6． 超级电容／镁离子／钠离子／液流电池非主流技术方向

超级电容

技术原理：超级电容是利用活性炭多孔电极和电解质组成的电化学双层电容器（EDLC），虽然它是一个电化学器件，但它的能量储存机制却一点也不涉及化学反应，本质上是物理电池，因此充放电循环次数达十万甚至数百万次，并且可以在数秒内完成充放电。

超级电容器在充放电过程中进行的仅是电子和离子的物理迁移、并没有发生化学反应，因此其可以经得起数十万次的循环测试，并且可以在数秒内完成充放电。

三大优点

功率密度高：充电速度快，充电10秒～10分钟可达到其额定容量的95％以上，可达300W／KG～5000W／kg，相当于电池的5～10倍；

循环寿命长：深度充放电循环使用次数可达1～50万次，没有“记忆效应”；

超低温特性好：温度范围宽－40℃～70℃。

问题点

能量密度是超级电容器的致命短板，目前多以活性碳为电极，由于是物理储能，因此超级电容的能量密度仅能达到5～10Wh／kg，并且后续提升空间有限；

泄漏：超级电容器安装位置不合理，容易引起电解质泄露问题，破坏电容器的结构性能；

针对超级电容器的长循环、高倍率特点，目前其产品主要集中于车辆起停及能量回收电源、风力发电的临时储能装置，能量密度的短板决定了不是动力电池的主流技术方向。

镁离子电池

技术原理：一个镁离子可以携带两个电荷，因此在其它条件完全一致时，镁离子电池的体积能量密度将达到锂离子电池的两倍左右。金属镁在形成时不会产生枝晶，因此可以单独作为负极从而提升能量密度。

优点

蕴藏丰富，价格低廉；

安全无污染且加工处理比锂方便；

电极电位较低，能量密度高。

主要问题

合适的负极材料：由于镁的化学活性高，在绝大多数溶液中极易形成不传导的钝化膜，当电池开始放电，镁要发生氧化反应时，钝化膜阻滞了这种反应，需要时间撕破这层钝化膜，反应才能顺利进行，这种现象称为“电压滞后现象”；

合适的正极材料：可像锂离子一样、自由且快速的嵌入和脱出镁离子的正极材料还未找到；

可靠的电解质：适合于镁离子电池的电解质还未完成开发；

镁离子电池目前还处于理论和实验室阶段，想找到一款具有可逆脱嵌镁离子能力且电压平台合适的正极绝非易事，镁离子无法在电解质中快速迁移的解决方案也并非一朝之功，目前非主流技术方向。

钠离子电池

技术原理：钠离子电池的工作原理与锂离子电池类似，是利用钠离子在正负极之间嵌脱过程实现充放电。充电时，Na＋从正极脱出经过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷经外电路供给到负极，保证正负极电荷平衡。放电时则相反，Na＋从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。

优点

Na原料资源丰富，成本低廉，分布广泛；

钠离子电池半电池电势较锂离子电势高0．3－0．4V，既能利用分解电势更低的电解质及电解质溶剂，电解质选择范围更宽；

相对电化学性能稳定；

没有污染，易回收，环境友好；

主要问题点

钠离子层状化合物合成价格昂贵；

安全性能差；

比容量低，钠离子原子半径较大容易造成正极材料结构坍塌；

钠离子电池在原料成本等方面存在很大优势，但能量密度的短板决定了不是动力电池的主流技术方向。

液流电池

技术原理：液流电池的核心结构是被分离存储的正负极电解液以及用于正负极电解液进行反应的电堆。在循环泵的推动下，正负极电解液流经电堆处并发生反应，从而将化学能转化成电能。目前最常见的液流电池为全钒液流电池。

液流电池的电压普遍不高，如全钒液流电池的电压仅为1．26V，带来的好处就是可以使用水系电解液，进而大幅提高电池安全性能。此外，液流电池的循环寿命也很容易突破一万次，从而减轻环保、回收的压力。

技术难点：液流电池的离子交换膜及高浓度电解液是开发的难点。整个电池系统需要管路、阀件、电解液循环泵、换热器等辅助部件，使液流电池结构颇为复杂，传统液流电池能量密度较锂离子电池也明显偏低。

针对液流电池长循环、安全性特点，目前其产品主要集中于储能领域，能量密度的短板决定了不是动力电池的主流技术方向。

7． 核聚变电池是人类社会终极能源方式

技术原理：核聚变反应堆原理是使用超高温度将氢的同位素氘和氚加热成等离子体，然后依靠二者的高速碰撞生产氦，在这一反应中会发生质量损失，而损失掉的质量就由质能方程E＝mc2转化成了巨额能量。为了束缚住反应堆中的超高温等离子体，需要制造一个环形磁场，托卡马克“环”因此得名。

优点：海水中存在着巨量的氢同位素、核聚变释放的能量绝非常规物理化学反应可以匹敌、核聚变产物也不存在污染

技术难点：

1． 需要瞬间上亿度的高温才能引起核聚变反应，怎么将核聚变的原料加热到这么高的温度？（怎么点燃炉子里面的燃料？）

2． 将核聚变的原料加热到这么高的温度以后拿什么来装它？（怎么让燃料不把炉子烧穿了？）

3． 最大的难点就是如何同时实现高温高密度和长约束时间？

为了解决第一个问题，需要将多个激光器的能量聚焦于同一点，这不仅需要每个激光器对准的方向控制地异常精确，也需要在这一极短的时间内每个激光器的能量大小需要严格控制。目前美国“国家点火装置”目前正在实验将192个激光器聚焦于同一点。而我国的“神光三号”项目目前则正在试验将32个激光器聚焦，下一步目标是48个。

第2个问题我们拿什么来盛放这些物质。上亿度的物质足够烧毁任何与其相接触的东西，“超导托卡马克”装置的研制就是为了实现能将上亿度的物质存放于其中的目的。基本原理是通过将这些物质约束在一个密闭的环中使其高速旋转，来将其固定在一个密闭的空间中，从而实现了变相的盛放。

第3个问题，目前还找不到解决办法……

核聚变是宇宙终极能源，太阳发光即是内部核聚变产生，如果能实现，将成为人类社会的终极能源方式，一次性解决所有能源问题，激进预计 2050 年或能有所突破。

8． 动力电池技术路线图

综合考虑以上，我们提出动力电池技术路线图如下：

9． 电池命名体系

考虑到电池由正极、中间层、负极 3 个重要部分组成，传统以其中 1 个部分命名不够准确，我们提出以正极－中间层－负极命名体系如下，欢迎批评指正。