“能源容器”的科技密码（瞰前沿）

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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

钠离子电池

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

《人民日报》（2025年03月29日07版）