原创性颠覆性科技创新成果|返璞归真、化繁为简的新一代储能：纳米碳电池+超级电容
■张罗平 王国灿
在全球能源转型的浪潮中，储能技术的革新始终是制约新能源产业发展的核心瓶颈。清华大学吴占松教授团队研发的纳米碳电池，作为一种兼具超级电容特性与电池储能优势的新型储能器件，正以其独特的技术路径打破传统储能技术的局限，为储能领域带来颠覆性变革。这项技术融合了纳米材料科学，避免了电化学工程的机理约束，颠覆性展现了电物理储电领域的优势，在原理创新、性能突破与产业化应用上开创出巨大潜力，成为推动“双碳”目标实现的重要技术支撑。
一、技术原理：跨界融合的储能新范式
吴占松团队研发的纳米碳电池本质上是一种高能量密度的超级电容器，其核心创新在于将纳米碳材料的优异特性与超级电容的储能原理相结合，实现了“物理吸附”高能量密度储能目标。传统电化学电池依赖电极材料与电解液之间的化学反应实现能量存储，而超级电容则通过电极表面的双电层电容效应进行物理储电，两者各有优劣。纳米碳电池突破了电容器储电能量密度上不去这一界限，利用新材料把电容器变成了电池！
采用特定工艺制备的纳米碳材料（包含多孔碳），类似碳纳米管，具有超大比表面积与丰富的孔隙结构，每克材料的比表面积可达到数千平方米，相当于将一个足球场的面积被压缩至指尖大小。这种结构为电荷存储提供了充足的“空间”，使得金属电极能够通过双电层效应高效吸附电子（电荷），实现快速的物理储电，实现电物理储电的高能量密度特性。
更关键的是，纳米碳材料构建的三维导电网络形成了“电子高速公路”，大幅降低了电荷传输阻力。与传统电池中离子需在电极材料中曲折穿梭不同，纳米碳材料的多孔结构与管状形貌让电子传输路径更短、更顺畅，电导率较传统电极材料提升数倍，这也是其兼具高功率密度与快速充放电能力的核心原因。这种新材料的特征，从根本上解决了传统电池“充得慢”与传统超级电容“储得少”的核心矛盾。
二、核心特点：重塑储能技术的性能标杆
基于电容器的储电原理，纳米碳电池在性能上实现了多维度突破，展现出远超传统储能器件的综合优势。其核心特点可概括为“快、久、宽、省、安”五大维度：
一是极速充放电能力。得益于超级电容的物理储电特性与纳米碳材料的高导电性，该电池支持最大20C的大倍率连续放电，脉冲放电能力更是高达80C（200ms），仅需5分钟即可充电至90%以上容量。这一性能意味着在新能源汽车领域，其充电时间可缩短至传统锂电池的十分之一，彻底解决电动汽车“充电难、充电慢”的痛点。
（备注：C 是电池领域衡量充放电速率的核心单位，全称 “C-rate（倍率）”，定义为 “电池 1 小时完全充 / 放电的电流强度”，即 1C 放电代表电池能在 1 小时内将额定容量完全放出。若一款纳米碳电池的额定容量为 100Ah（安时），1C 放电电流就是 100A，20C 连续放电则意味着放电电流可达 2000A，能在 3 分钟内（60 分钟 ÷20）将电池额定容量基本放完 —— 这也解释了为何该电池具备 “极速放电” 的核心优势，可满足高功率设备的瞬时能量需求。）
二是超长循环寿命。由于充放电过程以物理反应为主，电极材料的结构损耗极小。在12C大倍率充放电的严酷测试条件下，该电池经过10000次循环后性能仍无明显衰减，预计深度循环寿命可突破50000次，使用寿命远超传统锂电池的3000-10000次循环，接近超级电容的百万次循环水平。
三是超宽温域适应性。传统锂电池在-20℃以下低温环境中放电容量会骤降至50%以下，而纳米碳电池在-40℃极寒环境下仍可实现1C倍率放电，-20℃时放电容量保持率超过90%；同时在+70℃高温环境下无需额外冷却系统即可稳定工作，完美适配“三北”地区严寒天气与热带高温环境的储能需求。
四是高效能量利用。该电池的放电深度可达到100%DoD（Depth of Discharge，中文译为“放电深度”，指电池实际放出的电量占额定容量的百分比），充放电效率高达95%以上，远超传统锂电池的85%-90%；同时荷电保持能力优异，静态储存28天后剩余电量仍超过98%，长期储存无需定期维护，大幅降低了储能系统的能量损耗与运维成本。
五是极简系统设计。通过先进的矩阵组模技术实现了电池自平衡特性，无需复杂的电池管理系统（BMS）；同时宽温域稳定工作的特性使其无需额外热管理系统，相较于传统锂电池储能系统，可节省30%以上的系统建设成本。
三、发明历程：从理论探索到技术落地的十年深耕
纳米碳电池的诞生并非偶然，是吴占松教授团队十余年深耕储能领域、跨学科协同创新的必然成果。吴占松教授长期致力于热能工程与新能源材料的交叉研究，其早期研究聚焦于生物质能利用、煤炭清洁转化等领域，积累了丰富的碳材料制备与改性经验。这一研究背景为其后续转向纳米碳储能材料研发奠定了坚实基础。
2010年前后，吴占松团队敏锐地意识到传统储能技术的瓶颈，开始聚焦纳米碳材料在储能领域的应用研究。初期面临的核心难题是如何解决纳米碳材料比表面积与导电性的平衡。团队通过数百次实验，优化了纳米碳材料的制备工艺，采用高温热解与化学活化相结合的方法，成功制备出兼具高比表面积与高导电性的多孔纳米碳材料。
2015年，团队首次提出“混合式纳米碳超级电容电池”的技术方案，突破了传统超级电容与电池的界限；2018年，实验室原型产品完成性能验证，能量密度达到与磷酸铁锂电池相当的水平，而功率密度则是其5倍以上；2020年后，团队与企业合作开展中试研发，解决了规模化生产中的一致性控制、成本优化等关键问题；2025年，依托国瑞惠存（北京）科技有限公司的智能化生产线，该技术实现产业化突破，首期年产能达到500MWh，标志着纳米碳电池正式从实验室走向实际应用。
这一历程中，团队先后攻克了纳米碳材料规模化制备、电物理储能机制优化、电池结构设计等多项核心技术，申请相关专利数十项，形成了从基础研究到产业化应用的完整技术链条。吴占松教授在技术转化过程中，始终坚持“产学研用”深度融合，通过与企业共建生产线、联合开展应用测试，确保了技术方案的实用性与经济性。
四、技术可行性：成熟度与兼容性的双重保障
纳米碳电池的技术可行性已通过实验室验证、中试生产与第三方检测的多重检验，展现出极高的成熟度与系统兼容性。在核心材料层面，其关键原料纳米碳可通过生物质（如竹子、椰子壳、酒糟等）热解制备，原料来源广泛且制备工艺成熟，相较于依赖稀有金属的锂电池，材料供应链更稳定、更易实现自主可控。团队研发的连续化制备生产线，已实现纳米碳材料的批量生产，产品纯度与一致性均达到工业级标准。
在电池制造层面，该技术与超级电容的生产设备相近，无需大规模改造生产线即可实现量产。中试生产数据显示，其产品合格率超过98%，远高于新型电池技术初期的合格率水平。在性能验证方面，该电池通过了慕尼黑工业大学等第三方机构的严苛测试，在-40℃低温放电、10000次循环寿命、短路/过充等滥用场景下的性能表现均达到设计标准，部分指标超越国际同类产品。
在系统集成层面，纳米碳电池可灵活适配几乎所有储电场景的需求。无论是新能源汽车的动力储能、光伏/风电的波动性电力存储，还是城市调峰储能、便携式电子设备供电，其都能通过调整电池组的容量与功率参数实现精准匹配。目前，该技术已在无人机、应急电源等领域开展试点应用，实际运行数据验证了其在复杂环境下的稳定可靠性。
五、经济实用性：全生命周期成本的显著优势
纳米碳电池的经济实用性不仅体现在初期投资成本，更在于其全生命周期成本的显著优势。从原料成本来看，其核心原料生物质纳米碳的制备成本仅为锂电池正极材料（如三元材料、磷酸铁锂）的1/3-1/2，且无需钴、镍等稀有金属，原料成本波动风险远低于锂电池。中试生产线的数据显示，其电池单体成本已降至1.2元/Wh以下，接近磷酸铁锂电池的成本水平，规模化量产后有望进一步降至1元/Wh以下。
从运维成本来看，由于其超长循环寿命与免维护特性，全生命周期内的运维成本仅为锂电池的1/5-1/3。以新能源汽车储能为例，传统锂电池车辆在使用寿命内可能需要更换1-2次电池，而纳米碳电池的使用寿命可覆盖车辆全生命周期，尤其是V2H车型几万次充放电应用中不换电池，拓展电动汽车储电能源应急用途；对于大型储能电站，其免维护特性可节省大量人工与设备维护费用，显著降低电站的运营成本。
从应用收益来看，其高充放电效率与快速响应能力可提升储能系统的赚钱效率。在光伏/风电储能项目中，95%以上的充放电效率意味着更多的电能可被有效利用，减少能量损耗带来的收益损失；在电网调峰场景中，其快速充放电能力可更好地匹配电网的负荷波动，获得更高的调峰收益。综合测算，纳米碳电池储能系统的全生命周期成本是锂电池储能系统的20%，具备极强的市场竞争力。
六、安全性：从材料到系统的全域安全设计
安全性是储能技术产业化的核心前提。纳米碳电池通过从材料到系统的全域安全设计，彻底解决了传统锂电池易爆易燃的安全隐患。其安全性优势源于三个核心层面：一是储电机制的本质安全，由于充放电过程主要为物理吸附，无可燃材料，无化学反应，运行过程中不产生气体，无电池热失控条件；二是核心材料的热稳定性，纳米碳材料的热分解温度超过600℃，远高于锂电池正极材料的200-300℃，在高温环境下仍能保持结构稳定；三是系统层面的安全冗余设计，运行中不发热，没有热源，因系统电路故障导致的安全风险可控。
第三方安全测试数据显示，纳米碳电池在一系列极端测试条件下中均表现出优异的安全性：短路测试中无起火、无爆炸，仅出现轻微温升；过充测试中即使充电至额定电压的2倍，仍能保持结构完整；针刺、挤压、跌落测试后，电池无漏液、无燃烧现象；甚至在明火灼烧测试中，电池仅出现表面碳化，无剧烈反应。这种全域安全性能，使其能够适配对安全性要求极高的场景，如室内储能、医疗设备、便携式电子设备等。
七、未来展望：重构储能产业的竞争格局
吴占松团队研发的纳米碳电池，不仅是一项技术创新，更有望重构全球储能产业的竞争格局。在新能源汽车领域，其快速充放电与长寿命特性可破解充电基础设施不足与电池更换成本高的难题，推动电动汽车产业的加速渗透；在可再生能源储能领域，其宽温域适应性与高效率可提升光伏、风电的消纳率，助力新型电力系统的构建；在便携式电子设备、医疗设备、无人机等细分领域，其小型化、高安全性优势可开辟新的应用场景。
目前，该技术已进入规模化量产的关键阶段，随着产能的提升与成本的进一步降低，其市场渗透率有望快速提升。未来，吴占松团队将继续聚焦技术优化，通过纳米碳材料的优化改性，进一步提升能量密度，拓展在智能电网等领域的应用研究。可以预见，纳米碳电池将以其独特的技术优势，成为推动能源转型的核心支撑技术，为“双碳”目标的实现提供强大的技术动力。
从实验室的理论探索到产业化的实际应用，吴占松团队用十余年的坚守与创新，诠释了中国科研工作者“面向国家重大需求”的责任与担当。纳米碳电池的成功，不仅彰显了纳米材料科学、电物理储电的创新活力，更为我国在全球储能技术竞争中占据先机奠定了坚实基础。
（作者：张罗平系清华大学教授；王国灿系浙江之江绿色科技创新研究院资深副院长）
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