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前不久,，工業(yè)和信息化部等8部門聯(lián)合印發(fā)《新型儲能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動方案》,，提出“加快鋰電池等成熟技術(shù)迭代升級”。儲能電池技術(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、液流電池等不同類型的儲能電池加速發(fā)展,，重塑能源存儲版圖,。本期我們走近新型儲能電池，揭秘“能源容器”的科技密碼,。
鋰離子電池為何成為儲能電池的“頂流”
想象一下,，你的手機像一塊能反復吸水的海綿——充電時“吸水”（儲存電能），使用時“擠水”（釋放電能）,，這就是儲能電池的魔法,。在我國的新型儲能技術(shù)中，鋰離子電池儲能占比超過95%,，是當之無愧的“頂流”,。在儲能電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域——消費類電子、新能源汽車,、儲能電站中,，鋰離子電池占據(jù)了大多數(shù)場景。
2024年,，全球鋰離子電池出貨量超1.3太瓦時,。我國鋰離子電池總產(chǎn)量1170吉瓦時，同比增長24%,，行業(yè)總產(chǎn)值超過1.2萬億元,，鋰離子電池裝機量（含新能源汽車、新型儲能）超過645吉瓦時,，同比增長48%,。鋰離子電池與光伏產(chǎn)品和電動汽車“新三樣”產(chǎn)品，已經(jīng)成為我國出口產(chǎn)品的亮麗名片,。
電池儲存電能的能力,，取決于其儲存單位電子所需要的質(zhì)量。元素的荷質(zhì)比（即單位質(zhì)量所對應(yīng)的電荷量）越大,，在有限空間或質(zhì)量中儲存的電能越多,。在無毒無害且具有電化學活性的元素當中，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,。
在鋰離子電池當中，鋰元素是以化合物的形式嵌入在多層結(jié)構(gòu)的正,、負極當中的,，大多數(shù)情況下為+1價，即鋰離子狀態(tài),。它的工作原理“脫嵌反應(yīng)”,，就像圖書館的“書籍借還”系統(tǒng)：鋰離子在電池的正負極之間來回穿梭,，充電時從正極書架搬到負極書柜（從正極脫出、向負極嵌入）,，放電時又原路返回（從負極脫出,、向正極嵌入）。中間的電解質(zhì)如同圖書管理員,，確保搬運過程井然有序,。更神奇的是，電池內(nèi)部自帶充當“防盜門”的界面保護膜（SEI膜）,，讓這些“能量書籍”能夠長期穩(wěn)定保存,。能夠以高能形式長期穩(wěn)定工作，是鋰離子電池在儲能領(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,。其正極采用過渡金屬元素的氧化物，在地殼中的儲量較大,；其負極采用常見的石墨材料,，同樣成本較低。在汽車領(lǐng)域,，鋰離子電池的制造成本已經(jīng)能夠與內(nèi)燃機動力系統(tǒng)相競爭,。按照百公里用電量20千瓦時計算，電池充電僅需要20元左右,；而按照油價計算,，百公里油耗成本可能超過50元。2024年我國新能源汽車月銷量占比首次超過燃油車,，標志著新能源車正成為市場主流，這也是全球汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要里程碑,。
當前,，鋰離子電池在消費類電子領(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，以延長電子產(chǎn)品的續(xù)航時間,，提升充電速度,。對此，科學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,，同時在電極材料中增加高導電,、導離子材料,，以提升電池的充電速度。
新型儲能接下來要實現(xiàn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、市場化發(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化,，提升用戶體驗。傳統(tǒng)鋰離子電池主要采用有機液態(tài)電解質(zhì),，而有機電解質(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)來實現(xiàn)。安全保障方面,，科學家持續(xù)提升電池的能量密度和最大容量,，擴展鋰離子電池的性能邊界，同時保證電池的安全使用,。與此同時,，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)計過程。
這場科技的馬拉松永無止境：中國科學院物理研究所團隊孵化的衛(wèi)藍新能源科技股份有限公司,，研發(fā)出本質(zhì)安全的固態(tài)儲能電池,，通過長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,、儲能電站,、游艇中得到應(yīng)用；清華大學材料學院孵化的清陶（昆山）能源發(fā)展集團股份有限公司,，聚焦于固態(tài)鋰離子電池及其關(guān)鍵材料研發(fā),，采用納米級固態(tài)電解質(zhì)、復合正負極材料等技術(shù),，實現(xiàn)超高能量密度與長壽命性能的兼顧,，相關(guān)電池產(chǎn)品在新能源汽車,、特種儲能等領(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現(xiàn)實,。
值得一提的是，我國正在積極探索新能源汽車與電網(wǎng)雙向互動（V2G）,，通過充換電設(shè)施與供電網(wǎng)絡(luò)相連,，未來新能源汽車將在電網(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)藍圖還在不斷擴展,，存在無限可能,。隨著“雙碳”目標的推進，我國能源結(jié)構(gòu)持續(xù)向綠色低碳轉(zhuǎn)型,，國內(nèi)各個企業(yè)正多線布局儲能賽道,，在多種差異化技術(shù)路徑中積極實踐，為儲能發(fā)展瓶頸提供不同的解決方案,。截至2024年底,，我國新型儲能累計裝機規(guī)模超過70吉瓦，約為“十三五”末的20倍,。這場儲能革命不僅是技術(shù)之爭,，也是國家能源安全的戰(zhàn)略布局。
（作者為清華大學車輛與運載學院副教授）
編輯：李華山
