首页，明朝娱乐挂机作者简介：纪秀磊，美国俄勒冈州立大学教授。2003年吉林大学化学系本科毕业。2003和2009年加拿大滑铁卢大学硕士和博士毕业。2010至2012年美国加州大学圣巴巴拉分校博士后。2012年至今于俄勒冈州立大学执教。研究领域主要涉及储能电池化学原理、材料的设计。2019、2020高被引学者。《Carbon Energy》副主编。

　　摘要：全球气候剧烈变化，加速变暖，导致极端天气灾害频频出现。化石燃料的使用难辞其咎。与此同时，太阳能、风能装备的发电成本已经可以匹敌煤电了。遗憾的是，这些可再生能源在全球电力中的占有的份额依然很低。问题出在哪里？新能源有哪些，它们的特点和问题是什么？储能的出路是抽水蓄能，是压缩空气储能，还是蓄电池？可以用大规模普及电动车来作为储能的备选方案吗？锂电池能不能作为蓄电池的主力？大规模储能电池的设计需要考虑哪些因素？水系电池的症结在哪里？电容器和超级电容器能否解决储能问题呢？这篇文章，笔者试图简要回答这些问题。

　　在漫长的旧石器、新石器时代和古代文明时期，人类的燃料一直是生物有机质。人类对能源的大规模使用是近代以来的事情，从大规模使用煤炭开始，到使用燃烧效率更高的石油衍生品和天然气，到开始利用核裂变反应发电和利用可再生的太阳能和风能。但是迄今为止代表着人类文明成就的工业化，从第一次工业革命直到现在正在进行的以大数据、人工智能、生物科技为标志的第四次工业革命都是建立在对化石能源的利用和依赖之上的。图1描绘了两百多年以来，各种主要能源使用的趋势图。人类对化石能源的依赖有增无减，唯一的变化是石油和天然气的比例越来越高。

　　化石能源的大规模使用带来世界经济体量的增加和财富的增长，同时也导致了全球气候的变暖。地球快速进入了一个人类文明并不熟悉的气候时代。地球平均气温的升高标志着大气的更高能量和更加剧烈的气候现象。我们看到的是更加频繁的洪水，台风和山火。这些灾害已经扰乱了越来越多的人们的生活，甚至是导致严重的生命财产损失。可以说，如果这个趋势不受任何干预的话，会威胁到整个人类文明秩序的安全。

　　能源问题的核心是在核聚变实现大规模商业化之前，人类社会如何可以摆脱对化石能源的依赖，转而使用清洁的可再生能源。几乎所有可再生能源，除了地热，都是直接或者间接来自太能能。可再生能源中最重要的两种：太阳能和风能一般不能直接在客户端被使用，需要先转化成电力才能使用。但是太阳能和风能并不是呼之即来的，而是有间歇性与难以准确预测的缺点，发电功率会时多时少。当发电超过了客户端需求的时候，可能会损坏输电线路，造成大规模停电；相反的，当发电太少的时候，又不够用，也会造成停电。这种发电输出的不稳定性和社会能源要求的稳定性形成了矛盾关系。这里插一句，潮汐能也是可再生能源，但它是可以预期的。所以太阳能和风能和大多其他商品一样都有需要储存的问题。而太阳能和风能本身无法直接储存，问题变成如何储存电能。这和化石能源不同，化石能源可以直接储存，并且几乎可以随时发电。

　　所以储能问题的核心是如何储存来自可再生能源的电能。但是电能本身是不容易直接储存的，所以储能问题就变为：如何将电能转化为其他便于储存的能量形式，而在需要时这些能量形式必须可以再次转化为电能，转化需要是可逆的。可以看出，电能其实就是能源的硬通货。有了储存的电能，就可以用削峰填谷的方式让输出的电能完全来满足全社会的能源需求。

　　然而目前可再生能源的利用水平是低的。一个原因是电力在人类所使用的能源形式中所占的比例还很低。比如2018年全球的能源总消耗中，只有21%是以电力的形式。目前并不是所有能源的使用场景都可以依赖电能的，比如世界上大部分的车辆仍然是使用内燃机驱动的；几乎所有的航空运输都是使用燃油的。

　　我们再来看看电都是从哪里来的。2019世界电能来源占比：煤炭36.7%、天然气23.5%、核能10.4%、水力发电15.8%，不包括水力发电的可再生能源一共只有13.6%，包括：太阳能、风能、地热能，和生物质能源等等。但是从图2可以看出，令人欣慰的是，在全世界电能来源的构成中，比例上升最快的是风能和太阳能。这两种可再生能源在2000年的时候，可几乎还是无足轻重；而在2020年这两种可再生能源第一次接近了世界电力占比10%的大关。目前采集太阳能和风能的成本，已经有足够的竞争力了。而太阳能和风能可否继续扩张应用版图，瓶颈在哪里呢？在于储能设施装机容量能否配套发展。储能方案的发展和落实，已经刻不容缓。

　　目前在没有实现大规模储能的前提下，当可再生能源发电处于其一天中输出低谷的时候，就需要配备峰值负荷发电厂，将输出顶上去。峰值负荷发电厂的机组平时不用，只有在用户的用电量接近峰值的时候才被启动，比如在炎热夏季的傍晚，大家都用空调的时候。这就要求峰值负荷发电厂的机组从冷机启动到满负荷输电不能用太久的时间。目前天然气电厂是峰值负荷发电合适的选择，因为这种发电厂反应时间比煤电快得多。

　　世界电力中煤电的占比在2007年达到峰值，之后稳步下降。在2013年之后快速下降。与煤炭形成对比的是天然气，天然气的使用占比在最近25年中迅速攀升，这和页岩气的大规模开采有关。当前，在可再生能源无法满足能源的需求的前提下，目前的趋势是用更加清洁的天然气取代煤炭，但是煤炭在近期内可能依然是价格最低的一次能源。

　　化石能源以外，其他的发电方式都可以算作是低碳电力了。这里包括核能，核能是单位质量燃料所产生能量最多的发电方式。和煤电厂相比，核电的启动时间来得更长，所以核电适合做电网中的压舱石。传统核电的主要问题是核废料，核废料中的放射性物质的半衰期，多是以万年来计算的。核废料的处理直到今天还是个悬而未决的难题，希望未来的核能可以是完全清洁的。人类文明的未来依然要依靠核能，尤其是可控核聚变。

　　太阳释放的巨大能量是来自它的核聚变，以人类文明的时间尺度来衡量，确实是取之不尽的。太阳所释放的能量只有两千万分之一可以达到地球的大气层，这其中只有一半可以到达地球的表面，而全部到达地球表面的太阳能是现在人类能源需要的一万倍以上。可见在核聚变大规模实施之前，人类能源需求的出路是太阳能。其他几种可再生能源，比如风能，水力发电，都是太阳能的衍生能源。将太阳能转化成电能，通常有两个方法。一种是实现光电转化的光伏电池。目前的单结多晶硅太阳能电池的转化效率是15%-20%左右。另一种是用光学设备将太阳光聚焦在一起，用来加热合成油或者熔融盐，再通过这样高温的工作物质加热水，形成高温蒸汽发电。这是光热电转化。

　　国际能源署预计到2050年，世界的电能，将有27%由太阳能提供。但在2016年，这个数值只有1%。光伏发电价格的价格已经非常具有竞争力了。在电价方面，比较不同的发电设备要看平准化度电成本。也就是用所有投资和维护的成本除以这个设备在使用寿命中发出的所有电的度数，这样可以算出每一度电的成本。从2010年到2020年光伏发电的全球平准化度电成本从0.381美元降到了0.057美元，降幅达到85%。这样的一个价格，使得光伏发电可以和最便宜的化石能源发电竞争。但太阳能发电一个大问题是占地面积大。大规模的太阳能电厂适合建在荒芜人烟的荒漠地带。风能和太阳能相比，不需要太大的占地面积。风能可以安装在陆地和海上，当然海上风能设备的保养、维护费用会高些。通常在一点范围内，风电涡轮机的高度越高、能量越多。风能的价格也在下降，平准化度电成本从2010年的0.162美元降到了2020年的0.084美元。

　　上面提过，当太阳能和风能被委以重任但是无法满足社会用电需求的时候，需要峰值负荷发电厂。但是如果这些可再生能源发电超过需求时 ，也是比较麻烦的。首先大部分传统电网没有足够的储能或是调峰能力；加之太阳能，风电的资源通常远离负荷中心，本地的用电市场小；如果电网缺乏跨区输电能力，这样的情况就会导致弃光和弃风，就是已建成的发电机组不得不停止工作。这种情况的严重程度可以从图3中看出来。2019年世界可再生能源的装机容量分布中，太阳能和陆地风能加在一起时超过46%；但是太阳能和风能在实际发电量中的占比却只有接近29%。可以看出弃风和弃光的影响是巨大的，尤其是弃光。这个事实清楚的指出了储能的紧迫性。

　　对于化石能源来说，储能的策略或许应该是尽量保护本国的资源，有保留的开采，预留出战略储备资源；同时在价格可以接受的情况下，利用国际市场满足本国的需要；并且在价格低的时候，在国家储备设施中大量储备进口原油、优质煤炭、和天然气。

　　而电能和化石能源不同，它没有体积、质量，不是三种物质形态中的一种，因此无法直接储藏。储存电能的方案可以分成直接储存和间接储存。直接的方式主要是静电存储，也就是电容器、电解电容器、超级电容器。间接储存的方式很多，涉及到各种能量转化过程。其中一种其实可以被认为是直接储存电能的方式，就是将电流在超导电感线圈中永续流动进行存储，将电能转化为磁场能来储存。其他的方式包括将电能转化为势能：抽水蓄能；转化为动能，比如飞轮储能，压缩空气储能 （气动能量）；或者是热能，使用熔融盐或是通过材料的化学相变；再或者是化学能，比如电分解水，得到氢气，或是电催化，将二氧化碳转化成乙醇，再或是用电能为电池充电。化学能是否可以可逆的释放出来再变成电能，还是需要其他技术支持的，比如催化技术。电池中的化学能转化为电能通常是不需要催化的。电池不仅仅是一个储能装置，也是一个发电装置。

　　储能市场正在进入大爆发的时代。未来二十年，全球储能市场将快速成长，总的装机容量估计将增长几十倍。最大的市场将是中国 （图4）。下面我简要地介绍一些储能方案。

　　电容器的这部分，我会聊多一点的发展脉络。我在这里希望用电容器作为一个范例，来近距离观察一个创新是如何产生、发展，然后走向商业化的。

　　严格地说，目前只有电容器是将电能直接储存的。电容器是将流动的电流转化为静止的电能储存的。电容器也是一种常见的电子元件：通交流，阻直流。在本文中，我们只关注它作为一个储能设备的性质。

　　有几个问题：电容器是一个化学储能器件吗？什么是超级电容器？电容器和电池对比有什么优势和劣势？我将在这里讨论一下这些问题。

　　首先传统电容器的工作原理跟化学确实没什么关系。它是一个物理储能设备。它所储存的能量是以静电形式存在的。人们经常会遇到静电。在干燥的季节，我们在碰到电灯开关的时候，碰到车门把手的时候，经常会被电到。这里的静电是如何产生的呢？当两个表面在相互摩擦的时候，两个表面上原子中的电子，就可能被激发，从而脱离原子核的束缚，从一个表面跳到另一个表面上，就使得这个表面带上负电。而损失了电子的那个表面，也就带上了正电荷，其实是电子空穴。而两个表面摩擦，谁带正电，谁带负电，就是个化学问题了。

　　电容器在发明之初，就是用来储存摩擦产生的静电电荷。如果对静电有进一步的兴趣，可以了解一下范德格拉夫起电机，或者叫做范式起电机。它利用的基本原理是如果导体带电，其电荷只能存在于导体的表面。导体的内部是没有电场的。因为导体上的电子是可以自由移动的，而电子移动的最后结果只能是导体内部的电场为零，否则电子势必在电场的趋势下继续移动，直到电场被抵消的时候，电子才会停止运动。对于一个导体，只有在电子或者它所带的正电荷（电子空穴）都分布在表面的时候，导体内部的电场才会是零。这里电子空穴的移动，也是由于电子的移动所造成的。

　　正是这个只有表面才能存放电荷的原理，严重地限制了电容器的能量密度。电池和电容器的根本差异就在这里。电池的电极材料中，每几个或是一个原子就能对应着储存一个电荷，这些电荷是分布在电极的三维结构中的各个角落，而并不只是表面。可以说，电容器是有点“炫富”，但是又不富有。

　　最早的电容器是在1745年前后发明的莱顿瓶。莱顿瓶的结构非常简单。比如可以这样制备：在一个烧杯的外面，包上一层铝箔，作为一个电极，在烧杯的内壁，再贴上铝箔作为另一个电极，用导线，把这两个电极引出来。给莱顿瓶充电时，用一块动物毛皮，摩擦一个PVC的塑料棒，塑料棒要不时的接触一个电极。充好电之后，在黑暗的地方，把两个导线接触一下，就能看到微弱的电火花了。这就是一个简易的电容器。

　　这里我们需要特别指出的是，莱顿瓶的另一个没有碰过塑料棒的电极，其实是不带电的。当两个电极的导线接触的时候，形成了回路，一部分电荷就从那个碰过塑料棒的电极，导到了另一个电极，使得它们都带上的相同性质的电荷，从而两个电极达到了相同的电位。

　　这种用静电充电的方法，和我们用电源给电容器充电的过程，是有所区别的。现在的电容器，一个电极是带正电、另一个是带负电。带正电的电极，电位高，是正极；带负电的，电位低，就是负极。其实电容器中的两个电极，就像莱顿瓶一样，可以用相同的材料，甚至可以是一模一样的。它们谁做正极或是负极都是可以的。

　　用电荷来储能，所存储的能量是电荷总量和驱使电荷奔跑的电压的乘积。如何来衡量一个电容器储能多少呢？要看它存的电荷多不多，电压高不高。当然电池也是这么来看的。

　　理解电容器，有一个指标，那就是电容。用电容来衡量电容器所存储的能量，要用到一个很简单的公式，就是电容乘以电压的平方，CV^2。而电容的大小取决于两个条件，一个是电极的单位质量和单位体积的表面积A，越大越好，这容易理解，表面积越大，表面上所能带的电荷也就越多；另外一个是电容器两个电极之间的距离d，越小越好。这样电容的大小就和A/d 这个比值成正比。

　　电容器的发展史其实就是一个增大电极材料比表面积和降低电容器电极层间离的过程。这个过程花了200多年，经过传统电容器，电解电容器，才达到目前所谓的超级电容器。

　　传统电容器是用两个金属板作为两个电极，中间用介电质隔开。这里的金属板的表面积，可想而知，是很有限的。为了提高比表面积，就有了电解电容器。这里的电解是指为了增大电极的比表面积，在金属的表面用阳极氧化电解的方法，使其表面产生有高峰、低谷的结构，而这里金属被氧化的产物，通常是绝缘的氧化物，就可以直接用作介电质。用这样电极的电容器，叫做电解电容器。电解电容器是电路中常见的设备。和传统电容器相比，它可以储存更多的能量。

　　电容器的进一步发展就要说到超级电容器了。超级电容器最初的发展，是很曲折的。这里就要说到，电容器最早的专利是1957年编号2800616年的美国专利。其实这个专利的申请是在1954就提交的。这个专利是授权给通用电气的，发明人是两个工程师：Beck 和 Ferry，他们最早发现了把两个活性碳的电极浸泡在电解质中，充电之后就能得到非常大的电容，但是电压却很低。在这个只有3页的专利文件中，介绍了电容器的组成。值得指出的是专利申请人的坦诚。他们清楚地陈述了自己对于这个器件工作原理的不理解。“It is not positively known exactly what takes place when the devices illustrated in Figs.1 and 3 are used as energy storage devices…”这个专利的题目就是“Low Voltage Electrolytic Capacitor”，发明人认为这种电容器还是电解电容器。

　　来说一下这种电容器的工作原理。当一个表面带电的电子导体和一个离子导体——电解质接触，它们的界面上会发生什么呢？由于静电场的作用，电解质中的离子，会被吸引，并且靠近电子导体的表面，这就形成了所谓的双电层。这里所说的双电层，一层就是由电子导体表面的电子或者电子空穴构成，另外一层就是分布在电解质中的，被带电导体通过静电吸引而聚集在带电导体表面附近的离子。那么这就是两层的电荷：一层电子，一层离子，所以叫做双电层。在超级电容器中，每一个电极的表面都有一个双电层，不同的是负极表面的离子层是阳离子，而正极表面是一层阴离子。每个双电层都是一个物理学意义上的电容器。那么一个超级电容器就是由两个这样的双电层通过电解质串联在一起的。插一句，超级电容器也可以看作是一种特殊的双离子电池。

　　我们来看看双电层中电子层和离子层的距离。当一个离子被几个溶剂分子裹挟着靠近带电的电极表面的时候，这个离子和电极材料表面的距离，可以就是隔着一个溶剂分子的直径而已。那么一个溶剂分子有多大呢？像水分子，不到零点三纳米。当然，还有很多离子并没有那么靠近电极的表面。如果从统计学的角度来看，超级电容的表面和电解质中的离子层或者叫离子区域的平均距离，是几个到十个纳米之间。这个距离，受很多因素的制约，比如说溶剂分子的性质，活性炭孔道的大小，电极表面的亲疏水的性质等等。

　　活性炭这样的材料作为电极表面积A又非常大，一克活性碳的表面积可以达到两千到三千平方米。可以看出超级电容器的A/d 这个比例是会远远高于传统电容器和电解电容器的。关于这个双电层，已经由Helmholtz在1853年就提出来了。而Gouy，Chapman和Stern分别在1910，1913和1924年进一步发展了Helmholtz 模型。这样就逐渐形成了今天的双电层的理论基础。

　　有趣的是在这个理论成熟三十多年之后，超级电容器才被发明，而发明者却没有将发明和双电层原理联系在一起。也就是说，这是一个意外发现。但是科学研究如果每次都符合预期，那并非是科学真正的成功，因为这样的研究， 即使是填补了一项空白，也并不会拓展知识的边界。反而是遇见了现有的理论无法解释的现象的时候，才是值得庆祝的，这意味着我们触碰到了未知，有了拓展知识边界的机会。

　　在电解电容器中，一般也加电解质，但这主要是为了让两个被绝缘的氧化物层包覆的电极能够无缝对接在一起。但是Beck和Ferry打破了惯例，他们没有用金属做电极，也没有在电极上试图长上一层绝缘层，而是用了另外的一种导电材料，活性炭。就这样，实验中出现了Helmholtz，Gouy，Chapman和Stern所研究的双电层。虽然Helmholtz，Gouy，Chapman，Stern的模型都是平面的导电电极和液体电解质的体系，并没有提及多孔碳的情况。

　　1962年美国俄亥俄标准石油公司的 Rightmire递交了超级电容器专利申请，其实这款电容器的结构和1957年Becker专利是一样的。但是专利最终在1966年11月被授予专利权，编号是3288641。我想专利局和审查工作人员，应该会知道1957年通用电气专利的存在。但问题是为什么仍然会授予标准石油专利权呢？抛开审查失误这个因素，俄亥俄标准石油1966年的专利和通用电气1957年的专利有什么不同？

　　最显著的差别是：1966年新专利是基于对于双电层原理的透彻理解之上的。新的专利指出了超级电容器和双电层原理上的内在联系。这一点很可能就是新的专利得到批准的重要原因。对于已经存在的理论新的理解，认知和应用，是专利申请成功的一个重要因素。

　　新专利还有一个优势，就是专利中的电容器的设计具有可复制性，可操作性。就是现代超级电容器的原型。在专利中可以看到细致的设计草图。而1957年的专利只是停留在概念上。在1966专利的基础上，至今在电容器领域其他专利已经涵盖了这个技术的各个方面和细节。

　　再次回到标准石油公司的电容器专利，可惜的是这家石油公司并没有产业化这个技术。后来由于他们在阿拉斯加建输油管道而深陷债务，就停止了很多研发项目，也包括电容器的项目。标准石油后来将这个技术转让给了日本电气株式会社（NEC）。NEC在1975年也就是专利有效期的第九年从标准石油那里买到了专利授权，迅速地进行研发，形成了产能。在三年后的1978年将这种新的电容器推向市场，为了赢得市场，把这个产品被叫做“超级电容器”（Supercapacitor）来进行推广。这里的超级并没有什么科学含义。这种电容器还有很多种其他的名字：比如Ultracapacitor，electrical double layer capacitor。

　　美国专利在1994年之前是在授权之后有17年的保护期。现在是提交申请之后20年内有保护期。1966年授权的专利，让NEC从1978年到1983年的五年之间，在市场上享有技术的垄断地位。而这种优势并不会随着专利期限的到达戛然而止，往往会再持续数年甚至十数年。在1978年后，超级电容器逐渐被市场认可。在很多领域都有用途，比如空客A380客机的紧急出口上安装的就是超级电容器。早在2010年的时候，上海世博会的会务用巴士就是电容器驱动的。这种巴士有个有趣的名字，叫Capabus。这是用来区别于电池车的。

　　超级电容器和电池相比有什么优势呢？主要在于超级电容器的放电、充电可以很快完成。超级电容器所储藏的是静电，这些静电电荷是分布在电极材料表面两侧的电子（或是电子空穴）和离子，通常电子的电导比离子快，所以超级电容器的工作速度取决于溶剂化离子在电极材料的纳米孔道中的移动速率。通常来说，溶剂化离子的传输要比非溶剂化离子在固体结构中的传输来得快些。

　　超级电容器和电池相比的主要劣势，就是它的能量密度低。虽然已经远远高出传统电容器或是电解电容器，但是仍然远远低于电池。锂离子电池的能量密度可以接近300Wh/kg了， 而超级电容器只有不到10Wh/kg，也就是锂离子电池的3.3%。如果由锂离子电池驱动的车辆可以有300公里的续航里程，相同重量的超级电容器所驱动的车辆的续航里程就是10公里。这也是为什么超级电容器，如果作为唯一的动力，它所驱动的车辆最好是城市的公交车。另外电容器充电快，乘客上下车的时间，应该够电容器充电了。

　　如何能提高电容器能量密度呢？坦白讲，如果不改变电容器工作的根本原理，就是依赖表面的双电层的静电来储能，其实无论我们作出什么努力，超级电容器的能量密度都不会有质的飞跃。连追上铅酸电池，都会很吃力。为了提高电容器的能量密度，过去的几十年的研究见证了赝电容的发展。顾名思义，赝电容不是真正的电容。赝电容其实可以划入电池的范畴了，因为赝电容其实就是动力学非常快的电池，虽然在表征上很像电容。

　　赝电容器从电极的工作原理来看，和电池是一样的，都是通过电极上的氧化还原反应。赝电容和普通电池不同的是它的氧化还原反应的动力学特征基本上是不受离子扩散的限制。

　　这里的b是一个系数，是循环伏安测试中的电位扫描速度。这里的指数在反应动力学受到离子扩散限制时会是0.5，在反应动力学不受离子扩散限制时会是1。对于赝电容来说，这个值应该是接近1的。当一个反应的动力学不受离子扩散限制时，我们可以把这样的氧化还原反应称做赝电容。

　　早期典型的赝电容是通过二氧化钌和它的水合物的快速充放电发现的。在二氧化锰等氧化物上也发现了类似的赝电容特征。这些材料通常具有无定形的结构和纳米级的形貌，具有很高的比表面积。所以这些材料的赝电容性质一直被认为是表面反应。有意思的是，这些材料在电化学表征中得到的曲线，比如循环伏安曲线、恒电流充放电曲线和超级电容器电极表征中得到的曲线非常相似。第二种机理是通过一系列氧化物材料的储锂性能研究中发现的，比如二氧化钛，三氧化钼，五氧化二铌。研究中发现如果插层反应的拓扑化学性能很好，电极材料的结构保持稳定不变，也会达成很好的赝电容性质。第三种机理，就是格罗特斯机理。

　　对于赝电容，笔者在2019年提出一个猜想：当嵌入离子和电极材料结构之间有供体-受体、带有共价键特点的化学作用的时候，这种相互作用和赝电容的形成就有相关性。这个猜想来自笔者的团队对于铵根离子和钾离子在五氧化二钒中储存的比较。我们发现铵根离子和无氧化二钒形成了带有供体-受体特点的共价键作用，而储钾离子则完全没有这样的现象。而有趣的是，同样是五氧化二钒电极，储铵根离子的动力学性质要远远比储钾离子来的快。

　　回到电容和电池的比较。超级电容器和电池也可以一起来用，作为混合动力。电容器负责车启动，加速，或者爬坡，需要输出高功率的时候，而较低的功率的长时间输出，就由电池来提供动力。这种电容、电池混合动力，已经有了大量的论证。结论是，当电池和电容器配合使用的时候，电池的寿命可以大幅延长。这是为什么呢？

　　开车的朋友知道在什么时候内燃机的燃油使用效率是最低的，就是电车启动，加速，或者爬坡的时候。这时内燃机的热效率就会降低。相似的情况在电池上也会出现。电池放电，靠的是自发的化学反应。每一种反应都有自身的动力学。在需要输出大功率的时候，有些反应就来不及完成。更严重的是，大功率意味着大电流通过电池，这会产生大量的焦耳热。这样会使得电池发烧，温度高了，电池中的化学物质，就更容易发生一些我们不愿意看到的副反应。这样会缩短电池的寿命。

　　如果说电池是个长跑运动员，那么电容器就是个短跑高手，有的是肌肉，但是耐力不好。所以强度大的活，就让电容器来做，这样可以让电池很从容地匀速地输出它的电力，最大化地延长电池的寿命。

　　电容器还有两个缺点：自放电和高成本。电容器的自放电要比电池快得多，尤其是使用水系电解质的电容器。如果电容器电极所使用的活性炭有杂质的话，自放电通常会更快。所以对于电容器用的活性炭，最主要的要求是要纯。高纯的活性炭，自然价格不便宜。我们知道用很多生物质的原料，都能烧出活性炭。但是这些生物质烧出的活性炭如果杂质太多的话，会严重影响电容器的性能。

　　超导磁储能是通过电感效应把电能转化为磁场能。超导磁储能的原理是用直流电给由超导材料制成的螺旋形电感线圈充电。充电过程中流过电感的电流会逐渐增加到最大值，这个过程中电感线圈中的磁场会逐渐增强。当电流到达最大值时，线圈两端的电压就降到零。这时充电就完成了。这时将超导线圈的两端短接，电流就在超导线圈的闭合回路中无休止的流动。理论上说能量可以永远储存在这里。这是自然界里发现的最接近“永远”的现象。需要放电时，将线圈的两端接上负载，就可以将磁能电能转化为直流电能。这种储能的规模是和超导线圈中电流的平方和线圈电感的乘积成正比。

　　这种储能的实现依赖于超导体做成的线圈，由于超导导线没有电阻，所以电流在这样的导线上通过，没有能量损耗。而目前的超导体只有在低温下才有超导现象。超导材料在临界温度以下电阻才会消失。很多金属都有超导现象，汞的临界值是零下269摄氏度，铅是零下266摄氏度，铌是零下264摄氏度。这些温度太低了。重大的突破出现在1986年IBM 苏黎世实验室。卡尔·亚历山大·米勒和约翰内斯·贝德诺尔茨的合作发现了一种钙钛矿类型的氧化物陶瓷材料，可以在零下243度的时候就具有超导性质。后来这个临界温度在短短数年中被一再提高。但是到今天，还没有临界温度接近室温的超导材料。如果用陶瓷做线圈，陶瓷能做成导线吗？陶瓷没有延展性不能单独做成导线，但是可以将超导陶瓷材料做成涂层。

　　超导磁储能的能量效律可以高于97%，是所有储能技术中最高的。这种储能的反应时间是非常快的，可以实现在几个毫秒内把所存的电全部放光或是充好电。没有任何一种实用的电池，可以在毫秒内完成充电。超导磁储能的最大的用处是保持电网的电压和功率输出的稳定性。

　　这种储能，成本是最大的问题。由于没有接近室温工作的超导材料，这种储能技术的超导线圈一直是在一个低温恒温器中工作。只是从室温把线圈的温度降到可以实现超导的温度，就要长达几个月的时间。将线圈的温度降下来需要冷却剂，目前普遍使用昂贵的液氦。同时整个装置的隔热需要做到极致。这里维持如此低温的成本是不言而喻的。由于用磁场储能，强大的磁场会覆盖设备区和周边的大片地区，必须要建设一个磁场对冲的线圈，以避免对人，输电线路，航空，候鸟迁徙等等产生的负面影响。超导磁储能最大的潜在危险是：由于故障，线圈温度上升到了超导临界温度以上，这时超导作用会消失，线圈会释放出就大的焦耳热，后果将是非常严重的。可见超导磁储能的瓶颈还是高温超导材料。

　　抽水蓄能是最早的蓄能方式。最早的抽水蓄能出现在1890年代瑞士的苏黎世和意大利的山区。德国最早的抽水蓄能出现在1920年代，美国是在1930年代。抽水蓄能电站和水利发电工程很相似，都是将水的重力势能转化为电能，进行发电。大家对水利发电站都很熟悉。抽水储能和水利发电站有哪些相似和不同的地方呢？水利发电站是将大河拦腰截断，筑起水坝。抽水蓄能电站有上水库和下水库，两个水库之间没有必要紧挨着。联通上下水库建有输水管，在输水管上装备有水力发电装置。如果使用电力把水从下水库抽到上水库中，是将电能转化为重力势能，从而完成蓄能。抽水蓄能不依赖天然的河流的落差，抽水蓄能电站不一定建在河上。它的水头（水的落差）可以远远高于水坝。比如三峡大坝的额定水头是80.6米，最高可以到113米。而抽水蓄能的水头要高得多。一般都是两三百米，多的可以达到四百米。修抽水蓄能的成本大概是水坝的两倍。

　　目前世界上有超过165吉瓦的抽水蓄能装机容量，占到全世界储能装机容量的94-97%和世界总储存能量的99%。抽水蓄能和水利发电站很相似，都是通过水向下流动推动涡轮机将重力势能转化为电能。抽水储能和水坝有哪些不同的地方呢？首先抽水蓄能电站可以建在河边，也可以不在河边。如果抽水储能修在河边，和水坝拦截大江、大河不同，抽水蓄能的上蓄水池不是坝上的水库，而是建在河岸附近的山顶。离河道有一定的距离。蓄能时将河水抽到上蓄水池，发电时让水流回到河里。这样的抽水蓄能工程可以和水坝起到类似的调节河流水量的功能。如果抽水蓄能电站不是建在河边的，它就需要两个蓄水池：上蓄水池和下蓄水池。这两个蓄水池可以有距离几公里。这样的抽水蓄能电站工作的时候，是一个闭环。

　　抽水蓄能电池的储能规模取决于三个因素：蓄水池的有效体积，两个蓄水池之间的水头，即水的落差，和蓄能的能量转换效率或者叫往返效率。蓄水池的体积越大，储存的能量越多这是很好理解的。抽水蓄能的水头一般要远远高于水坝。比如三峡大坝的额定水头是80.6米，最高可以到113米。而抽水蓄能的水头要高得多。一般都是两三百米，多的可以达到四百米。比如河北丰宁抽水蓄能电站的水头是425米，它是目前全球最大的势能电池，装机容量360万千瓦（3.6 GW）。之前世界上最大的抽水蓄能是1985年建成的美国的巴斯县（Bath County） 抽水蓄能，装机容量是300.3万千瓦（3.003 GW），它的水头是385米。第三点是往返效率。这个效率通常在70%和85% 之间。泵水时，电能转化为重力势能，转化效率和涡轮机有关，不可能是百分之百。放电时，重力势能转化为动能，这里就会有损失。因为水流和管道壁之间有摩擦。这种摩擦所造成的效率损失是和上、下水库的水平距离成正比的。所以理想的情况是上、下水库距离不远。水的动能转化为电能是，涡轮机的转化效率，又有损失。还有，水从涡轮机出来的时候，并非是静止的，快速流动的水还要带走它的动能。最后，如果抽水蓄能是建在干燥的地区，水分的蒸发也不容忽视。这么来看往返效率如果在80%以上，已经是很出色了。

　　和水坝拦截大江大河不同，抽水蓄能多是建在河岸附近的山区。因为高水头需要把上水库建在地势高的地方，而要把下水库也可以是河流留在低处。要想得到高水头，也可以把废弃的矿井改造成下水库，当然前提是这里的地址条件是适合的，而上库可以建在任何一个技术上允许的高度，也就是说上库和下库都可以在地面以下, 成为地下抽水蓄能。这种储能的好处是更加安全、环保。理论上说可以得到惊人的水头，比如超过1千米。但是不知出于什么原因，所有的抽水蓄能在工程上可以做到的水头还不超过800米。

　　对于抽水储能，选址是一个大问题。如果刚好海边有高地，悬崖，用海水做蓄能，可以节省淡水，世界第一个海水抽水蓄能是1999年在日本冲绳的一个3万千瓦的小电站，建在海边的悬崖上，但是这附近没有多少用电需求，在2016年，这个项目被拆除了。抽水蓄能最重要的考虑是水是否可以存得住，这需要考虑蓄水湖的湖床的岩石的性质，是否有渗透区，是否有地质裂缝。在炎热干燥的地区，蒸发是另一个大的问题。

　　世界上具有建设抽水蓄能电站地质条件的地区有很多。在2019年Cheng等作者通过计算估计地球从北纬60°到南纬56°范围内有61.6万处可以修建抽水蓄能电站。从图七可以看出中国北方的燕山地区，河套地区，太行、秦岭地区，长江以南的华南地区、青藏高原，尤其是雅鲁藏布江大拐弯流域、新疆北部都是可以建设抽水蓄能的。而东北平原，华北平原，淮河流域有雨地势平坦，将无法建设大规模抽水蓄能。中国抽水蓄能适合地区的分布刚刚好和中国西部极大的太阳能、风能密集的地区重合，这是中国采用可再生能源的一大优势。中国的能源地区之间不平衡的问题，通过高压远距离输变电工程已经基本解决了。欧州则是南欧的山区适合。西亚、中亚地区的适合区域恰好和古代丝绸之路重合。非洲的适合地区都分布大陆的中部和大陆的边缘地区。而北美和南美的主要适合地区是分布在落基山脉的两侧，北美的阿巴拉契亚山脉附近和巴西的亚马孙热带雨林地区。

　　抽水蓄能用的是可逆泵 - 涡轮机组：正向可以泵水，反向可以作为发电机使用，这个功能和电池很像。这里泵水和发电只关乎于涡轮机的转动方向。这种机组是抽水蓄能真正的核心技术。对它的要求要比常规机组高的多。由于抽水蓄能的涡轮机接受的是从隧道中奔泻而下的水，它的机组的转速要比常规水电机组快；再者，由于抽水蓄能的功能是为电网削峰填谷，机组要频繁启停，并且经常有正反转互换。对于涡轮机的技术要求是很高的。

　　抽水储能可以短时间内满足电网的削峰填谷的要求，它在最多几分钟之内就可以提供它的装机容量的功率，满足用电需求。这就使得抽水蓄能可以代替煤电或者天然气电厂来充当峰值负荷发电厂。另一方面抽水蓄能可以在几天，几周，甚至几个月的时间内放电，是个超长待机电池，可以起到社会季节性用电的调节作用。和其他储能方式相比，抽水储能的寿命是在所有储能方案中是最长的，一般是50年。

　　抽水蓄能的主要问题是对地理、地质条件的要求。要找到地势有落差的地方。同时地质结构需要非常稳定，要避免由于水库的重力所带来的地质灾害；同时要防止水的渗透作用。

　　第一个商业化的压缩空气储能设施是1978年在德国的启用的。它的输出功率可以到29万千瓦。它是将空气加压充到处于地下六百米的容积为31万立方米的盐洞中。这个盐洞是密闭的, 额定的工作气压是50到60个大气压，最多可以被加压到一百个大气压。这种盐洞其实也是可以用来储存天然气的。这个设施每天有不到12小时在压缩空气，即“充电”， 能够以29万千瓦的功率发电不到个小时。

　　人工形成盐洞是一个有趣的工序。就是在找到了地下含盐地层后，将一定量的水灌进去，形成卤水，然后将卤水抽出来，这样的过程反复进行一定的次数，就可以形成一个预期大小的盐洞。

　　在给压缩空气储能装置“充电”时，大量的空气从外界引入盐洞中。当盐洞中的气压上升时候，被压缩的空气温度会升高。简单地理解，外界对空气做功，空气内能上升。这样会形成盐洞中空气和周边环境之间的温度差。如果盐洞和周边环境有热交换，热量会损失，比如通过散热器释放到空气中；如果盐洞壁不是绝热的，热空气就会和盐洞壁有热交换。最终压缩空气的温度会降到和环境等温的状态。也就是说“充电”的一部分能量被损失了。

　　在压缩空气储能装置发电的时候，要通过解压缩，使导出的空气冲过涡轮机发电，这时盐洞中的压力降低，这个过程中，解压缩的空气温度要降低 （对外做功，内能下降），会低于周边环境，形成一个和压缩过程相反的温度差，这就变成了一个制冷的过程，这样会导致设备结冰，无法正常运转。所以对于可以自由热交换的压缩空气储能装置，发电时必须配备一个加热装置，比如使用天然气或燃油加热，在压缩空气还没有通过涡轮机之前对其进行预热。这样当热空气解压缩到大气压的时候，不至于导致设备结冰。也就是说天然气的加热过程，也可以看作压缩空气储能装置“充电”的一部分。从另一个角度说，被压缩的空气是储备了可以做功的能力。从整个过程来看，这种压缩空气储能技术和天然气的火力发电是很相似的。这种可以自由热交换的压缩空气储能装置总的效率是不高的。目前商业化的设备只能达到54%。

　　更先进的压缩空气储能是杜绝装置和周边环境的热交换。为了避免和环境热交换，整个储能装置必须是绝热的。而这一类的装置又分为有热能储存设备的和没有热能储存设备的。如果设备无法承受长期储存热空气，就可以采用热能储存设备，比如让压缩的热空气加热盐到它的熔融态，这些空气的热量就由熔融盐来储存。当装置的空气解压缩的时候，这部分储存的热量，再用回来加热空气，也就不用或是少用化石燃料或是电能来加热空气了，这可以显著提高压缩空气储能的效率，预期达到70%以上。

　　最后一种压缩空气储能方案是保持体系的温度不变，无论是压缩还是解压缩都是缓慢地进行。由于体系的温度一直和环境相同，就没有热损耗。理论上说，这样的方案的效率是100%。但实际上想达到这个目的是非常困难的。可以想象，这种装置的输出功率将是非常低的。

　　压缩空气领域近些年也出现了一些初创公司。比如一个方案是使用储气罐来储存压缩空气，这样就不用挖盐洞了。一个最重要的创新点，是在空气被压缩的时候，向空气中喷水，来加热水，这样利用水的大热容，从而将热量存起来。在空气解压缩的时候，再用存的热水，喷回到膨胀的空气中，来加热空气。同一家公司的另一个方案是用风力涡轮机直接形成压缩空气，而他们的设计是将压缩空气就储存在支撑风力涡轮机的大柱子中，这样，风电场就自己解决了自身储能的问题。

　　压缩空器储能虽然一直被认为是一种主要的储能方式，但是直到目前为止，实现商业运营的，也只有两处。在世界范围内，其他在建和筹划中的还有40几处。

　　这里插一句关于用压缩空气来驱动车辆的线年就有人提出来。之后陆陆续续都有一些工程师造出来这样的车。这种车面临的挑战和压缩空气蓄能是一样的。由于在空气被喷出的时候，温度大幅降低。这会对车里的乘客构成冻伤的危险。加热设备是必须配备的，这样的话，最多只能算是混合动力车。

　　间接储能还有其他的方法，比如飞轮储能，热能储能，和化学键储能。由于本文的篇幅有限，这些方案笔者就不去介绍了。下面我们重点来说说电池。

　　我们首先来看一下储能大体都有哪些市场。我们从规模这个维度来看。最大规模的蓄能是为了电网的削峰填谷，众所周知，这个功能由抽水蓄能来完成是适合的。对于电网的削峰填谷，电池是否可以胜任呢？在这个规模上，电池也是有竞争力的。我们假设一种电池的功率密度是200瓦每千克，假设这种电池的密度是2.5千克每公升，那么一个吉瓦的蓄电站所需要全部电池的体积是：2000立方米。这大概是71一个集装箱的体积，或者是一栋占地600平米的仓库的体积。那么如果仔设计出工作空间，其中包括安装散热设备，通风设备，应急情况所需要的空间，再预留出3倍的空间应该是够的。那么这样的一个蓄能电站，可以是占地2400平米的仓库的样子，那也有三分之一足球场那么大了。但这还是要比一个吉瓦规模的抽水蓄能电站的占地规模小得多。从总能量上来看，如果电池的能量密度是200 瓦时每千克，这样的一个以上的电站可以输出吉瓦功率一个小时。那么如果是希望可以连续输出10个小时的话，建设两万四千平米的仓库似乎并不现实，那么就需要两层、或是三层的建筑，就有了一定的安全隐患。

　　在蓄能规模上，其次是为太能能、风能电厂配套蓄能，将过剩的可再生能源发的电存起来。这样的需求通常适用于缺乏远距离输电的地区。而为太阳能、风能配套抽水蓄能，在地理上并不总是可行的。成本低且安全的电池很多时候是更合适的选择。

　　然后就是为局域智能电网储能，比如智慧社区的集体储能，还有一些重要职能场所的蓄能，比如医院，学校，工厂，互联网大厂的数据中心等等。这些用途都是在人口密集的地区。人口密集的地区通常是平原，比如中国的华东地区。在这样的地区建设抽水蓄能，经常是不现实的。对于一切由抽水蓄能无法满足的需求，电池的优势就显现出来了。电池的储能规模，完全可以根据需要来设计。最重要的是可以模块化的安装，对于地理环境基本没有要求。

　　再小一点规模的储能就是家庭储能了。比如在自然灾害频发的地区，一个家庭应该有能力在电网无法供电的情况下，能够为自己供电几天时间，这样可以争取到宝贵的救援时间。家庭储能的另一个用途是在电价便宜的时段给电池充电，在电价高的时候，把电卖回到电网上，获得利润，或者在电价高的时候，给家庭供电，节省用电开支。

　　我们印象中，好像储能设备应该都是固定的。但是其实移动的用电设备也是储能的重要一环，包括：道路，铁路，海运，空运和机器人。用电动车来有效地存储可再生能源，是一个一举两得的事情。这需要车载电池不只是能够接受电网充电，就是G2V，也可以在需要的时候，用自己所存储的电能给电网送电，这就是V2G。用好了可以一车两用，尤其对于家庭是非常经济的。这需要充电设备具有可逆性，可以正向充电，也可以反向回馈给电网。使用交通工具上的电池储能，不仅做到了电池两用，同时由于这些电池是分散的，独立管理的，总体上安全性其实是更好了。

　　在任何一个时间点，估计有50%左右的电动车，是停在停车场的。估计有69%的车，每天有6个小时停在一个预约的停车位。这些停在那里的电动车，如果装有双向充电设备，它们就是电网中的储能设备，可以在紧急的情况下，为电网供电。当然这应该是车主自己独立自主的选择。另一方面，在傍晚的时候，电价常常是比其他时段都是要贵的。对于一个家庭来说，完全可以在电价最低的时候，比如下半夜两、三点钟，给车载电池充电，然后在用电高峰时段，避开电价最高的时候，用车载电池的电来满足住宅的需要。但是目前大部分电动车生产厂家，没有推广装有双向充电设备，主要是家庭储能的商业模式还没有成熟，导致市场的需求并不旺盛。

　　电动车充电的时间不仅仅是个经济问题，也是个能源安全问题。如果电动车的充电时间正好是高峰时段，供电公司不得不启动峰值负荷电厂发电， 这会导致更多的碳排放。如果同时有大量电动车在高峰时段充电，很可能会造成住宅配电变压器过载。美国公用事业公司Xcel Energy 预计，如果电动汽车占到了全部车辆的5%，这个问题就会凸显出来。当然，最好的办法就是利用价格杠杆的作用，比如分时定价或实时定价，这样可以实现两点目标：（1）引导消费者不在高峰时段充电；（2）引导消费者在可再生能源发电时段进行充电。对于实时定价，使用人工的办法来监控电价，显然不现实。目前汽车生产商已经开发出智能充电应用程序，在电价低的时候自动选择充电。这样的产品还可以对家庭其他用电的电器，进行统筹。

　　电动车已经走入我们的生活。以下数据都是来自国际能源署全球电动汽车展望2021。在2020年，全世界电动车的保有量（电动自行车和电动三轮车除外），包括纯电动车和插电式混合动力车，超过了1000 万辆，其中有450万辆是在中国，目前全球大概有14亿辆车，电动车的保有量还不到所有车辆的1%，有极大的发展空间。那么当前这1000万辆电动车如果用来做储能是什么规模呢？一辆纯电动车平均可以携带55度电，而一辆插电式混合动力车平均可以携带14度电。如果估计80%的电动车是纯电动，那么这些电动车一共可以存4.68亿度（468 GWh）。而目前全球的抽水蓄能的储能规模大概是90亿度（9000 GWh）。显然目前电动车的电池从储能规模上还是不能作为主要的手段。但是如果全球的电动车达到两亿辆，这个规模将是非常可观的。利用好的话，可以作为储能的重要支点。

　　2020年的全球电动车销售量近300万辆，占所有汽车销售量的4.6%。2020年全球电动车的销售额已经超过了1200亿美元。2020年全球有370种电动车型可供选择；这比2019年多出了40%。可供中国消费者选择的车型最多，尤其是中型轿车和多用途越野车（SUV）。在续航里程方面，纯电动车的平均水平达到了350公里，而2015时，平均续航里程才只有200公里。插电式混合动力车的纯电动续航的平均是50公里。当前电动车的普及的最大障碍，根据调查已经不是续航里程，而排在第一位的是充电桩的普及程度，第二是找不到适合的车型。

　　电动车市场的增长速度超过了普遍的预期。但以这样的发展速度，也很难实现国际能源署的2030年目标，即电动车保有辆增加到两亿三千万辆，达到所有车辆的12%。值得注意的是，世界上有超过二十个国家，包括中国、德国，计划在未来的十到三十年之间完全禁止内燃机车的使用。届时可以使用的动力将会主要是电池，其次是燃料电池。实现这些目标，就必须大力发展配套基础设施。让充电桩的数量超过加油站。在充电桩方面，中国是领先于世界的。截止2020年，可以公共使用的慢充电桩（比如功率在7千瓦），中国有五十万个，欧洲二十五万个，美国八万两千个。快充桩（比如功率在30 至40千瓦）中国三十一万个，欧洲三万八，美国一万七，其中60%是给特斯拉车的。只有快充桩才是进一步解决续航里程的手段，快充桩的普及对于电动车市场的成长至关重要。未来城市的规划，必须要考虑充电桩的密度。

　　在电动公交车，电动重型卡车方面，中国依然是最大的市场。2020一年就有7万8千辆新车注册。而这一年，整个欧洲是2100辆，美国只有580辆。给大型车尤其是重型卡车配备的电池组容量要远远高于家用小轿车，给这样的电池组充电，充电站的输出功率要求是很高的。卡车虽然只占所有车辆数量的5%，但是卡车的二氧化碳排放却占到30%。所以卡车的电动化，对于控制温室气体的排放非常重要。

　　2020全球电动车充电一共用掉电量80太瓦时，而2017年这一数字为54太瓦时（TWh），发展是非常迅速的。这个用电量相当于比利时一年的总用电量，是全球电力消耗的 1%。这其中，中国电动车的贡献是最大的，主要来自电动自行车和公交车。

　　在2020年全世界有电动自行车（包括三轮车）2.9亿辆，其中99%在中国。中国的电动自行车在电动车辆中对于全球二氧化碳的减排贡献非常大。有一点局限是：这些自行车并不具有将自己所储存的电能供给电网的能力。

　　在政策环境上，电动车发展的政府推力主要来自中国，美国的加州和欧盟。欧盟油贵，这主要是他们有非常高的燃油税，所以发展电动车是市场的选择。这里插一句，为什么对于美国，我们只谈到加州？加州在2009年获得美国国家环保局的豁免，该州可以用它自己的、比美国其他州更加严格的温室气体排放标准，这在政策层面上也为加州电动车的发展提供了支持。加州的目标是在2030年有500万电动车投入使用，这将占该州的机动车的20%左右。

　　电池总体上分为一次电池和二次电池，二次电池也就是可充电电池（以下简称电池）。电池的放电反应是物质间自发的氧化还原反应，氧化还原反应中一部分电子和原子是要搬家的，这个搬家是自发的。如果从外界输入能量，能够让绝大部份电子和原子再搬回去。在二次电池中，这样的反应是可逆的。这时电池作为储能设备是将电能转化为化学电势进行储存。这样的过程，大家再熟悉不过了，就是给电池充电。

　　在电池中化学电势是电池中化学反应的吉布斯自由能，它是负极的还原剂和正极的氧化剂之间的自由能。电池中的氧化还原反应和普通的氧化还原反应的本质不同是反应的去耦合化。普通的氧化还原反应的反应物之间是直接接触的，不需要一个媒介。氧化还原反应的进行导致电子从还原剂那里转移到氧化剂上，与此同时原子也要进行转移，转移的原则之一是使所有的生成物呈现电中性。而在电池中，氧化还原的反应物之间，生成物之间是不能直接接触的。它们之间的电子转移是通过电池的集流体和外电路的导线；而为了完成反应所必须的原子转移是通过电解质输送离子——带电荷的原子。所以一个电化学反应是将在点上进行的氧化还原反应在空间上拓展为整个电池的三维空间中来进行。在点上进行的氧化还原反应，反应物的电子交换不会形成宏观的电流；在电池中去耦合化的反应，电子和离子的转移就会形成电流。电池放电形成外电路的电子电流，这个电流可以做功；内电路有离子的电流，这个电流可以平衡电极上物质的电中性。

　　如果我们从能量的角度来理解电池的工作原理。其实电池和抽水蓄能是非常相似的。在电池放电的时候，电子之所以从负极通过外电路流到正极，是因为电子在负极上的能量是更高的，电池放电其实就是电子的瀑布从高能的位置流向低能的位置；而给电池充电就是将电子用“泵”——即一个电压，从能量的低处“抽”到高处。这里就可以很容易解释两个概念了，一个电池能够输出的电压就是“电子头”。这里我们借用了“水头”这个概念，就是电子的能量落差，另一个概念是电池的容量，我们通常用多少安时来描述电池的储存电子多少，这个容量可以类比抽水蓄能的水量。在抽水蓄能上，水的重量乘以水头就是总共能输出的能量了；相似地，电池的容量乘以电压，也就是电池能输出的能量了。

　　那么如何增加电池的能量输出呢？也就是说如何增加单位重量、单位体积的电池能够输出的能量呢？就是要增加电池的电压和增加单位质量或者体积所能存的电子的容量。增加电压的方法就是尽量拉开两个电极中电子的能量差，让负极中的电子能量非常高，比如这样的负极就包括非常活跃的碱金属和碱土金属，这些金属非常容易和环境反应，然后就把自己的电子给弄丢了；另一方面是让电子在正极中的能量非常低，电子在这样的材料中非常稳定。大家熟悉的锂离子电池的负极是：每层石墨烯之间嵌了锂金属原子的石墨插层材料，这个材料里电子的能量自然是高的。而锂离子电池的正极是过渡金属的氧化物，这种材料对电子是非常渴求的。这样一来，锂离子电池电芯的电压可以高于4.5伏特。要知道铅酸电池的电压是2伏特，而镍氢电池也只有1.3伏特。这是关于电压。

　　那么如何增加电池的容量呢？电池的两个电极，就好像两个蓄水池，这个蓄水池不是普通的蓄水池，而是像蜂窝一样的结构，可以用来放，电子、离子或者原子。那么怎么能增加容量呢？那就需要蜂窝结构中的蜂窝壁越轻越好，越薄越好。这些结构的“蜂窝壁” 是由原子或者分子构成的，它们的质量和体积是不同的。我举个例子，同样是可以作为负极，在电池反应中奉献出自己一个电子的金属，金属锂和金属钾，前者的原子量6.941，而后者是39.098，也就是说提供相同的电量，钾金属的电极是锂金属电极的5.6倍重，换句话说，锂金属的单位质量的容量是钾金属的5.6倍。这么看来，锂金属可以确保电池的容量，所以它是未来高能量密度锂电池的首选负极材料。现在电池研究的一个热点就是如何能够让锂金属安全、有效地作为电池的负极。

　　我们上面说了氧化还原反应中生成物是要保持电中性的。这个电中性原则同样适用于电池中的电极材料。这里我忽略了电极表面上带的静电，对于比表面积不高的电极材料来说这个静电的量和电极容量相比是不重要的。

　　在两个电极“掰手腕”之后，输了的负极要把电子从外电路的导线上交给赢了的正极。我们知道电子是带一个负电荷的，一个电中性的原子或是分子如果失去一个电子时，它会带上一个正电荷，这个原子就变成了一个阳离子，所以失去电子的负极就会多出来阳离子。

　　那么我们可以为上边的正极和负极的工作原理配对了 （如图6所示）。这是一个二乘二的问题。一共四种情况：

　　情况甲：如果是负极选（1）让阳离子自行离开，正极如果选择方案（A）接纳阳离子，来维持电中性，这种情况就是阳离子摇椅电池，包括锂离子电池的工作原理；

　　情况乙：如果负极选择（1）让阳离子自行离开， 正极如果选择方案（B）让阴离子自己走，进入电解质中，这是双离子电池，或者叫手风琴电池的工作原理。这种情况，电解质中会出现相同电荷的阳离子和阴离子，这样电解质就变浓了；

　　情况丙：负极选（2）接纳阴离子，而正极选择（A）接纳阳离子，这种情况是我实验室在2019年最早命名的反向双离子电池；

　　最后是情况丁：负极选择（2）接纳阴离子，而正极选择方案（B）失去阴离子，这就构成了阴离子摇椅电池的工作原理。比如氟离子、氯离子电池。

　　衡量能量储存设备的一个重要的标准是平准化度电成本。这个成本是一个电池的购入成本加上电池设备的维护成本，再加上购电成本的总和除以在其寿命中所存的所有电能总度数。

　　我们首先谈谈上面公式的分子中的电池设备的购入成本。这个成本取决于电池的制造成本。电池制造所使用的材料最好是来自地壳中富集的元素，如岩石构成组分，比如钠，镁，铝，铁，锰，碳，硅，氧，硫等等。使用这些元素具有可持续性的优势。而且会受益于规模化效应，即生产的越多，成本会越低。而如果采用贵重金属或者较为稀有的元素，就会造成生产地越多，这些元素的供应就越紧张，导致生成相关产品的成本会越高，从而最终会失去市场的竞争力。值得注意的是锂电池里面经常用的元素大部分都不是构成岩石的元素。锂电池正极中的钴、镍的供应都可能会出现问题。以目前的发展态势，在2035年会出现钴的短缺，在2045年出现镍的短缺（图7，8）。世界上钴资源主要在刚果，占到世界总储量的58.8%，排在第二的是俄罗斯，5.14%。而中国连前12名都不在，第十二名是美国：0.6%。中国的优势是全球90%的钴产品出自中国。

　　锂元素在地壳中的储量也不高。虽然海水中有比陆地上多得多的锂，但是由于其浓度极低，提取成本非常高，甚至超过了目前锂的价值，导致得不偿失。短期内海水取锂还不现实。但海水取锂依然是一个很好的科研方向。锂在地壳中的分布也很集中。

　　世界上大部分的锂资源是在南美洲的锂三角：智利，玻利维亚和阿根廷。而在2017年锂生产第一大国是澳大利亚：占世界产量的43.5%。其次是智利占到32.8%，阿根廷占到12.8%，中国的产量占7.0%。

　　锂不是很多，那么目前已经探明的锂储量可以满足电动车的需求吗？现在世界范围内接近1%的车辆是电动车，如果将这个比例增加到目前全球机动车的50%，需要多少锂电池呢？50%，估计为七亿辆吧，如果每辆车的锂电池有50度电，那将是350亿度（35 TWh）锂电池。2020年的锂电池的产能增加到400 GWh 以上，其中不到一半是为电动汽车生产的动力电池。如果是以目前的锂电池产能来计算，需要80年。而350亿度锂电池中有多少锂呢？如果能量密度估计为200 瓦时每千克，再如果一度电的锂电池需要150克锂的话，锂元素占锂电池重量的3%。350亿度锂电池需要21亿千克的锂。截止2020年全球陆地已探明的锂储量是210亿千克。值得注意的是，由于持续的勘探，全球探明的锂储量显著增加，估计一两年内修订的新储量会远远超出210亿千克。但是全球锂的开采量在2018年达到峰值，为0.95亿千克，随后在2019年和2020年分别降到了0.86亿千克和0.82亿千克。这和电动车迅猛发展的背景形成反差，这个趋势极不寻常。另一方面，锂电池工业似乎并没有受到锂开采减缓的影响，考虑到锂的其他用途，如果锂回收的问题得以解决，锂的储量应该够满足全球的电动车市场。但是用锂电池来解决世界范围内的储能问题，从目前锂的储量来看是有挑战性的。

　　锂的回收势在必行。目前来看回收旧电池的锂，要比从海水中提取锂，在经济上更划算。但目前成本依然很高。主要是因为锂电池的种类繁多，内部化学材料的组成复杂，而且锂电池的电解质是有机物，具有很强挥发性和一定的毒性。目前大量锂电池中的锂无法回收，被浪费掉。一个方案是当车用电池的能量密度衰减到不能提供可以接受的续航里程的时候，退役下来作为储能电池继续使用。锂的回收技术，将是锂电池产业的另一块战略高地。

　　电池材料的选择还要关注它的产能。比如锌的储量其实不高，甚至还不如锂， 但是锌矿的年开采量是惊人的，存在同样问题的金属还有铜，这两种金属都是工业发展必不可少的。但是这些金属确实是有可能出现无矿可采的局面的。锌的开采确实有它自身的特点，比如锌和铅经常在伴生矿中，而铟和锗也是和锌矿伴生。对于其他金属的需要，也使得对于锌矿的开采更加有利可图。最近锌金属电池的研发方兴未艾。如果锌金属真的实现了大规模商业化，在储能方面取得巨大的成功，是否会有锌的短缺，将是个重要的问题。

　　另一个成本是电池的维护成本。对于大多数电池种类来说，维护都不是大的问题。而对于液流电池，维护很可能会成为一种重要的支出。

　　电池有一个不可承受的成本就是安全成本。假如一百度电的锂电池是五百公斤、里面有七千块电池；那么一个百万度（GWh）的电站，将需要七千万块电池。排除掉人为和产品质量的因数，这样规模的锂电池蓄电站，是否能够抵御自然灾害的冲击，是一个巨大的问题。毕竟现在的锂离子电池是可燃的。

　　解决安全问题，最低成本的做法是用水溶液做电池的电解质。水系电池，大家都不陌生。以产能来比较，电池界的老大其实一直都是铅酸电池。它的市场销售额只是最近几年才被锂离子电池超过的。铅酸电池用的是硫酸水溶液作为电解质。还有镍氢电池的电解质是碱性水溶液，比如氢氧化钾。这两种电池和锂离子电池比都是更加安全的。那么这两种电池能否解决大规模储能的难题呢？

　　我们首先看铅酸电池，作为第一种二次电池，它在1859年就被发明了。其实从铅酸电池的工作原理来看，它其实是一种反向双离子电池。电池在放电时，正极的二氧化铅结合质子（和硫酸根）生成硫酸铅和水，而负极的铅金属结合硫酸根也生成硫酸铅。所以在放电过程中，电解质中硫酸的浓度会显著的降低。而在充电时，正极的硫酸铅被氧化为二氧化铅，这个过程要消耗水，生成硫酸；负极的硫酸铅则转化为铅金属和硫酸。对于双离子电池来说，电解质是电池活性物质的一部分，是电池中离子载流子的唯一来源。所以电池能量密度是有比较低的天花板的。基于这个原理，铅酸电池的能量密度不可能有什么大的提高了，目前不到40Wh/kg。

　　铅酸电池工作的原理是基于电池材料的完全相变，可逆性是不好的。相比之下锂离子电池的寿命要长很多。因为在电池充放电时电池的电极进行的是拓扑化学反应，锂离子进进出出并不太影响电池的结构，电极材料的结构保存完好，所以这样的化学反应可逆性极好。如果铅酸电池深度放电的话，相变就会非常彻底，就更加难以可逆了。举个例子，如果你的车有几个月不开，车子经常会无法启动。就是因为铅酸电池的电已经通过自放电放光了，对于电极材料来说，彻底地相变反应，就不可逆了。所以为了延长铅酸电池的使用寿命，需要浮充电。

　　铅酸电池也不是没有安全隐患的。给铅酸电池充电，充过头了，有可能产生氢气和氧气，如果这两种气体产生的速度很慢，电极中的催化剂可以把这些气体转化成水，消除风险。但是如果过多的氢气产生出来，铅酸电池也是有爆炸危险的。其次大家都知道铅是有毒的重金属。虽然铅的回收和再利用是非常成功的，但是生产过程中难免产生含铅的废料。

　　再来看镍氢电池。它的核心技术是含有稀土元素的负极材料的储氢技术。商业化镍氢电池的负极是形式为AB5的合金，这里一份A是稀土金属，五份B是其他比较丰富的过渡金属。五份B也可以是几种金属凑在一起的。在充电时负极生成金属氢化物，这个过程是将电解液中的正一价的质子还原为负一价，这是很厉害的。镍氢电池的能量密度在商业化的水系电池中应该是最高的了，很有竞争力。

　　镍氢电池的局限性主要是必须用到稀土元素，稀土的消耗是个难题。大家知道，稀土的开采对环境是有很大负面影响的。中国的稀土储量是全世界的36.7%，但是在2017年却为全球市场提供了81%的稀土。

　　在大规模储能上，受到关注的还有液流电池。在介绍液流电池之前，我先来看一下工作原理上很相似的燃料电池。燃料电池也有正极，负极和它们之间的电解质隔膜。燃料电池里的燃料显然不是用来燃烧的。我们之前说过电池就是将本来发生在一个点上的氧化还原反应，比如氢气被氧气氧化得到水，这样的一个反应，拓展在一个三维空间上。在电池上，电池放电的时候，负极本身被氧化，输出电子，输出电子的就可以看作是燃料；而正极本身被还原，得到电子，是氧化剂。那么重新来定义负极和正极，就分别是燃料和氧化剂。

　　在燃料电池上，比如使用氢气做燃料的燃料电池，氢气就被通到电池一侧的负极，在那里和催化剂充分的接触，被氧化成质子，而氧气被通到电池另一侧的正极，在那里和催化剂接触，和负极那边导来的质子结合生成水。在燃料电池里，我所说的正极（阴极）、负极（阳极），本身只是提供催化和导电的功能，自身不需要被氧化或者还原。

　　所以燃料电池的“尾气”就是水而已。我刚刚提到的催化剂，目前都还是以贵重金属为主，像铂，钯。如果燃料电池的催化剂没有大的技术变革，也就是说，不能用地壳中含量更多的元素来代替贵重金属做催化剂的话，用燃料电池来驱动的汽车就很难普及。

　　这里插一句，和电池电动车相比，燃料电池车还是很小众的，根据国际能源署数据，在2020年燃料电池车全球保有量只有34800辆。中国占其中29%，美国27%，韩国24%， 日本12%，德国3%。燃料电池车，主要是氢气燃料电池车，其车载氢气，主要是使用35-70兆帕的专用气缸来存放。这个压力就是350到700个大气压。

　　回到液流电池，这种电池是用泵把溶解了作为燃料的化学物质的阳极液从负（阳）极储罐和溶解了作为氧化物的化学物质的阴极液从正（阴）极储罐，分别抽出，输送到电池电堆单元的负（阳）极和正（阴）极的集流体上，在那里阳极液的活性物质被氧化，阴极液的活性物质被还原，电池放电。阳极液和阴极液通过电堆单元之后，再流回各自的储罐中。那么在充电时，这两种放过电的溶液再次流过电池电堆单元。只不过，这时是有电源来强行将电子从正极一侧，拉回到负极一侧，这样就可以再生阳极液和阴极液了。

　　和上面提过的燃料电池的正、负极自身不被还原、氧化一样，在液流电池里，电池电堆集流体本身不被氧化、还原，而且连催化的功能也不需要提高，只是负责导电而已。和普通电池相比，普通电池里的正极和负极，宏观上都是静止不动的。液流电池和传统电池相比，更像化学储能；它能储存的能量，是和它所用的储罐的大小成正比的。

　　而燃料电池和液流电池的正极的活性物质和负极的活性物质是流动的。比较液流电池和燃料电池，前者是可以被充电的，而后者是不必被充电的。也就是说燃料电池把氢气和氧气反应了，变成了水，但是燃料电池不负责把水再拆分成氢气和氧气。这个反应叫分解水，不必在燃料电池这样的电化学设备中完成，而是有自己专属的设备。

　　目前有几种液流电池技术，其中使用钒离子的技术已经商业化。钒的重要问题是它的前期资本投入很高，钒液流电池的价格高主要是由于电池中使用的钒并不是非常便宜的元素。另外，含有钒的材料虽然不是剧毒的，但是长期接触会有健康的损害。还有一种技术是用铁的离子。铁的液流电池在价格和环境上都不是问题。它的难题是技术上的，尤其是维护上。

　　储能电池中还有钠硫电池，ZERBA电池。这些电池需要较高的工作温度。同时他们使用钠金属作为负极。我个人认为这些电池的安全隐患较高。这里就不做重点介绍了。

　　储能电池的市场竞争力，归根结底是电池的平准化度电成本：是终其使用寿命，所存储的全部电能，分摊到每度电的成本。降低平准化度电成本需要考虑五点因素。第一是降低电池的生产成本，尽量使用便宜的，工业产能大的材料来作为原料；不仅要现在和近期便宜，而且要持续性的便宜。最好要有规模经济效应，也就是随着生产规模增加，成本会降低。同时，生产电池材料的能耗越低，成本也越低。还有生产过程产生的污染越小，成本越低。第二点是要延长电池的使用寿命。打个比方，比较两种电池，第一种的成本是一百美元每度电，使用寿命一千个循环，第二种成本是二百美元每度电，但是可以循环一万次，这样算过来，第二种电池的平准线。但是人们的消费并非理性，所以很难讲哪一种电池进入消费市场会容易。第三点是要尽量减少电池的维护成本。如果我们比较锂电池和液流电池，后者是需要维护的。那么最好是储能系统安装之后，就再也不用碰了。第四点是安全责任成本。第五点是提高电池的能量密度。

　　我们来看一下最近受到关注的几种电池。第一类是使用非水溶液作为电解质的；第二类是使用水溶液作为电解质的。非水系电池中，最受关注的是钠离子电池。对于钠离子电池热情，源自十几年前开始的电池界对于锂紧缺的担忧。因为钠和锂相比，确实是取之不尽的。同时在元素周期表中，钠紧挨着、在锂的下面。钠和锂在诸多性质上有相似的地方。这个领域这十年来取得了长足的进展。在之后钾离子电池也有了一定的发展。另外还有镁电池，铝电池，质子电池，卤素离子电池和双离子电池。

　　以上这些电池种类，如果依然使用可燃的有机溶剂作为电解质的话，作为大规模储能，安全性仍然是隐患。最近开发出了可以完全阻燃的电解质，很有前景。

　　作为大规模储能的出路，我本人更看好水系电池。水系电池有希望在世界上成批建设吉瓦/吉瓦时规模储能电站。使用水溶液作为电解质，符合上面五点考虑中的第一点，成本低，第四点，安全好，和第三点，无需高成本维护。水系电池的核心任务是如何延长使用寿命和如何增加电池的能量密度，更好地满足蓄能的需要。在水系电池中到底用什么电池来储能？直到现在，这个问题依然是没有清晰的答案。有人将现在储能电池领域所处的时代和半导体行业的1970年代来类比。挑战和机会并存。

　　对于电池这个行业来说，一直有重工程但轻基础研究的传统。大量的科研人员忙着改进现在已经商业化，或是在几年内就会商业化的技术，或是跟踪热点。这导致整个领域，缺乏战略性的广度和深度。新的电池技术归根结底要基于新的氧化还原反应和对于电化学基本原理的认识。这是所有电池工程、技术、甚至是工业生产的基础。

　　如何寻找新的电池化学原理，其实是有很大的空间。无非是从热力学和动力学两个角度来看。热力学决定了电池的能量密度；而动力学决定了电池的充、放电速度。而热力学和动力学一起影响了电池的循环寿命。笔者一直思考的一个寻找新的电池化学的主线是：离子和电池电极结构之间的相互作用。这个作用或强、或弱，或处于变化之中，会有异彩纷呈的变化。我举一个关于嵌入离子和电极内部组分相互作用的例子。这个例子是关于在电池电极中储存质子时所展现出来的格罗特斯机理。

　　格罗特斯机理讲的是在水或者酸中，质子传导的机理。格罗特斯在1805年提出这个机理，原文用拉丁文在罗马发表，在1806年被翻译成法文。现在能看到的版本是1806年的法文版本。和格罗特斯机理相对应的离子传导机理是车辆机理。车辆机理很好理解。比如一个锂离子在水溶液里，锂离子要从溶液中的A点移动到B点，这个锂离子自己会被一群水分子簇拥着，移动过去，是一种离子亲力亲为的感觉。但是格罗特斯机理中质子在水里的传导，传导的不是质子本身，而是它的电荷。在水里，水分子们通过氢键连成一个网络。质子的传导，就靠着“手拉着手”的水分子之间的“手臂”震动就实现了。可以想象一下，一排舞者，手拉着手站好，从一端开始，依次做霹雳舞的过电动作，形成一个手臂的波浪，就这样完成了质子的传导。这就好比是水分子内部氢氧键的震动。质子接上水分子链的一端，震动之后，在水分子链的另一端，另一个质子，就被释放出来了，这样就完成的质子的传导（图9左）。这个过程和牛顿摆也很相似（图9右）。这种传输质子的过程，最大的特点就是快。笔者的课题组最近将这个机理应用到了以质子作为离子载流子的电池中。电池的充放电可以异常的快。

　　我说这个例子是想表明如果我们将电池设计的中心思想放在关注化学的基本原理，或许可以开拓出新的技术。对于新电池化学的寻找我们需要尽量避免工程、技术的范畴对于电池化学设计的想象空间的限制。有必要从氧化还原反应的角度，来安排可能出现的电化学反应。在氧化还原反应中，物质交换可以靠阳离子，也可以靠阴离子的转移来完成。如果是阴离子电池，要考虑这些离子是来自电解质，还是来自一个电极。要全面考虑电解质在电池中的作用，是否是由电解质而非电极来提供电池电极电化学反应所需要的离子，这个问题在双离子，反向双离子和双阳离子电池中非常突出。如果电池反应要改变电解质中溶质的浓度，就需要考虑到电解质的浓度和体积。传统上，电池研究都是使用富液式半电池来测试电极材料的性能，这种测试对于这些电池是否有意义，就成为了问题。如果电解液是电池反应物之一，就要严格界定这种反应物的浓度和总量。

　　水系电池的难题在于它的寿命、能量密度还有安全性都受限于作为电解质的水溶液的狭窄的电化学稳定窗口。热力学上这个窗口只有1.23伏。当电池负极反应电位对应的电子能级（功函数）高于水分子的最低未占分子轨道，水分子就会被还原生成氢气分子，这就是析氢反应；当电池正极反应电位对应的电子能级低于水分子最高占据分子轨道时，水分子就会被氧化而生成氧气分子，这就是析氧反应。这两种反应会消耗电解液中的水，会使得电解液的浓度越来越高，降低电解液的离子电导率，最后导致电池无法正常工作。

　　由于水分子稳定性的限制，水系电池一般无法使用高电位的正极材料和低电位的负极材料，这两个电极之间的电位差就是电池的输出电压，所以水系电池的输出电压一般是低的，比如铅酸电池的2伏和镍氢电池的1.3伏。电池能量密度是电极容量和电压的乘积，所以水的低稳定性就限制电池的能量密度。最后，如果水系电池充电时，同时析氢和析氧的话，就有爆炸的危险。所以说电解液才是水系电池的症结所在。

　　电解液的设计就成为水系电池的核心问题。设计的主要目的就是要降低甚至杜绝水分子在电极表面上的析氢或是析氧反应。要实现这样的目的，有热力学和动力学两个路径。热力学上说，有两个途径，一是降低水的活度。在高浓电解液中，比如所谓的盐包水，首先是水的活度显著降低。根据能斯特方程，活度的对数和电化学反应的电位是成线性关系的。简单来说水分子的活度低了，水分子氧化或者还原反应就变得更难了。

　　第二是要增强水分子的氢氧共价键的强度，这个化学键的强度越高，水分子就越稳定，就越难被还原或者被氧化。那就要弄清楚水分子的氢氧共价键强度和什么条件有相关性。在什么样的化学环境中，氢氧共价键强度会被加强。目前的进展发现使用高浓盐电解液，不仅水的活度降低了，氢氧共价键强度也得到增强。这似乎和水分子间氢键的减少是同时发生的。具体为什么高浓电解液中水分子的氢氧共价键强度增加，目前的成果也还停留在观察层面上。还有很多问题有待回答，比如是不是只要盐的浓度高，都有这个作用，无论是什么盐？高浓的非电解质溶液有没有这个作用？高浓盐溶液中的阳离子，阴离子各自起到什么作用？

　　增强水的稳定性在动力学上有几种方法。第一可以借助于固体电解质界面膜。固体电解质界面膜普遍存在于有机电解液和工作电位低的电池负极的界面之上。有机电解液中的有机溶剂可以被电池负极还原，它的还原产物成为固体电解质界面膜的一部分。而水做不到这一点，因为水被还原的产物只有氢气，不可能成为固体电解质界面膜的一部分。所以在水系电池中生长固体电解质界面膜，就必须考虑如何将电解液的电解质或者其他添加剂转化成固体电解质界面膜的一部分。这里要考虑到水系电池的负极的电位并不是非常低，所以它的还原能力是有限的。与此同时，如果负极表面上有很强的析氢反应，即使电解质界面膜可以被生成，它是否致密也是个很大的问题。所以笔者认为在寻求生长固体电解质界面膜之。