圖①：固態電池示意圖。

圖②：鈉離子電池示意圖。

圖③：液流電池示意圖。

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前不久，工業和信息化部等8部門聯合印發《新型儲能制造業高質量發展行動方案》，提出“加快鋰電池等成熟技術迭代升級”。儲能電池技術正經歷革命性突破，鋰離子電池、固態電池、鈉離子電池、液流電池等不同類型的儲能電池加速發展，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”

馮旭寧

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用領域——消費類電子、新能源汽車、儲能電站中，鋰離子電池占據了大多數場景。

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量1170吉瓦時，同比增長24%，行業總產值超過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品和電動汽車“新三樣”產品，已經成為我國出口產品的亮麗名片。

電池儲存電能的能力，取決于其儲存單位電子所需要的質量。元素的荷質比（即單位質量所對應的電荷量）越大，在有限空間或質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構的正、負極當中的，大多數情況下為+1價，即鋰離子狀態。它的工作原理“脫嵌反應”，就像圖書館的“書籍借還”系統：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”能夠長期穩定保存。能夠以高能形式長期穩定工作，是鋰離子電池在儲能領域脫穎而出的根本原因。

鋰離子電池還具有成本低廉的優勢。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。在汽車領域，鋰離子電池的制造成本已經能夠與內燃機動力系統相競爭。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轉型升級的重要里程碑。

當前，鋰離子電池在消費類電子領域應用已趨于成熟，相關產品更新換代較快，因此對電池壽命的要求并不高。科研攻關的主要方向，在于如何提高比能量、比功率，以延長電子產品的續航時間，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規模化、產業化、市場化發展，仍需在“固態化、安全化、智能化”等方面下功夫。圍繞著“材料創新、安全保障、智能優化”的發展周期，鋰離子電池正在不斷進化，提升用戶體驗。傳統鋰離子電池主要采用有機液態電解質，而有機電解質易燃，因此關鍵材料創新要靠采用本征不可燃的固態電解質來實現。安全保障方面，科學家持續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，業界正在探索使用AI算法尋找新型鋰離子電池材料，優化電池的制造過程，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藍新能源科技股份有限公司，研發出本質安全的固態儲能電池，通過長壽命電池體系搭建技術、“呼吸式”電池模組技術，控制電極界面始終處于最優狀態，顯著提升了固態電池的壽命，在新能源汽車、儲能電站、游艇中得到應用；清華大學材料學院孵化的清陶（昆山）能源發展集團股份有限公司，聚焦于固態鋰離子電池及其關鍵材料研發，采用納米級固態電解質、復合正負極材料等技術，實現超高能量密度與長壽命性能的兼顧，相關電池產品在新能源汽車、特種儲能等領域得到廣泛應用。這些“黑科技”讓我們相信，下一代電池正從科幻走進現實。

值得一提的是，我國正在積極探索新能源汽車與電網雙向互動（V2G），通過充換電設施與供電網絡相連，未來新能源汽車將在電網調峰中發揮更大作用。以鋰離子電池為核心的新型能源系統藍圖還在不斷擴展，存在無限可能。隨著“雙碳”目標的推進，我國能源結構持續向綠色低碳轉型，國內各個企業正多線布局儲能賽道，在多種差異化技術路徑中積極實踐，為儲能發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之爭，也是國家能源安全的戰略布局。

（作者為清華大學車輛與運載學院副教授）  

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固態電池

固態電池的工作原理基于鋰離子在正負極間的遷移和電荷轉移實現充放電，并用氧化物陶瓷基或玻璃陶瓷基等固態電解質替代了傳統易燃電解液。這不僅解決了鋰電池自燃風險，也讓能量密度實現飛躍。固態電池領域存在三大主流技術路線，包括硫化物固態電池、氧化物固態電池以及聚合物固態電池，其主要區別在于所采用的固態電解質類型。硫化物體系離子電導率較高，具有良好的機械性能；氧化物體系穩定性更佳，適合消費類電子產品；聚合物體系工藝最為成熟，但性能達到上限難以突破。固態電池最大的特點是安全，非常適合用于儲能領域，裝機使用可以保障儲能電站安全運行。同時，固態電池工作溫域范圍較寬，能在零下20攝氏度至60攝氏度的寬溫域內穩定工作，無論嚴寒或酷熱都能穩定運行，拓寬了儲能系統的物理分布場景。但儲能用固態電池目前仍處于示范階段，要想實現規模化、商業化，還需進一步降低成本。

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勢，其工作原理類似鋰電池，通過鈉離子在正負極之間的移動進行能量存儲和釋放。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已在我國實現規模化應用，2024年5月，廣西伏林儲能電站在廣西壯族自治區南寧市投入運營，是我國新型儲能領域內首個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、普魯士藍類化合物三大技術路線。其中，層狀氧化物循環壽命、倍率性能、物料成本等方面綜合表現較好，已率先實現產業化。

液流電池

液流電池具有安全性高、使用壽命長、可靈活獨立設計、對環境友好等特性，是大規模長時儲能的首選技術之一。其中，全釩液流電池已進入商業化初期階段。其工作原理是將電能儲存在電解液中，通過釩離子價態變化實現充放電。全釩液流電池的循環壽命超2萬次，而且當壽命到期時，其電解液的殘值和循環利用價值高達30%以上，可以進一步攤低成本。在全釩液流電池的應用方面，國內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新（高濃度、混合酸）、電堆結構優化（碳塑雙極板、國產化膜材料）及商業模式革新（租賃模式、殘值回收）等方式不斷提升其經濟性。

（作者為中國汽車工程學會副秘書長戰靜靜）

學術支持：中國科學技術協會、中國汽車工程學會

本版圖片均為中國汽車工程學會提供