清潔高效的可再生能源技術(shù)是人類社會實現(xiàn)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。電能存儲技術(shù)是實現(xiàn)電網(wǎng)穩(wěn)定與智能化、可再生能源的高效利用，以及電氣化交通的關(guān)鍵技術(shù)。電能與物質(zhì)之間的轉(zhuǎn)換則是實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)與循環(huán)經(jīng)濟的重要途徑。因此，基于材料電化學(xué)的電能存儲與轉(zhuǎn)換技術(shù)迎來了前所未有的機遇，在機理、關(guān)鍵材料、性能、器件等方面取得豐碩成果的同時，也面臨一些重大挑戰(zhàn)。

動力電池是以電動車為代表的電氣化交通的核心技術(shù)，能量與功率密度、安全與循環(huán)壽命是其關(guān)鍵性技術(shù)指標(biāo)。鋰離子電池是目前廣泛采用的動力電池技術(shù)，近年來其性能提升與成本下降推動了全球電動車行業(yè)的迅速發(fā)展。鋰金屬電池以其高能量密度，被認(rèn)為是未來提高電動車?yán)锍痰募夹g(shù)。其中，鋰金屬-空氣電池是一種激進的思路。筆者認(rèn)為其正負(fù)兩極的難點問題正是電能存儲與轉(zhuǎn)換技術(shù)研究目前所面臨的“兩朵烏云”：鋰負(fù)極穩(wěn)定沉積研究雖然在抑制支晶生長方面取得了進展，但仍無法避免高電流密度下的不可逆反應(yīng)，所造成的鋰金屬與電解液的消耗仍是未解難題；空氣正極緩慢復(fù)雜的ORR/OER（氧還原反應(yīng)/析氧反應(yīng)）造成嚴(yán)重的極化損失，從而制約了電池的能量效率。妥善解決這兩個難題須依賴材料化學(xué)領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)移，若能撥云見日，電能存儲與轉(zhuǎn)換將取得突破性進步，推動多項新技術(shù)的市場化應(yīng)用，增進人類福祉。

為尋求更安全、緊湊的動力電池，固態(tài)電解質(zhì)近年來獲得了廣泛關(guān)注，但是純固態(tài)電池仍存在鋰離子電導(dǎo)率低、界面電阻過高以及穩(wěn)定性差等技術(shù)難點，半固態(tài)電池成為兼顧安全與性能的折中方案?；诟邼舛蠕圎}的水系鋰離子電池可以同時具備高電壓與高安全，但是這類電池電解液成本高，不利于規(guī)模化應(yīng)用?？紤]到鋰資源的稀缺性與高成本，鈉離子電池被視為潛在的替代技術(shù)，但是其能量密度、倍率與循環(huán)性能仍不甚理想，而且存在電壓平臺短和電芯一致性較差的技術(shù)難點，目前與成熟的磷酸鐵鋰電池相比在性能與價格上均無優(yōu)勢。

燃料電池是電動車的另一技術(shù)方案，其全生命周期環(huán)境影響可能低于鋰離子電池。近年來隨著催化材料和膜材料的技術(shù)進步，其性能獲得了迅速提升。氫燃料電池的主要技術(shù)難點在于儲氫，直接甲醇燃料電池則存在功率較低和甲醇滲透的問題，二者同時還面臨ORR反應(yīng)緩慢與極化損失過大的問題，屬于上文提到的第二朵烏云。

隨著可再生能源發(fā)電占比的迅速提升以及峰谷電價差的推廣，供給側(cè)與用戶側(cè)的電網(wǎng)儲能需求在迅速增長。與動力電池追求高能量與功率密度不同，電網(wǎng)儲能電池更加側(cè)重低成本、高安全與長壽命，以鉛酸電池為代表的水系電池以其高本質(zhì)安全特性與較低成本，成為儲能電池的良好選擇。其他類型的水系電池研究近期獲得了廣泛關(guān)注，但是技術(shù)成熟度（TRL）均未達到市場化水平，例如，鈉離子水系電池大都是電池-電容混合型，器件電壓平臺不明顯；轉(zhuǎn)換型電極則由于副反應(yīng)的存在，往往表現(xiàn)出不甚理想的法拉第效率與能量效率，在低倍率情況下尤為嚴(yán)重。有學(xué)者基于循環(huán)經(jīng)濟的“再利用”思路提出“鋰離子電池梯度利用”，建議將退役鋰離子動力電池用于電網(wǎng)儲能。但是，鋰離子電池儲能電站近年來發(fā)生過多次由熱失控引發(fā)的火災(zāi)事故，由于鋰離子電池的潛在危害性以及儲能電站電池用量巨大，其安全隱患不容忽視。另外，還有學(xué)者提出用電動車電池存儲谷電，在用電高峰期放電補充電網(wǎng)。筆者認(rèn)為這一設(shè)想很不現(xiàn)實，因為電動車電池的充放電次數(shù)有限，用于電網(wǎng)儲能會縮短電池使用壽命，而整車電池更換成本高昂，因此這種做法既不具備經(jīng)濟性，也會降低動力電池全生命周期環(huán)境效益。

電解水技術(shù)是“氫經(jīng)濟”中至關(guān)重要的一個環(huán)節(jié)，氫氣是一種用途廣泛、綠色環(huán)保的能源載體和化工原料，電解水技術(shù)可以消納谷電或“棄電”轉(zhuǎn)換為“綠氫”。電析氫催化材料與反應(yīng)器研究近年來均取得了顯著的成果，陽極析氧材料仍是制約電解水效率和速率的瓶頸。近年來，隨著民眾對氣候變化的日益關(guān)注以及各國減碳目標(biāo)的設(shè)立，二氧化碳電還原（CO2RR）研究迎來了飛速發(fā)展。CO2RR在以往捕集-封存的策略上更進一步，將二氧化碳納入循環(huán)經(jīng)濟模式，產(chǎn)出燃料或化工原料。國內(nèi)外學(xué)者在反應(yīng)機理、電極材料、電解質(zhì)、產(chǎn)物選擇性、反應(yīng)器等方面都取得了豐碩的成果，并出現(xiàn)了一些示范性的中試生產(chǎn)嘗試。作為一種重要的潛在減排方案，隨著未來技術(shù)的進步（高效、高速率、高選擇性連續(xù)穩(wěn)定運行）和經(jīng)濟指標(biāo)的改變（例如谷電和產(chǎn)物的市場價格），其商業(yè)化有望實現(xiàn)經(jīng)濟效益，成為實現(xiàn)“雙碳”愿景的重要途徑。作為電能-物質(zhì)轉(zhuǎn)換的重要手段，電催化/電合成技術(shù)近期在有機合成、合成氨與尿素、生物質(zhì)轉(zhuǎn)化等領(lǐng)域也取得了重要進展，但是離商業(yè)化應(yīng)用仍有距離。

電能存儲與轉(zhuǎn)換的技術(shù)成熟度往往取決于木桶效應(yīng)中的短板，追求單一指標(biāo)參數(shù)并無太大意義。例如，鋰硫電池的循環(huán)壽命從最初報道的幾次到現(xiàn)在的數(shù)千甚至過萬次，但是，鋰硫電池的實際應(yīng)用需要同時做到高硫載量、貧電解液和與硫匹配的鋰用量，否則就只是半電池研究，并非全電池。另外，一些研究為了解決某個問題引入了更多的其他問題，例如為了提高鋰硫電池的循環(huán)壽命而大量使用吸附多硫離子載體的功能材料，雖然能起到作用，但是降低了電池的整體能量密度，這種解決一個問題的同時引入其他問題的做法類似于“打地鼠”效應(yīng)。這一問題目前已經(jīng)引起了學(xué)者們的重視，在論文發(fā)表時加入一個雷達圖，全面體現(xiàn)電池的優(yōu)勢與短板，具備高技術(shù)成熟度的技術(shù)必須是全面消除短板的“六邊形戰(zhàn)士”。有的期刊出版商（如Wiley）也要求論文投稿時附上一份參數(shù)清單，以便全面評價和對比研究工作的意義。理想情況下，電池研究不僅應(yīng)該消除短板，從整體出發(fā)提高技術(shù)成熟度，而且應(yīng)該考慮從材料到器件層面的制造成熟度（MRL）。例如，超級電容器研究絕大多數(shù)采用水系電解液，但是商業(yè)超級電容器都是采用有機電解液，這主要是因為水系超級電容器沒有廉價適用的商業(yè)化集流體材料，因此難以實現(xiàn)市場化。

電能存儲與轉(zhuǎn)換技術(shù)包羅萬象，日新月異。本文僅為個人拙見，一家之言，錯誤之處難免。謹(jǐn)希望本文能拋磚引玉，為本領(lǐng)域研究提供一些參考。

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