电化学储能可以追溯到1859年勒克郎谢发明的铅酸蓄电池，160多年来该领域的发展非常迅速，从目前拟淘汰的镍-镉电池到钠硫电池、液流电池以及最近的锂离子电池、水溶液可充锂电池(简称水锂电)和复合超级电容器。随着技术的发展，从小的芯片到现在的工厂以及将来人们的出行(电动汽车)、可再生能源的使用，无一不与储能密切联系在一起，每年的市场高达几百亿元。在这里，将最近的几种最新的电化学储能系统及其材料作一简单的介绍。

 

　　锂离子电池诞生于1980年代末、90年代初，是在以金属锂为负极的充电池的基础上发展而来的。由于在电化学氧化还原过程中，锂离子在正极和负极之间来回移动，因此称之为锂离子电池，简称“锂电”。负极材料基本上为石墨材料，正极材料包括钴酸锂、锰酸锂和三元材料。较以前的蓄电池体系而言，具有诸多优点，如放电电压高、能量密度大、自放电低、无记忆效应、环境友好、循环寿命长。因此，自1995年大规模生产以来，其发展非常迅速，并推动了相关产业的发展。例如，将“大哥大”变成了当今的手机、数码相机、数码摄像机、笔记本电脑、MP3、MP4等便携电子产品的出现。

 

　　由于其电压高于水的分解电压，因此电解液为非水的有机溶剂与锂盐溶液。这些有机溶剂在过充、短路等不良使用情况下很容易与正极材料发生反应，导致锂离子电池发生起火甚至爆炸，因此必须提高其安全性能，并主要在以下方面进行改进：

 

　　⑴将正极材料改成电压稍低、与电解液反应热小的LiFePO4，这也让LiFePO4成为目前非常热门的电动汽车材料。但是，仅仅在正极材料上进行改进还不可能大大改进安全性能，因为负极材料和电解液的不稳定因素依然存在。即使是国际上的权威大公司，其生产的大容量锂离子电池在试车过程中也常常发生起火事故。因此，还必须在负极材料和电解质方面进行改进。

 

　　(2)负极材料的改进是采用与锂反应热少的材料如非金属硅。目前国内外在此研究开发的比较多，但是工业化产品还没有。随着核/壳结构和纳米技术等方面的发展，新型负极材料即将面世。

 

　　(3)将液体电解质改成固体聚合物电解质，其原理就如将液体酒精改为固体酒精。由于蒸汽压大幅度降低，液体电解质的泄漏不会发生，同时阻燃性大幅度提高，不存在漏液、着火、爆炸等安全隐患。显然，固体聚合物电解质是未来大型动力储能装置如电动汽车的首选。否则安全隐患时刻存在，无法给消费者充分的信心，将成为电动汽车大规模推广的拦路虎。

 

　　锂离子电池在大型的储能系统中，由于成本高，且对生产条件要求高，因此迫切需要发展新型的低成本、易大规模生产的蓄电池体系。由于水溶液的安全性能高，不会起火，离子导电率高，且成本也低，因此成为大型储能的首选。水锂池发明于1994年，但当时的循环性能非常差，经过几年的研究，进展不大。2007年复旦大学在此取得了大的进展，自此开辟了水锂电的新时代。国内外许多单位如美国斯坦福大学、日本九州大学、中国科技大学、中南大学等在此基础上相继开展了研发。

 

　　目前，复旦大学在此领域居于世界领先地位，例如研制的电极材料具有良好的储电性能：100%DOD充放电1万次后，容量保持率为93%；以90C的高倍率放电，容量为标称的95%；以90C充电，亦达标称容量的76%；如果采用恒流恒压充电方式，2——3分钟就可以将电池全部充满；功率密度可高达10000W/kg以上。随着在水锂电负极材料方面的探索和完善，水锂电将给电化学大规模储电产业带来一个惊喜。这将大大推动太阳能发电、风力发电、潮汐发电等可再生能源的发展。

 

　　电容器具有良好的大电流充放电性能，同时循环性能优良。但是，由于能量密度低，因此在许多领域的应用受到了限制，例如，目前上海的11路电动公共汽车无法跑远就是一个例子。在电容器体系中，有水溶液和有机溶液两种体系。为了提高电容器的能量密度Q，根据Q=1/2CV2，可以从电极材料的比电容C和工作电压V两个方面出发。但是，为了提高V，必须采用有机溶液作为电解质。而有机电解质的离子导电率要比水溶液低1——2个数量级，且电极材料的比电容C在有机体系中将明显低于在水溶液体系中，因此采用水溶液体系可能还是较佳的选择；同时，功率密度与电阻成反比，这样在有机体系中也不易提高具有实用价值的功率密度。

 

　　当一个电极用具有氧化还原作用的电极取代，得到超级电容器或电化学电容器，能量密度得到了大幅度提高，例如C//Ni(OH)2、C//PbO2和C//LiMn2O4等。但是，超级电容器主要应用在大功率场合，而这些超级电容器只是在低功率下具有大的能量密度，随着功率的提高，容量衰减迅速，因此实用价值大打折扣。而在水溶液中，钠离子和钾离子的半径小于锂离子，迁移速率要明显高于锂离子；同时，前两者水溶液的离子导电率也要高于后者。最近复旦大学发现，在大功率如2000 W/kg下，以钠离子或钾离子作为迁移离子的超级电容器的能量密度要高于以锂离子作为迁移离子的超级电容器，且前两者的成本也更低，因此发明了C//NaxMnO2和C//KxMnO2两种超级电容器，这为下一代超级电容器的发展提供了良好的启示。另外，在负极材料方面也是将来要攻克和发展的方向之一。

　　随着经济的发展，环境污染的日益加剧，不可再生的能源资源不断消耗，因此迫切提高能源的利用效率，开拓新能源如可再生能源，保证人类的可持续发展，而这些均离不开电化学储能。因此，电化学储能将成为今后新兴产业中持续关注的重点和热点，而且市场将越来越大。