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（来源：电能革新）
随着技术基于科学知识的发展，研究对于改进能源领域的工具和工艺变得至关重要。2025年，大学、国家实验室和智库共同推动了知识和应用的扩展，这些应用有望改善电动汽车和电池、数据中心运营、电网管理以及可再生能源和核能。
电动汽车
电动汽车似乎已经成熟，但仍存在一些问题，包括电池安全、充电和续航。一些研究利用深度学习预测锂离子电池热失控风险：人工智能警告电动车热失控的迫在眉睫。来自University of Arizona的研究人员通过多物理场与机器学习集成预测锂离子电池热失控，其研究融合了多物理模型与机器学习技术，共包含两个主要模块：
- 多物理建模：利用COMSOL Multiphysics软件构建锂离子电池的三维多物理模型，结合P2D（pseudo two-dimensional model）电化学模型，模拟单元模块在不同充放电和驾驶循环条件下的热-电化学行为。
- 机器学习建模：开发了结合图神经网络（Graph Neural Network, GNN）与长短时记忆网络（Long Short-Term Memory, LSTM）的预测框架，基于电池表面热电偶传感器的数据，模拟电池温度的时空分布并预测潜在的热失控。
研究人员还关注了稳定和延长电池寿命的方法：研究发现电动汽车电池能提升30%能量的方法 - 富锂阴极比现代锂镍锰钴氧化物（NMC）阴极多储存约30%的能量。
充电一直是科学家们关注的问题。密歇根大学团队研究人员聚焦于寒冷天气下的充电和续航里程：寒冷天气电动车电池设计充电速度提升500%。这项创新结合了两项关键进展：重新设计的内部电池结构和保护性纳米涂层。团队开发了一种厚度仅20纳米的超薄涂层，由硼酸盐锂碳酸酯制成，起到保护壳的作用。这层玻璃层防止了这种不需要的屏障形成，使离子即使在远低于冰点时也能自由移动。与三维通道结合使用，结果非常显著。测试电池在14°F时充电速度是标准电池的五倍，同时在100次冷快充后仍保留97%的容量。
影响电动汽车续航里程的因素有很多，但电池是主要影响因素：这项电池技术能帮助电动汽车每次充电行驶3000英里吗？韩国浦项技术和西江大学的研究人员开发了一种锂离子电池设计，解决了下一代电池系统中最顽固的局限之一：硅的膨胀问题。韩国研究团队开发了一种原位互锁电极-电解质（IEE）系统，旨在克服这些挑战。通过在电极上的丙烯酸功能结合剂与QSSE中的交联剂之间形成共价键，IEE系统形成了一个化学纠缠界面，即使在极端体积变化下也能保持完整。基于IEE的双层袋装电池展示了403.7 Wh/kg的重力能量密度和1300 Wh/L的体积密度，分别比商用锂离子电池高出60%以上和近100%。这些数据表明，配备此类电池的电动汽车理论上一次充电续航可达3000英里。
数据中心
过去一年，AI数据中心的功耗、电力架构和效率是研究人员和开发者的首要关注点。美国节能经济委员会分析了数据中心趋势和电网负荷，并提出了数据中心将电力回馈电网的方法：将数据中心能源消耗转化为电网资产的三步方法。
分享关于人工智能中心设计和运营的知识
提升能源效率并与本地电网基础设施整合
制定需求侧政策以优化能源使用
ZincFive的研究可能为科学家们提供潜在研究方向的指导。他们分析了数据中心开发者和运营商的主要需求和愿望：数据中心专业人员对高效运营有什么期望？ZincFive的新报告揭示了数据中心在应对功率密度、备用电源、可扩展性和可持续性挑战方面的趋势。96%的受访者预见到定制数据中心电力架构的推动，表明现成设计已无法跟上AI的需求。在评估储能解决方案时，数据中心表示他们最关心的是生命周期成本（包括资本和运营费用），其次是电池安全性、可持续性和监管批准。长寿命、可靠性、可持续性和成本降低是目前的四大优先事项。模块化是另一个关键趋势，集装箱和滑架安装系统提供了灵活性和可扩展性。近70%的受访者已在使用模块化电力解决方案，22%计划推广至所有站点。
电网管理
人工智能、数字系统及其他技术正在改变电力运营和管理，重新定义我们对“智能”电网的定义。NREL利用人工智能增强了可再生能源整合时电网的韧性：自主能源系统颠覆电网管理。智能电网技术可以平滑波动并简化电网管理，但同时应对多重DER仍是一项持续的任务。国家可再生能源实验室（NREL）建议拥抱去中心化并使用自主能源系统（AES）可能是解决方案。自主能源系统利用算法调整电网以应对波动，优化能量流动并提高可靠性。自主能源解决方案（AES）方法颠覆了电网管理，将电网视为一组产生和/或使用能源的单元。然后，这些单元被聚合成更大的单元格，形成完整的网格图像。人工智能和机器学习能在几秒钟内处理和分析数据，提供近乎即时的信息并自动调整变化。AES可以优化互作性，并检测和防止故障和故障。
电网的可靠性依赖于维护必要的基础设施。橡树岭国家实验室的研究评估了无人机监控：无人机如何让智能电网更智能？为应对停电问题，智能电网正在开发中，以提供更好的网络连接，并在停电期间更有效地利用分布式能源，确保电力仍能在电网内流动。橡树岭国家实验室（ORNL）提出，无人机可以有效地与智能电网结合使用，以提升电网效率和安全性。ORNL正在测试能够提升智能电网安全性、效率和成本效益的无人机。ORNL国家实验室使用配备先进感测能力的无人机，如热感传感器、紫外线（UV）摄像头和高分辨率摄像头。这些无人机能够快速且准确地扫描电力线路，检测输电网络中过热、腐蚀或损坏的区域。
ORNL的无人机使用自主智能测量传感器，能够响应异常电网行为，尤其是在偏远地区。这些无人机还利用紫外线摄像头检测任何可能导致设备损坏和无线电干扰的电晕放电。具备先进传感能力的无人机有助于提升智能电网的数据收集和分析能力。与传统电网不同，智能电网可以将无人机实时传输的监控数据传输到控制中心，操作员可根据无人机检测到的任何潜在问题做出即时决策。许多智能电网网络也在考虑整合人工智能和机器学习能力，因此这些实时数据还可以用于优化维护计划，并预先预测潜在的电网故障。
可再生能源
太阳能、风能、地热、氢能和水电在2025年经历了起伏，但研究仍在推动。
一项研究是众多探讨钙钛在光伏技术中有效性的研究之一：研究推动钙钛矿和太阳能达到新高度。萨里大学研究人员与美国国家物理实验室和谢菲尔德大学最近开发了一种方法，通过将氧化铝（Al₂O₃）纳米颗粒嵌入钙钛层，从而延长钙钛胞元的寿命。该技术促进了更均匀的晶体结构，减少缺陷，并提高了电导率。在极端高温和湿度条件下，改装电池保持了超过1530小时的高性能，几乎是未改装电池仅160小时寿命的10倍。这些可量化的耐久性提升是在模拟现实条件下实现的。
制造氢气是一个热烈的话题，但这项研究提出天然氢气可能已经绰绰有余：地下氢气可以供电17万年。尽管绿氢可获得，但其成本至少是生产灰氢和蓝氢的两倍。尽管随着产量提升和技术效率提升，绿色氢气的生产成本预计将下降，但支持行业脱碳努力仍需更具规模化的解决方案。据英国研究团队介绍，天然存在的氢气是通过化学和放射性过程在地壳中产生的。过去十亿年积累的天然氢气，可能满足当前全球石油消耗量17万年的水平。天然氢气储备的提取预计将实现低碳足迹。虽然具体成本取决于天然气纯度、流量和气田规模等因素，但可行的天然氢气储备可能为全球能源转型提供低碳、具有商业竞争力的氢气来源。
图9. 天然氢储地的全球分布。黑色圆圈表示每种已知有显著氢聚集地块的土地类型。图片由Ballentine等人提供。
然而，天然氢并非可再生资源，其再生过程需要数十年到数百年。其目的是弥补绿色氢气价格过高的供应缺口，而非长期解决方案。
核能
虽然核能可能不可再生，但它是一种低排放能源，并且正处于大量研发领域。电力需求正在迅速增长，尤其是随着人工智能、数据中心和电动汽车的普及。尽管风能和太阳能等可再生能源近年来主导了新能源，核能却再次获得动力。
根据国际能源署报告，全球约有440座核电反应堆在运行，总装机容量约为400吉瓦时。这些反应堆生产的电力占全球电力的不到10%。它们分布在40个国家，美国拥有最多的反应堆，有94座，法国第二，有56座，中国第三，有58座，俄罗斯第四，有29座。
《世界核工业现状报告》显示，截至2025年1月1日，13个国家共有61座核电站在建。中国在全球扩张中领先，目前有25至29座反应堆正在建设中。其他拥有重要核建设项目的国家还包括俄罗斯，其在国内建设六座反应堆，在其他国家建设25座。印度还有多座反应堆在建，韩国至少在建设两座，土耳其有四座。
中国拥有57座在运行的反应堆和30座在建，使其成为全球核能发展的领导者。该国计划每年增加6至8座反应堆，年容量增加5000至8000兆瓦。它还计划到2030年向“一带一路”伙伴国出售30座核反应堆。中国开发了华龙一号，这是一种拥有完全专有知识产权的第三代核反应堆设计。
中国为其核电计划设定了雄心勃勃的目标。短期内，计划于2025年底达到65吉瓦的核能运转容量，并批准并启动更多沿海核电项目的建设。中国中期目标（2030-2035年）包括到2035年将核电在能源结构中的占比提高到10%，高于2021年的约5%。这将意味着到2035年，核电容量有望达到145 GW。从长远来看（2050-2060年），中国希望到2060年实现核能总发电量占总发电量18%，并于2060年前用包括核能在内的清洁能源解决方案取代全部2990座燃煤电厂。
中国核计划的另一个目标是开发小型模块化反应堆（SMR）。小型模块化反应堆（SMR）代表了核能发电的另一种方式。它们相比传统大型核电站有若干优势。这些紧凑型工厂制造的反应堆旨在提供灵活、可扩展且潜在更具成本效益的核能解决方案。中国在小型模块化设施方面取得了显著进展。其灵龙一号（ACP100）SMR是中国首座陆上商用模块化加压水反应堆。施工于2021年开始，预计2025年完工。该电站每年可发电约10亿千瓦时。它是全球首个获得国际原子能机构批准的小型模块化反应堆（SMR）。
美国也在积极推进小型模块化反应堆（SMR），美国能源部（DOE）已向美国开放高达9亿美元的申请，以支持小型模块化反应堆的国内部署。能源部此前通过SMR许可技术支持计划，在五年内拨款4.52亿美元支持美国轻水反应堆设计。NuScale Power正在开发一套77兆瓦的压水反应堆设计，该设计已获得美国核监管委员会认证，田纳西河流域管理局正领导能源部8亿美元的投标，以加快SMR部署，目标于2033年启动商业运营。其他参与SMR开发的美国公司还包括西屋电气、合泰克和BWXT先进技术。
图10. 艺术家对惯性聚变能源电厂目标舱的概念。图片由劳伦斯利弗莫尔国家实验室/埃里克·史密斯提供
与商业裂变反应堆通过分解铀燃料产生能量不同，聚变反应堆将氢同位素结合生成氦原子，并在过程中释放能量。目前没有商业化聚变反应堆。事实上，最早的原型机预计至少要到2035年才会问世。
实际的核聚变需要解决广泛的技术难题，才能确定是否能建造聚变反应堆。这并没有阻碍科研资金的获得。美国政府在2023年为聚变项目拨款约7.6亿美元，另有4.15亿美元授权用于公私合营项目，直至2027年。 中国的核聚变预算估计每年约为15亿美元，2023年对中国核融合公司的股权投资超过了所有其他国家的总和。 英国政府承诺为国家科研项目投入6.5亿英镑，包括STEP聚变电站项目。欧盟继续投资于法国南部的ITER项目，该项目涉及30多个国家。 私营公司扮演着越来越重要的角色，目前有45家公司在13个国家致力于核聚变商业化。
如今，聚变能源研究已成为一项数十亿美元的企业，主要由中国、美国和欧洲的努力主导。“热”聚变方法——如ITER和JET等大型反应堆——利用极端压力和温度将氢同位素核强制排列。这些项目面临巨大的工程、成本和规模障碍，但其原理被充分理解并基于物理学。
除此之外，一些研究人员仍在研究冷聚变，将其重新定义为“低能核反应”或“凝聚态核科学”。这些研究是在凝聚态物质（如固体和液体）中发生的核反应和过程，而非传统核物理中典型的高能等离子体环境。
冷聚变的吸引力在于其巨大的潜力：一种清洁、丰富的能源来源的可能性。近期的实验，如不列颠哥伦比亚大学的实验，强调可重复技术和系统研究，明确避免了夸大的能源突破宣称。相反，这类工作旨在揭示新的物质状态和材料科学的改进，这些改进可能带来更广泛的益处——即使冷聚变永远不会成为可扩展的能源解决方案。
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