清潔高效的可再生能源技術(shù)是人類社會(huì)實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、高質(zhì)量發(fā)展的必由之路。電能存儲(chǔ)技術(shù)是實(shí)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(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)與循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重要途徑。因此，基于材料電化學(xué)的電能存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換技術(shù)迎來(lái)了前所未有的機(jī)遇，在機(jī)理、關(guān)鍵材料、性能、器件等方面取得豐碩成果的同時(shí)，也面臨一些重大挑戰(zhàn)。

動(dòng)力電池是以電動(dòng)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(dòng)力電池技術(shù)，近年來(lái)其性能提升與成本下降推動(dòng)了全球電動(dòng)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(lái)提高電動(dòng)車?yán)锍痰募夹g(shù)。其中，鋰金屬-空氣電池是一種激進(jìn)的思路。筆者認(rèn)為其正負(fù)兩極的難點(diǎn)問(wèn)題正是電能存儲(chǔ)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(zhǎng)方面取得了進(jìn)展，但仍無(wú)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(gè)難題須依賴材料化學(xué)領(lǐng)域的范式轉(zhuǎn)移，若能撥云見(jiàn)日，電能存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換將取得突破性進(jìn)步，推動(dòng)多項(xiàng)新技術(shù)的市場(chǎng)化應(yīng)用，增進(jìn)人類福祉。

為尋求更安全、緊湊的動(dòng)力電池，固態(tài)電解質(zhì)近年來(lái)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(guò)高以及穩(wěn)定性差等技術(shù)難點(diǎn)，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(shí)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)?；瘧?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(tái)短和電芯一致性較差的技術(shù)難點(diǎn)，目前與成熟的磷酸鐵鋰電池相比在性能與價(jià)格上均無(wú)優(yōu)勢(shì)。

燃料電池是電動(dòng)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(lái)隨著催化材料和膜材料的技術(shù)進(jìn)步，其性能獲得了迅速提升。氫燃料電池的主要技術(shù)難點(diǎn)在于儲(chǔ)氫，直接甲醇燃料電池則存在功率較低和甲醇滲透的問(wèn)題，二者同時(shí)還面臨ORR反應(yīng)緩慢與極化損失過(guò)大的問(wèn)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(jià)差的推廣，供給側(cè)與用戶側(cè)的電網(wǎng)儲(chǔ)能需求在迅速增長(zhǎng)。與動(dòng)力電池追求高能量與功率密度不同，電網(wǎng)儲(chǔ)能電池更加側(cè)重低成本、高安全與長(zhǎng)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(chǔ)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(dá)到市場(chǎng)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(tái)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(jì)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(dòng)力電池用于電網(wǎng)儲(chǔ)能。但是，鋰離子電池儲(chǔ)能電站近年來(lái)發(fā)生過(guò)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(chǔ)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(dòng)車電池存儲(chǔ)谷電，在用電高峰期放電補(bǔ)充電網(wǎng)。筆者認(rèn)為這一設(shè)想很不現(xiàn)實(shí)，因?yàn)殡妱?dòng)車電池的充放電次數(shù)有限，用于電網(wǎng)儲(chǔ)能會(huì)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(jì)性，也會(huì)降低動(dòng)力電池全生命周期環(huán)境效益。

電解水技術(shù)是“氫經(jīng)濟(jì)”中至關(guān)重要的一個(gè)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(lái)均取得了顯著的成果，陽(yáng)極析氧材料仍是制約電解水效率和速率的瓶頸。近年來(lái)，隨著民眾對(duì)氣候變化的日益關(guān)注以及各國(guó)減碳目標(biāo)的設(shè)立，二氧化碳電還原（CO2RR）研究迎來(lái)了飛速發(fā)展。CO2RR在以往捕集-封存的策略上更進(jìn)一步，將二氧化碳納入循環(huán)經(jīng)濟(jì)模式，產(chǎn)出燃料或化工原料。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在反應(yīng)機(jī)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(lái)技術(shù)的進(jìn)步（高效、高速率、高選擇性連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行）和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的改變（例如谷電和產(chǎn)物的市場(chǎng)價(jià)格），其商業(yè)化有望實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益，成為實(shí)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(jī)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(jìn)展，但是離商業(yè)化應(yīng)用仍有距離。

電能存儲(chǔ)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(wú)太大意義。例如，鋰硫電池的循環(huán)壽命從最初報(bào)道的幾次到現(xiàn)在的數(shù)千甚至過(guò)萬(wàn)次，但是，鋰硫電池的實(shí)際應(yīng)用需要同時(shí)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(gè)問(wèn)題引入了更多的其他問(wèn)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(gè)問(wèn)題的同時(shí)引入其他問(wèn)題的做法類似于“打地鼠”效應(yīng)。這一問(wèn)題目前已經(jīng)引起了學(xué)者們的重視，在論文發(fā)表時(shí)加入一個(gè)雷達(dá)圖，全面體現(xiàn)電池的優(yōu)勢(shì)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(shí)附上一份參數(shù)清單，以便全面評(píng)價(jià)和對(duì)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(jí)電容器研究絕大多數(shù)采用水系電解液，但是商業(yè)超級(jí)電容器都是采用有機(jī)電解液，這主要是因?yàn)樗党?jí)電容器沒(méi)有廉價(jià)適用的商業(yè)化集流體材料，因此難以實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化。

電能存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)換技術(shù)包羅萬(wàn)象，日新月異。本文僅為個(gè)人拙見(jiàn)，一家之言，錯(cuò)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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