中國儲能網(wǎng)訊：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。本期中國科協(xié)和中國汽車工程學(xué)會帶您走近新型儲能電池，揭秘“能源容器”的科技密碼。
想象一下，你的手機(jī)像一塊能反復(fù)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(dāng)之無愧的“頂流”。在儲能電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域——消費(fèi)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(jī)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(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，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(fù)極之間來回穿梭，充電時從正極書架搬到負(fù)極書柜（從正極脫出、向負(fù)極嵌入），放電時又原路返回（從負(fù)極脫出、向正極嵌入）。中間的電解質(zhì)如同圖書管理員，確保搬運(yùn)過程井然有序。更神奇的是，電池內(nèi)部自帶充當(dāng)“防盜門”的界面保護(hù)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(fù)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(jī)動力系統(tǒng)相競爭。按照百公里用電量20千瓦時計(jì)算，電池充電僅需要20元左右；而按照油價計(jì)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(biāo)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(dāng)前，鋰離子電池在消費(fèi)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?？蒲泄リP(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(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。
新型儲能接下來要實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、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(jìn)化，提升用戶體驗(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(jì)過程。
這場科技的馬拉松永無止境：中國科學(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(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(jìn)現(xiàn)實(shí)。
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(lán)圖還在不斷擴(kuò)展，存在無限可能。隨著“雙碳”目標(biāo)的推進(jìn)，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(shí)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(jì)裝機(jī)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(xué)車輛與運(yùn)載學(xué)院副教授馮旭寧）
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，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，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，非常適合用于儲能領(lǐng)域，裝機(jī)使用可以保障儲能電站安全運(yùn)行。同時，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，無論嚴(yán)寒或酷熱都能穩(wěn)定運(yùn)行，拓寬了儲能系統(tǒng)的物理分布場景。但儲能用固態(tài)電池目前仍處于示范階段，要想實(shí)現(xiàn)規(guī)模化、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，其工作原理類似鋰電池，通過鈉離子在正負(fù)極之間的移動進(jìn)行能量存儲和釋放。相比鋰離子電池，鈉離子電池能量密度略低（120—160瓦時/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，適合儲能電站等場景。鈉離子電池儲能技術(shù)已在我國實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用，2024年5月，廣西伏林儲能電站在廣西壯族自治區(qū)南寧市投入運(yùn)營，是我國新型儲能領(lǐng)域內(nèi)首個10兆瓦時的鈉離子電池儲能電站。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)類化合物三大技術(shù)路線。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、可靈活獨(dú)立設(shè)計(jì)、對環(huán)境友好等特性，是大規(guī)模長時儲能的首選技術(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存在電解液中，通過釩離子價態(tài)變化實(shí)現(xiàn)充放電。全釩液流電池的循環(huán)壽命超2萬次，而且當(dāng)壽命到期時，其電解液的殘值和循環(huán)利用價值高達(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，國內(nèi)外普遍面臨能量效率低、成本高等問題。對此，可通過電解液體系創(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。
（作者為中國汽車工程學(xué)會副秘書長戰(zhàn)靜靜）
