“能源容器”的科技密码（瞰前沿）

本文转自：人民日报

新型储能电池重塑能源存储版图——

“能源容器”的科技密码（瞰前沿）

图①：固态电池示意图。

图②：钠离子电池示意图。

图③：液流电池示意图。

核心阅读

前不久，工业和信息化部等8部门联合印发《新型储能制造业高质量发展行动方案》，提出“加快锂电池等成熟技术迭代升级”。储能电池技术正经历革命性突破，锂离子电池、固态电池、钠离子电池、液流电池等不同类型的储能电池加速发展，重塑能源存储版图。本期我们走近新型储能电池，揭秘“能源容器”的科技密码。

锂离子电池为何成为储能电池的“顶流”

冯旭宁

想象一下，你的手机像一块能反复吸水的海绵——充电时“吸水”（储存电能），使用时“挤水”（释放电能），这就是储能电池的魔法。在我国的新型储能技术中，锂离子电池储能占比超过95%，是当之无愧的“顶流”。在储能电池的主要应用领域——消费类电子、新能源汽车、储能电站中，锂离子电池占据了大多数场景。

2024年，全球锂离子电池出货量超1.3太瓦时。我国锂离子电池总产量1170吉瓦时，同比增长24%，行业总产值超过1.2万亿元，锂离子电池装机量（含新能源汽车、新型储能）超过645吉瓦时，同比增长48%。锂离子电池与光伏产品和电动汽车“新三样”产品，已经成为我国出口产品的亮丽名片。

电池储存电能的能力，取决于其储存单位电子所需要的质量。元素的荷质比（即单位质量所对应的电荷量）越大，在有限空间或质量中储存的电能越多。在无毒无害且具有电化学活性的元素当中，锂元素是荷质比最高的固体元素，这种特性让锂成为高能量密度电池的一种基本元素。

在锂离子电池当中，锂元素是以化合物的形式嵌入在多层结构的正、负极当中的，大多数情况下为+1价，即锂离子状态。它的工作原理“脱嵌反应”，就像图书馆的“书籍借还”系统：锂离子在电池的正负极之间来回穿梭，充电时从正极书架搬到负极书柜（从正极脱出、向负极嵌入），放电时又原路返回（从负极脱出、向正极嵌入）。中间的电解质如同图书管理员，确保搬运过程井然有序。更神奇的是，电池内部自带充当“防盗门”的界面保护膜（SEI膜），让这些“能量书籍”能够长期稳定保存。能够以高能形式长期稳定工作，是锂离子电池在储能领域脱颖而出的根本原因。

锂离子电池还具有成本低廉的优势。其正极采用过渡金属元素的氧化物，在地壳中的储量较大；其负极采用常见的石墨材料，同样成本较低。在汽车领域，锂离子电池的制造成本已经能够与内燃机动力系统相竞争。按照百公里用电量20千瓦时计算，电池充电仅需要20元左右；而按照油价计算，百公里油耗成本可能超过50元。2024年我国新能源汽车月销量占比首次超过燃油车，标志着新能源车正成为市场主流，这也是全球汽车行业转型升级的重要里程碑。

当前，锂离子电池在消费类电子领域应用已趋于成熟，相关产品更新换代较快，因此对电池寿命的要求并不高。科研攻关的主要方向，在于如何提高比能量、比功率，以延长电子产品的续航时间，提升充电速度。对此，科学家们正在研究采用石墨掺硅的方式获得更高的电池比能量，同时在电极材料中增加高导电、导离子材料，以提升电池的充电速度。

新型储能接下来要实现规模化、产业化、市场化发展，仍需在“固态化、安全化、智能化”等方面下功夫。围绕着“材料创新、安全保障、智能优化”的发展周期，锂离子电池正在不断进化，提升用户体验。传统锂离子电池主要采用有机液态电解质，而有机电解质易燃，因此关键材料创新要靠采用本征不可燃的固态电解质来实现。安全保障方面，科学家持续提升电池的能量密度和最大容量，扩展锂离子电池的性能边界，同时保证电池的安全使用。与此同时，业界正在探索使用AI算法寻找新型锂离子电池材料，优化电池的制造过程，提升电池全生命周期的管控效率，加速锂离子电池的正向设计过程。

这场科技的马拉松永无止境：中国科学院物理研究所团队孵化的卫蓝新能源科技股份有限公司，研发出本质安全的固态储能电池，通过长寿命电池体系搭建技术、“呼吸式”电池模组技术，控制电极界面始终处于最优状态，显著提升了固态电池的寿命，在新能源汽车、储能电站、游艇中得到应用；清华大学材料学院孵化的清陶（昆山）能源发展集团股份有限公司，聚焦于固态锂离子电池及其关键材料研发，采用纳米级固态电解质、复合正负极材料等技术，实现超高能量密度与长寿命性能的兼顾，相关电池产品在新能源汽车、特种储能等领域得到广泛应用。这些“黑科技”让我们相信，下一代电池正从科幻走进现实。

值得一提的是，我国正在积极探索新能源汽车与电网双向互动（V2G），通过充换电设施与供电网络相连，未来新能源汽车将在电网调峰中发挥更大作用。以锂离子电池为核心的新型能源系统蓝图还在不断扩展，存在无限可能。随着“双碳”目标的推进，我国能源结构持续向绿色低碳转型，国内各个企业正多线布局储能赛道，在多种差异化技术路径中积极实践，为储能发展瓶颈提供不同的解决方案。截至2024年底，我国新型储能累计装机规模超过70吉瓦，约为“十三五”末的20倍。这场储能革命不仅是技术之争，也是国家能源安全的战略布局。

（作者为清华大学车辆与运载学院副教授）

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固态电池

固态电池的工作原理基于锂离子在正负极间的迁移和电荷转移实现充放电，并用氧化物陶瓷基或玻璃陶瓷基等固态电解质替代了传统易燃电解液。这不仅解决了锂电池自燃风险，也让能量密度实现飞跃。固态电池领域存在三大主流技术路线，包括硫化物固态电池、氧化物固态电池以及聚合物固态电池，其主要区别在于所采用的固态电解质类型。硫化物体系离子电导率较高，具有良好的机械性能；氧化物体系稳定性更佳，适合消费类电子产品；聚合物体系工艺最为成熟，但性能达到上限难以突破。固态电池最大的特点是安全，非常适合用于储能领域，装机使用可以保障储能电站安全运行。同时，固态电池工作温域范围较宽，能在零下20摄氏度至60摄氏度的宽温域内稳定工作，无论严寒或酷热都能稳定运行，拓宽了储能系统的物理分布场景。但储能用固态电池目前仍处于示范阶段，要想实现规模化、商业化，还需进一步降低成本。

钠离子电池

钠离子电池具有资源丰富、成本较低和安全性较高等优势，其工作原理类似锂电池，通过钠离子在正负极之间的移动进行能量存储和释放。相比锂离子电池，钠离子电池能量密度略低（120—160瓦时/公斤），但其材料成本可降低30%—40%，且具有零下40摄氏度至80摄氏度的宽温域性能，适合储能电站等场景。钠离子电池储能技术已在我国实现规模化应用，2024年5月，广西伏林储能电站在广西壮族自治区南宁市投入运营，是我国新型储能领域内首个10兆瓦时的钠离子电池储能电站。钠离子电池正极材料主要有层状氧化物、聚阴离子化合物、普鲁士蓝类化合物三大技术路线。其中，层状氧化物循环寿命、倍率性能、物料成本等方面综合表现较好，已率先实现产业化。

液流电池

液流电池具有安全性高、使用寿命长、可灵活独立设计、对环境友好等特性，是大规模长时储能的首选技术之一。其中，全钒液流电池已进入商业化初期阶段。其工作原理是将电能储存在电解液中，通过钒离子价态变化实现充放电。全钒液流电池的循环寿命超2万次，而且当寿命到期时，其电解液的残值和循环利用价值高达30%以上，可以进一步摊低成本。在全钒液流电池的应用方面，国内外普遍面临能量效率低、成本高等问题。对此，可通过电解液体系创新（高浓度、混合酸）、电堆结构优化（碳塑双极板、国产化膜材料）及商业模式革新（租赁模式、残值回收）等方式不断提升其经济性。

（作者为中国汽车工程学会副秘书长战静静）

学术支持：中国科学技术协会、中国汽车工程学会

本版图片均为中国汽车工程学会提供