关于“电量焦虑”，是不是怕续航不足，有没有嫌充电太慢？在储能领域，“既要……又要……”的事儿怎么办到？近日荣获上海市技术发明奖一等奖的项目，终于突破了储能技术“鱼与熊掌”的两难困局。这就是，由中国科学院上海硅酸盐研究所、上海交通大学等完成的“面向高功率储能应用的双高混合型器件关键技术”。
在『新能源』革命的浪潮中，储能技术被视为“能源转型的最后一公里”。传统锂电池存储能量多，但放电速度慢；超级电容器快速充放佳，但存储能量不尽如人意。如何让储能器件既“装得多”（高能量密度）又“放得快”（高功率密度）实现“双高”，“鱼与熊掌兼得”成为科学界、产业界攻关的焦点。
在国家和上海市科委科技项目的持续支持下，这一大奖项目自主研发出双高混合型储能技术，突破了能量密度＞100Wh/kg且功率密度＞100kW/kg的“双百”目标，为高技术装备、航空航天探测、新型电力系统电网调频等领域应用提供了创新答案。
在电化学储能领域，能量密度与功率密度的提升始终面临“鱼与熊掌不可兼得”的科学瓶颈。锂离子电池已用于『新能源』车辆，虽可实现300Wh/kg以上的能量密度，但受限于离子扩散速率，功率密度长期低于1kW/kg；而用于城市公交电车线路的超级电容器，功率密度可达20kW/kg以上，能量密度却不足20Wh/kg。这本质上源于热力学与动力学的固有矛盾——因为前者要求材料具备稳定的晶体结构以存储更多电荷，后者则需要快速的电子/离子传输通道以实现瞬时功率输出，二者在单一材料体系中难以兼容。
超级电容器、锂离子电池与双高混合型器件机理对比。
美日韩等储能技术先进国家曾通过优化电极结构、改良电解液等路径尝试突破，但始终未能跨越“双百”技术门槛。国际学术界认为，若无法从材料构效关系的底层结构设计取得根本性创新，这一难题将长期制约高功率储能技术的工程化应用。
如何率先破解制约性能的“双结构功能区”理论？作为项目第一完成人，黄富强教授带领中国科学院上海硅酸盐研究所、上海交通大学等联合团队从基础理论突破入手，提出融合“锂电+超电”优点的“体表协同储能”新机制和“双结构功能区+堆积致密因子”结构设计理论模型，在电极材料中构建“体相储能功能区”与“表层功率功能区”，为“双高电源”材料设计提供理论基础。
“双结构功能区+堆积致密因子”材料结构设计理论模型示意图。
“体表协同储能”双高理论突破后，如何将“双结构功能区+堆积致密因子”从理论构想变为工程现实？
现实中，科研团队面临进一步挑战。因为传统制备工艺无法在同一材料中实现“高温结晶”与“低温掺杂”的兼容，两者在热力学上是相互排斥的。
为此，团队发明了“多时空拓扑许可”制备新技术，制备复杂功能材料。他们将热力学禁阻的“同时空”单步反应，拆解为热力学许可的“多时空”分步反应，通过精准调控反应时间与空间，使原本相互排斥的化学反应在时间序列上依次发生，成功实现亚稳相材料的可控量产，让原本“水火不容”的两种工艺在材料制备中和谐共存，最终在材料中形成“体相-表层”复合结构，开辟了分阶段构筑复杂多功能材料的全新路径。
双高混合型储能关键电极材料多时空拓扑许可制备原理示意图。
专家认为，“时空解耦+拓扑转换”材料制备创新不仅指导制备出原创双高电极新体系，而且为氢燃料电池催化剂、固态电解质等复杂材料制备提供了新思路。
长期以来，储能器件普遍采用元素种类与比例相似、或化合物类型相似、或晶体结构相似的对称式结构设计。这种设计虽能实现单一性能的优化，如超级电容器的长循环寿命或锂电池的高能量密度，却难以突破“双高”协同的瓶颈。
对此，团队“反其道而行”，制定非对称原创电极复配方案，以非对称结构打造“双高引擎”。根据不同场景应用需求，正极构建“体相化学储能区”，负责存储大量能量，为器件提供坚实的能量基底。负极则构建“表层物理储能区”，实现快速电荷“吞吐”，确保了器件的高功率输出能力。
然而，让复配电极各司其职、协同互补的另一大挑战在于，复配兼容性不佳、集流体的电阻高。为解决界面阻抗问题，团队发明了三维石墨烯管的集流体，通过管间共价键合，形成类金刚石结构，将内阻降至0.1mΩ，力学和电学性能比传统多孔碳要高两个数量级。这种“电子高速公路”般的集流网络，不仅能快速收集电极材料产生的电荷，更能承受千安培级的超大电流冲击。
经测试，三维石墨烯管同时兼具超轻密度（1mg/cm³）与比钢材高207倍的高比强度，可压缩95%，且循环1000次无损伤。这种“刚柔并济”的特性，使其成为连接复配电极的理想媒介。
采用极低内阻三维集流与电极复配创新设计的双高混合型器件。
从对称到非对称、从单一储能到协同创新，通过产学研用接续攻关，团队最终研发出能量＞100Wh/kg且功率＞100kW/kg的“双百”超高效能器件与电源，为满足极端特种应用场景，如“毫秒级快响应+超大电流强输出”，以及新型电力系统大规模调频储能应用场景，如“兆瓦级高功率+分钟级高能量输出”，提供了重要动力核心。
上海市科委科普项目资助（项目编号：23DZ2305200）
原标题：《“双高”储能新技术来电不焦虑，“装得多又放得快”，获上海市技术发明一等奖》
受访单位
题图说明：上海交通大学材料学院讲席教授、中国科学院上海硅酸盐研究所原首席研究员黄富强。
作者：解放日报 徐瑞哲
