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圖①：固態(tài)電池示意圖,。

圖②：鈉離子電池示意圖,。

圖③：液流電池示意圖,。

核心閱讀

前不久,，工業(yè)和信息化部等8部門(mén)聯(lián)合印發(fā)《新型儲(chǔ)能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動(dòng)方案》,，提出“加快鋰電池等成熟技術(shù)迭代升級(jí)”,。儲(chǔ)能電池技術(shù)正經(jīng)歷革命性突破,，鋰離子電池,、固態(tài)電池,、鈉離子電池,、液流電池等不同類(lèi)型的儲(chǔ)能電池加速發(fā)展，重塑能源存儲(chǔ)版圖,。本期我們走近新型儲(chǔ)能電池,，揭秘“能源容器”的科技密碼。

鋰離子電池為何成為儲(chǔ)能電池的“頂流”

馮旭寧

想象一下,，你的手機(jī)像一塊能反復(fù)吸水的海綿——充電時(shí)“吸水”（儲(chǔ)存電能）,，使用時(shí)“擠水”（釋放電能）,，這就是儲(chǔ)能電池的魔法。在我國(guó)的新型儲(chǔ)能技術(shù)中,，鋰離子電池儲(chǔ)能占比超過(guò)95%,，是當(dāng)之無(wú)愧的“頂流”。在儲(chǔ)能電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域——消費(fèi)類(lèi)電子,、新能源汽車(chē),、儲(chǔ)能電站中，鋰離子電池占據(jù)了大多數(shù)場(chǎng)景,。

2024年,，全球鋰離子電池出貨量超1.3太瓦時(shí)。我國(guó)鋰離子電池總產(chǎn)量1170吉瓦時(shí),，同比增長(zhǎng)24%,，行業(yè)總產(chǎn)值超過(guò)1.2萬(wàn)億元，鋰離子電池裝機(jī)量（含新能源汽車(chē),、新型儲(chǔ)能）超過(guò)645吉瓦時(shí),，同比增長(zhǎng)48%。鋰離子電池與光伏產(chǎn)品和電動(dòng)汽車(chē)“新三樣”產(chǎn)品,，已經(jīng)成為我國(guó)出口產(chǎn)品的亮麗名片,。

電池儲(chǔ)存電能的能力，取決于其儲(chǔ)存單位電子所需要的質(zhì)量,。元素的荷質(zhì)比（即單位質(zhì)量所對(duì)應(yīng)的電荷量）越大,，在有限空間或質(zhì)量中儲(chǔ)存的電能越多。在無(wú)毒無(wú)害且具有電化學(xué)活性的元素當(dāng)中,，鋰元素是荷質(zhì)比最高的固體元素,，這種特性讓鋰成為高能量密度電池的一種基本元素。

在鋰離子電池當(dāng)中,，鋰元素是以化合物的形式嵌入在多層結(jié)構(gòu)的正,、負(fù)極當(dāng)中的，大多數(shù)情況下為+1價(jià),，即鋰離子狀態(tài),。它的工作原理“脫嵌反應(yīng)”，就像圖書(shū)館的“書(shū)籍借還”系統(tǒng)：鋰離子在電池的正負(fù)極之間來(lái)回穿梭,，充電時(shí)從正極書(shū)架搬到負(fù)極書(shū)柜（從正極脫出,、向負(fù)極嵌入），放電時(shí)又原路返回（從負(fù)極脫出,、向正極嵌入）,。中間的電解質(zhì)如同圖書(shū)管理員，確保搬運(yùn)過(guò)程井然有序。更神奇的是,，電池內(nèi)部自帶充當(dāng)“防盜門(mén)”的界面保護(hù)膜（SEI膜）,，讓這些“能量書(shū)籍”能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定保存。能夠以高能形式長(zhǎng)期穩(wěn)定工作,，是鋰離子電池在儲(chǔ)能領(lǐng)域脫穎而出的根本原因,。

鋰離子電池還具有成本低廉的優(yōu)勢(shì)。其正極采用過(guò)渡金屬元素的氧化物,，在地殼中的儲(chǔ)量較大,；其負(fù)極采用常見(jiàn)的石墨材料，同樣成本較低,。在汽車(chē)領(lǐng)域,，鋰離子電池的制造成本已經(jīng)能夠與內(nèi)燃機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)相競(jìng)爭(zhēng)。按照百公里用電量20千瓦時(shí)計(jì)算,，電池充電僅需要20元左右,；而按照油價(jià)計(jì)算，百公里油耗成本可能超過(guò)50元,。2024年我國(guó)新能源汽車(chē)月銷(xiāo)量占比首次超過(guò)燃油車(chē),，標(biāo)志著新能源車(chē)正成為市場(chǎng)主流，這也是全球汽車(chē)行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要里程碑,。

當(dāng)前,，鋰離子電池在消費(fèi)類(lèi)電子領(lǐng)域應(yīng)用已趨于成熟，相關(guān)產(chǎn)品更新?lián)Q代較快,，因此對(duì)電池壽命的要求并不高,。科研攻關(guān)的主要方向,，在于如何提高比能量,、比功率，以延長(zhǎng)電子產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間,，提升充電速度,。對(duì)此，科學(xué)家們正在研究采用石墨摻硅的方式獲得更高的電池比能量,，同時(shí)在電極材料中增加高導(dǎo)電,、導(dǎo)離子材料，以提升電池的充電速度,。

新型儲(chǔ)能接下來(lái)要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)業(yè)化,、市場(chǎng)化發(fā)展,，仍需在“固態(tài)化,、安全化,、智能化”等方面下功夫,。圍繞著“材料創(chuàng)新、安全保障,、智能優(yōu)化”的發(fā)展周期,，鋰離子電池正在不斷進(jìn)化，提升用戶(hù)體驗(yàn),。傳統(tǒng)鋰離子電池主要采用有機(jī)液態(tài)電解質(zhì),，而有機(jī)電解質(zhì)易燃，因此關(guān)鍵材料創(chuàng)新要靠采用本征不可燃的固態(tài)電解質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn),。安全保障方面,，科學(xué)家持續(xù)提升電池的能量密度和最大容量，擴(kuò)展鋰離子電池的性能邊界,，同時(shí)保證電池的安全使用,。與此同時(shí)，業(yè)界正在探索使用AI算法尋找新型鋰離子電池材料,，優(yōu)化電池的制造過(guò)程,，提升電池全生命周期的管控效率，加速鋰離子電池的正向設(shè)計(jì)過(guò)程,。

這場(chǎng)科技的馬拉松永無(wú)止境：中國(guó)科學(xué)院物理研究所團(tuán)隊(duì)孵化的衛(wèi)藍(lán)新能源科技股份有限公司,，研發(fā)出本質(zhì)安全的固態(tài)儲(chǔ)能電池，通過(guò)長(zhǎng)壽命電池體系搭建技術(shù),、“呼吸式”電池模組技術(shù),，控制電極界面始終處于最優(yōu)狀態(tài)，顯著提升了固態(tài)電池的壽命,，在新能源汽車(chē),、儲(chǔ)能電站、游艇中得到應(yīng)用,；清華大學(xué)材料學(xué)院孵化的清陶（昆山）能源發(fā)展集團(tuán)股份有限公司,，聚焦于固態(tài)鋰離子電池及其關(guān)鍵材料研發(fā)，采用納米級(jí)固態(tài)電解質(zhì),、復(fù)合正負(fù)極材料等技術(shù),，實(shí)現(xiàn)超高能量密度與長(zhǎng)壽命性能的兼顧，相關(guān)電池產(chǎn)品在新能源汽車(chē),、特種儲(chǔ)能等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,。這些“黑科技”讓我們相信，下一代電池正從科幻走進(jìn)現(xiàn)實(shí),。

值得一提的是,，我國(guó)正在積極探索新能源汽車(chē)與電網(wǎng)雙向互動(dòng)（V2G）,，通過(guò)充換電設(shè)施與供電網(wǎng)絡(luò)相連，未來(lái)新能源汽車(chē)將在電網(wǎng)調(diào)峰中發(fā)揮更大作用,。以鋰離子電池為核心的新型能源系統(tǒng)藍(lán)圖還在不斷擴(kuò)展,，存在無(wú)限可能。隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn),，我國(guó)能源結(jié)構(gòu)持續(xù)向綠色低碳轉(zhuǎn)型,，國(guó)內(nèi)各個(gè)企業(yè)正多線(xiàn)布局儲(chǔ)能賽道，在多種差異化技術(shù)路徑中積極實(shí)踐,，為儲(chǔ)能發(fā)展瓶頸提供不同的解決方案,。截至2024年底，我國(guó)新型儲(chǔ)能累計(jì)裝機(jī)規(guī)模超過(guò)70吉瓦,，約為“十三五”末的20倍,。這場(chǎng)儲(chǔ)能革命不僅是技術(shù)之爭(zhēng)，也是國(guó)家能源安全的戰(zhàn)略布局,。

（作者為清華大學(xué)車(chē)輛與運(yùn)載學(xué)院副教授）  

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固態(tài)電池

固態(tài)電池的工作原理基于鋰離子在正負(fù)極間的遷移和電荷轉(zhuǎn)移實(shí)現(xiàn)充放電,，并用氧化物陶瓷基或玻璃陶瓷基等固態(tài)電解質(zhì)替代了傳統(tǒng)易燃電解液。這不僅解決了鋰電池自燃風(fēng)險(xiǎn),，也讓能量密度實(shí)現(xiàn)飛躍,。固態(tài)電池領(lǐng)域存在三大主流技術(shù)路線(xiàn)，包括硫化物固態(tài)電池,、氧化物固態(tài)電池以及聚合物固態(tài)電池,，其主要區(qū)別在于所采用的固態(tài)電解質(zhì)類(lèi)型。硫化物體系離子電導(dǎo)率較高,，具有良好的機(jī)械性能,；氧化物體系穩(wěn)定性更佳，適合消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品,；聚合物體系工藝最為成熟,，但性能達(dá)到上限難以突破。固態(tài)電池最大的特點(diǎn)是安全,，非常適合用于儲(chǔ)能領(lǐng)域,，裝機(jī)使用可以保障儲(chǔ)能電站安全運(yùn)行。同時(shí),，固態(tài)電池工作溫域范圍較寬,，能在零下20攝氏度至60攝氏度的寬溫域內(nèi)穩(wěn)定工作，無(wú)論嚴(yán)寒或酷熱都能穩(wěn)定運(yùn)行,，拓寬了儲(chǔ)能系統(tǒng)的物理分布場(chǎng)景,。但儲(chǔ)能用固態(tài)電池目前仍處于示范階段，要想實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、商業(yè)化,，還需進(jìn)一步降低成本。

鈉離子電池

鈉離子電池具有資源豐富,、成本較低和安全性較高等優(yōu)勢(shì),，其工作原理類(lèi)似鋰電池，通過(guò)鈉離子在正負(fù)極之間的移動(dòng)進(jìn)行能量存儲(chǔ)和釋放,。相比鋰離子電池,，鈉離子電池能量密度略低（120—160瓦時(shí)/公斤）,，但其材料成本可降低30%—40%,，且具有零下40攝氏度至80攝氏度的寬溫域性能，適合儲(chǔ)能電站等場(chǎng)景,。鈉離子電池儲(chǔ)能技術(shù)已在我國(guó)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用，2024年5月,，廣西伏林儲(chǔ)能電站在廣西壯族自治區(qū)南寧市投入運(yùn)營(yíng),，是我國(guó)新型儲(chǔ)能領(lǐng)域內(nèi)首個(gè)10兆瓦時(shí)的鈉離子電池儲(chǔ)能電站。鈉離子電池正極材料主要有層狀氧化物,、聚陰離子化合物,、普魯士藍(lán)類(lèi)化合物三大技術(shù)路線(xiàn)。其中,，層狀氧化物循環(huán)壽命,、倍率性能、物料成本等方面綜合表現(xiàn)較好,，已率先實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,。

液流電池

液流電池具有安全性高、使用壽命長(zhǎng),、可靈活獨(dú)立設(shè)計(jì),、對(duì)環(huán)境友好等特性，是大規(guī)模長(zhǎng)時(shí)儲(chǔ)能的首選技術(shù)之一,。其中,，全釩液流電池已進(jìn)入商業(yè)化初期階段。其工作原理是將電能儲(chǔ)存在電解液中,，通過(guò)釩離子價(jià)態(tài)變化實(shí)現(xiàn)充放電,。全釩液流電池的循環(huán)壽命超2萬(wàn)次，而且當(dāng)壽命到期時(shí),，其電解液的殘值和循環(huán)利用價(jià)值高達(dá)30%以上,，可以進(jìn)一步攤低成本。在全釩液流電池的應(yīng)用方面,，國(guó)內(nèi)外普遍面臨能量效率低,、成本高等問(wèn)題,。對(duì)此，可通過(guò)電解液體系創(chuàng)新（高濃度,、混合酸）,、電堆結(jié)構(gòu)優(yōu)化（碳塑雙極板、國(guó)產(chǎn)化膜材料）及商業(yè)模式革新（租賃模式,、殘值回收）等方式不斷提升其經(jīng)濟(jì)性,。

（作者為中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)副秘書(shū)長(zhǎng)戰(zhàn)靜靜）

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