中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：科技興則民族興，科技強(qiáng)則國(guó)家強(qiáng)。習(xí)近平總書記指出：“必須充分認(rèn)識(shí)科技的戰(zhàn)略先導(dǎo)地位和根本支撐作用，錨定2035年建成科技強(qiáng)國(guó)的戰(zhàn)略目標(biāo)，加強(qiáng)頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌謀劃，加快實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)?！碑?dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展，以人工智能、量子科技、生命科學(xué)、物質(zhì)科學(xué)、空間科學(xué)、綠色低碳技術(shù)等為代表的前沿研究，不斷取得新進(jìn)展、新突破。
由中國(guó)科協(xié)學(xué)術(shù)支持、人民日?qǐng)?bào)制作的 “科技?新知” 版，每周與讀者見面。讓我們共同走近國(guó)內(nèi)外前沿科技，在趣味中拆解科學(xué)新知，領(lǐng)略科學(xué)的無窮魅力。
前不久，工業(yè)和信息化部等8部門聯(lián)合印發(fā)《新型儲(chǔ)能制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展行動(dòng)方案》，提出“加快鋰電池等成熟技術(shù)迭代升級(jí)”。儲(chǔ)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(chǔ)能電池加速發(fā)展，重塑能源存儲(chǔ)版圖。本期中國(guó)科協(xié)和中國(guó)汽車工程學(xué)會(huì)帶您走近新型儲(chǔ)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(shí)“吸水”（儲(chǔ)存電能），使用時(shí)“擠水”（釋放電能），這就是儲(chǔ)能電池的魔法。在我國(guó)的新型儲(chǔ)能技術(shù)中，鋰離子電池儲(chǔ)能占比超過95%，是當(dāng)之無愧的“頂流”。在儲(chǔ)能電池的主要應(yīng)用領(lǐng)域——消費(fèi)類電子、新能源汽車、儲(chǔ)能電站中，鋰離子電池占據(jù)了大多數(shù)場(chǎng)景。
2024年，全球鋰離子電池出貨量超1.3太瓦時(shí)。我國(guó)鋰離子電池總產(chǎn)量1170吉瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)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(chǔ)能）超過645吉瓦時(shí)，同比增長(zhǎng)48%。鋰離子電池與光伏產(chǎn)品和電動(dòng)汽車“新三樣”產(chǎn)品，已經(jīng)成為我國(guó)出口產(chǎn)品的亮麗名片。
電池儲(chǔ)存電能的能力，取決于其儲(chǔ)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(duì)應(yīng)的電荷量）越大，在有限空間或質(zhì)量中儲(chǔ)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(jià)，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(shí)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(shí)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(zhǎng)期穩(wěn)定保存。能夠以高能形式長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，是鋰離子電池在儲(chǔ)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(shì)。其正極采用過渡金屬元素的氧化物，在地殼中的儲(chǔ)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(dòng)力系統(tǒng)相競(jìng)爭(zhēng)。按照百公里用電量20千瓦時(shí)計(jì)算，電池充電僅需要20元左右；而按照油價(jià)計(jì)算，百公里油耗成本可能超過50元。2024年我國(guó)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(chǎng)主流，這也是全球汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)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(duì)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(zhǎng)電子產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間，提升充電速度。對(duì)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(shí)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(chǔ)能接下來要實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化、市場(chǎng)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(shí)保證電池的安全使用。與此同時(shí)，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(chǎng)科技的馬拉松永無止境：中國(guó)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(chǔ)能電池，通過長(zhǎng)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(chǔ)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(jí)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(zhǎng)壽命性能的兼顧，相關(guān)電池產(chǎn)品在新能源汽車、特種儲(chǔ)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(guó)正在積極探索新能源汽車與電網(wǎng)雙向互動(dòng)（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(guó)能源結(jié)構(gòu)持續(xù)向綠色低碳轉(zhuǎn)型，國(guó)內(nèi)各個(gè)企業(yè)正多線布局儲(chǔ)能賽道，在多種差異化技術(shù)路徑中積極實(shí)踐，為儲(chǔ)能發(fā)展瓶頸提供不同的解決方案。截至2024年底，我國(guó)新型儲(chǔ)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(chǎng)儲(chǔ)能革命不僅是技術(shù)之爭(zhēng)，也是國(guó)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）
