随着全球对能源系统性脱碳的需求不断增加，可再生能源发电（如风能和太阳能）的规模日益扩大。然而，可再生能源的本质间歇性导致了发电量和需求之间的不匹配：当发电量超过需求时，电力就会过剩，而当需求超过发电量时，则会出现电力短缺。因此，电网规模储能（Grid-Scale Energy Storage, GSES）技术成为解决此问题的关键方案之一。在这一领域，电池储能技术（Battery Energy-Storage Technologies, BESTs）因其部署灵活、响应迅速以及对地理环境要求较低等优点，正逐步取代传统的储能技术（如抽水蓄能）。截至2023年，全球电池储能的装机容量已超过85 GW，预计到2030年将增至约600 GW。尽管锂离子电池（LIBs）目前仍然处于主导地位，但由于其存在的安全风险、资源限制和回收问题，研究人员正在积极探索多种多样的BESTs，其中包括水系电池、氧化还原液流电池（RFBs）、高温电池和气体电池，以满足不同应用场景的需求。

有鉴于此，中国科学技术大学陈维教授团队结合近些年在储能电池领域的研究经验和总结，以“Battery technologies for grid-scale energy storage”为题目在Nature Reviews Clean Technology上发表了综述论文，详细探讨了电池用于电网规模储能电池的应用、技术设计、性能要求及挑战等内容，并对未来更大规模发展下的储能电池技术进行了探讨和展望。本文第一作者为蒋涛立，沈冬阳和张作栋，唯一通讯作者为陈维教授。

图1、GSES技术的发展与应用。

该图展示了电网规模储能技术的发展时间线及应用场景分类。时间线从19世纪铅酸电池原型、抽水蓄能（PSH）的雏形等开始，到20世纪压缩空气储能（CAES）、飞轮和电化学电容器的兴起，再到21世纪锂离子电池的普及和新型电池（如钠离子和氧化还原液流电池）的研发。应用场景分为发电侧（如可再生能源集成和黑启动）、电网侧（如频率调节和电压支撑）和消费侧（如自消纳和离网储能）。相比其他技术，BESTs具有很好的部署灵活性，使其在各种场景中都具有应用潜力。

图2、电池技术在电网中的应用路径图及电池储能系统的组成与运行机制。

电池在电网中主要应用区域包括光伏电站、海上和陆地风能发电站，电网输电线路，工商业区，居民区，偏远离网区域等。此图详细描述了电池技术在电网中的应用路径图及电池储能系统的架构和运行机制。电池储能系统包括电池单元（阴极、阳极、电解质、隔膜）、电池模块（多个单元串联/并联）、电池管理系统（BMS，用于监测电压、温度和充电状态）、能量管理系统（EMS）和功率转换系统（PCS）。电池单元是核心组件，其性能决定系统整体效率，而BMS和PCS确保系统稳定运行。

图3、不同储能场景对电池技术的性能需求。

为了进一步明确不同储能场景对电池技术的性能需求，该矩阵图分析了15种储能场景的关键性能指标优先级，包括响应时间、成本、安全性、寿命、往返效率（RTE）、容量和自放电率。场景分为发电侧（如长时储能和季节性储能）、电网侧（如电网拥堵缓解）和消费侧（如电能套利和离网储能）。所有场景均高度强调安全性和成本效益。长时储能和季节性储能要求极低成本和低自放电率，而频率调节等电网服务需快速响应（毫秒级）和高RTE等。

图4、BESTs技术类型与性能比较。

根据电池的化学与结构特殊性，把电池大致分为高能电池（锂离子LIBs、钠离子SIBs）、水系电池（铅酸LABs、镍氢Ni-MH、锌离子ZIBs）、氧化还原液流电池（RFBs，如钒液流电池）、高温电池（钠硫Na-S、液态金属电池）和气体电池（金属空气电池、氢气电池）。同时通过雷达图对比五类BESTs的工作机制和性能。例如，锂离子电池因高能量密度（160-200 Wh/kg）和高RTE（85-95%）占据主导，但存在安全风险；水系电池（如LABs）安全性高但寿命短（<1000次循环）；钒液流电池寿命长（>10,000次）但成本高（$250-700/kWh），能量密度和效率低；气体电池（如镍氢气电池）适合长寿命应用（>30,000次）。

图5、电池技术的安全性与成本挑战及应对策略。

作者详细探讨了上述几种类型电池在安全性、成本、寿命、回收和温度适应性等方面的解决策略。例如，热失控（由机械、电气或热滥用引发）是主要风险，尤其在锂离子和高温电池中。解决策略包括电解液优化（如水系或局部高浓度电解液）、电极设计（抑制枝晶生长）、智能BMS（实时监测和热管理），以及制造质量控制。成本方面，资本成本（占系统总成本的主要部分）受资源稀缺性影响（如锂价波动），降低策略包括使用丰度元素（钠、锌）、提升能量密度、开发高效回收系统（再生利用可节省15%成本），以及采用平准化成本（LC）模型评估全生命周期经济性。

图6、电池技术的寿命与回收利用。

此图统计了各BESTs的循环寿命（a）和回收路径（b）。寿命方面，镍氢气体电池和钒液流电池表现优异，而铅酸电池（300-1000次）寿命较短，影响其经济性。回收路径包括再利用（如电动车退役电池转用于微电网）、再生（修复电极材料）和回收（湿法/火法冶金提取资源）。回收系统对资源可持续性至关重要，尤其锂离子电池的复杂结构增加了回收难度，需发展高效通用方法。

BESTs能够在其他存储技术不实际的应用场景中提供能源存储，比如地理和地形限制使得抽水蓄能无法应用，或存储需求相对较小且分散的情况下。BEST的应用具有特定场景性质，因为不同类型的电池（包括高能锂离子电池、水系电池、氧化还原液流电池、高温电池和气体电池）各自具有不同的优缺点。高能锂离子电池因其出色的整体性能和不断降低的成本而被广泛使用。尽管针对安全性、成本、使用寿命、循环利用性和温度适应性等关键挑战正在开发新的解决方案，但目前商业化的电池技术仍主要依赖于20世纪的一些重要材料和化学发现。

为满足多样化应用场景日益增长的需求，可以采用高通量筛选、基于人工智能的精准预测和高分辨率原位微观表征等先进技术，以开发或优化电池材料和化学成分。这些创新有潜力提升电池的特性，同时通过自愈合自充电等功能增强电池的实用性。此外，开发更加准确和可靠的电池预测模型及管理算法，对于优化电池架构和系统至关重要，这需要跨学科和跨领域的整合与合作。

尽管对新电池技术进行了广泛研究，但从实验室原型到工业竞争产品的过渡仍面临重大挑战。电池技术的发展经历材料与电芯堆的研究、系统放大及关键材料的大规模生产，最终达到工业化。在电网应用中，安全性和成本效益必须优先考虑，这与电池制造所需资源的可用性密切相关。基于丰富元素开发的BESTs可能为电网规模储能提供具有成本效益的选择，从而确保新兴和新型BEST的生产符合行业标准。

新型电池架构的发展应以能在成本、使用寿命、自放电率、能量转化效率和大规模生产潜力等方面与现有最佳电池相比具有竞争力为目标。需要全面的应用标准指导研究人员、开发者和电池制造商在设计和测试BESTs时，以确保其安全和广泛应用。

▍文献链接

Taoli Jiang#, Dongyang Shen#, Zuodong Zhang#, Hongxu Liu, Guili Zhao, Yidi Wang, Shunxin Tan, Ruihao Luo & Wei Chen*

Nat. Rev. Clean Technol. (2025). https://doi.org/10.1038/s44359-025-00067-9