerten Betrieb und Wartung zu schaffen. Energiemanagementsysteme (EMS) kombinieren künstliche Intelligenz und Big-Data-Analysen, um Lade- und Entladestrategien über mehrere Zeitskalen hinweg zu optimieren. Sie sind mit Produktionsprognosen für erneuerbare Energien und Strompreissignalen verknüpft, wodurch die wirtschaftliche Effizienz und die Netzunterstützungsfähigkeiten verbessert werden. Darüber hinaus bietet die Anwendung der Digital-Twin-Technologie in der Energiespeichersystemsimulation und Fehlervorhersage neue Methoden zur Designverifizierung und Betriebsoptimierung.
Auch die Forschung zu Sicherheit und Nachhaltigkeit wird vertieft. Multi{1}physikalische Kopplungsmodelle für thermische Durchgehensmechanismen haben die Ausbreitungsgesetze der thermischen-elektrochemischen Kopplung aufgedeckt und die Entwicklung von Wärmeisolationsmaterialien, flammhemmenden Elektrolyten und mehrstufigen Schutzstrukturen geleitet. Die Forschung zur Kaskadennutzung ausgedienter Batterien konzentriert sich auf Technologien zur schnellen Erkennung des Gesundheitszustands und zur Neuausrichtung, damit sie weiterhin eine wertvolle Rolle in Szenarien mit niedriger{6}Entladung spielen und die Gesamtlebenszykluskosten sowie die Umweltbelastung reduzieren können.
Insgesamt schreitet die Forschung zu Energiespeichersystemen synergetisch voran, und zwar im Hinblick auf Hochleistungsmaterialien, Hoch-Sicherheitsstrukturen, hoch-Intelligenzmanagement und hohe Ressourcennutzungseffizienz. Die interdisziplinäre Integration und die enge Zusammenarbeit zwischen Industrie, Wissenschaft und Forschung haben die Industrialisierung von Laborergebnissen beschleunigt und eine solide technologische Grundlage für den Aufbau flexibler, zuverlässiger und kohlenstoffarmer neuer Energiesysteme geschaffen. In Zukunft werden Energiespeichersysteme mit weiteren Durchbrüchen bei Schlüsselmaterialien und Kernkomponenten eine noch entscheidendere Rolle bei der Neugestaltung der globalen Energielandschaft spielen.
