中國儲能網訊：科技興則民族興，科技強則國家強。習近平總書記指出：“必須充分認識科技的戰(zhàn)略先導地位和根本支撐作用，錨定2035年建成科技強國的戰(zhàn)略目標，加強頂層設計和統籌謀劃，加快實現高水平科技自立自強?！碑斍?，新一輪科技革命和產業(yè)變革深入發(fā)展，以人工智能、量子科技、生命科學、物質科學、空間科學、綠色低碳技術等為代表的前沿研究，不斷取得新進展、新突破。
由中國科協學術支持、人民日報制作的 “科技?新知” 版，每周與讀者見面。讓我們共同走近國內外前沿科技，在趣味中拆解科學新知，領略科學的無窮魅力。
前不久，工業(yè)和信息化部等8部門聯合印發(fā)《新型儲能制造業(yè)高質量發(fā)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(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。本期中國科協和中國汽車工程學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(yè)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(tài)。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(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(yè)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?？蒲泄リP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(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規(guī)?；?、產業(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。傳統鋰離子電池主要采用有機液態(tài)電解質，而有機電解質易燃，因此關鍵材料創(chuàng)新要靠采用本征不可燃的固態(tài)電解質來實現。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)出本質安全的固態(tài)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(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)鋰離子電池及其關鍵材料研發(fā)，采用納米級固態(tài)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(fā)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(xù)向綠色低碳轉型，國內各個企業(yè)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(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馮旭寧）
