一文理解“碳中和”背后的故事，从资源情况与技术发展给予全方位介绍 | 硬科技讲述
以下文章来源于硬科技智库 ，作者杨大可
“硬科技”诞生于中科院西安光机所，2018年国家提出“创新事关国家前途命运”，“硬科技”走向了国家话语体系。为响应国家“突出‘硬科技’研究”的方针，“硬科技研究”公众号将根据国家重大战略需求，开展硬科技历史、内涵、发展等重大问题研究。
4 月 22 日晚，应美国总统拜登邀请，国家主席习近平在北京以视频方式出席领导人气候峰会，并发表题为《共同构建人与自然生命共同体》的重要讲话。而在去年，中国宣布力争 2030 年前实现碳达峰（二氧化碳排放达到历史峰值）、2060 年前实现碳中和（二氧化碳净零排放）。中国承诺实现从碳达峰到碳中和的时间，远远短于发达国家所用时间，因此要面临的难度也会大很多。已有很多文件提出，要严格控制化石能源使用，构建以新能源为中心的可持续能源新型电力系统，大力发展储能事业。本文则从我国资源特点、新能源与储能需求，以及电池与其发展等内容入手，帮助大家对“碳中和”与能源技术有一个宏观的认识。
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能源可以说是人类生存与发展的基本要素，在以“硬科技”分析技术领域之时，便是从物理的最基本要素（物质、能量、信息、空间及生命）出发，来梳理其中的关键核心“卡脖子”技术并布局下一代前沿技术。其中，能源便是可向自然界提供能量转化的物质。
以历史的尺度和视野，深入剖析人类社会的几次变革性突破，其背后对能源的开发利用标志了人类的不断进步。在农耕时代，人们利用薪柴等生物质能来满足日常的生活需求。到了18世纪后半期，以蒸汽机的广泛应用为标志的人类第一次工业革命开始，机器生产开始了对手工劳动的逐步替代。也正是从这一时期开始，人们对能源的需求大大增加，煤炭取代了薪柴登上历史舞台，并一步步成为了世界主要能源消费品种。
从 19 世纪到 20 世纪初期，内燃机与电力两项革命性技术的诞生，让能源的重要性愈发凸显，化石能源的需求量也在急剧攀升。而石油随着汽车工业的发展，在二战之后在能源消费结构中逐步超越煤炭。而在此期间随着大量天气田被发现，也让天然气的开发逐步加快。到 21 世纪初，石油、煤炭、天然气三大化石能源成为世界能源供应的主角，占全球能源消费总量的比重超过 80%，提供了几乎全部的运输能源和 65% 以上的发电用一次能源。可以说，如果没有能源，就没有如今现代化的农业、工业和服务业。
生活中人们对去加油站加油，或是找插座充电等行为都会当作理所当然的事情。但随着人们对能源依赖程度的不断加深，能源问题已是全世界共同关注的最热门话题之一，能源供应的充裕程度、运输安全和经济成本等对一个国家发展的影响越来越大。确保能源的安全供给更是国家核心利益所在。除此之外，全球气候变化已是一个重大政治课题，越来越多的人为之焦虑，企业也为之困扰。当下全球各国形成“碳中和”共识，我国也在近期的重大会议中接连强调。那么，首先便从我国的能源消费结构来看，为何对“碳中和”如此重视。
01
“富煤、贫油、少气”的资源特点
与生态环境压力
通常提到我国的各种资源，大家耳熟能详的一句便是“资源总量丰富，但人均占有量相对较少”，能源产业亦是如此。除了人均占有量相对较少之外，我国石油、天然气等优质能源也相对不足，传统化石能源以煤为主。在 2011 年英国石油公司（BP）的“世界能源统计评估（Statistical Review of World Energy）”中，我国人均煤炭、石油、天然气剩余探明可采储量分别为 85.9 吨、1.5 吨和 1840 米³，仅分别相当于同期世界平均水平的 70.0%、5.6% 和 6.6%。尽管后续可能仍有大量潜在待探明的化石能源储量，但化石能源的不可再生性始终让人感到担忧。
改革开放以来，我国经济的快速增长带来的正是能源消费的急剧增加，这让能源供需情况从自给自足慢慢转变为大量依赖进口，能源对外依存度（能源净进口量/能源表观消费量）不断上升。1980 年我国能源消费总量是 6 亿吨标准煤，到了 2019 年这一数据翻了 8 倍，达到了 48.6 亿吨标准煤。与此同时，一次能源生产总量从 1980 年的 6.46 亿吨标准煤增长至 2019 年的 39.7 亿吨标准煤，翻了 6 倍多。下图为 2000年~ 2019 年中国能源生产和消费总量的数据变化情况。
图 | 2000 年~2019 年中国能源生产和消费状况（数据来源：国家统计局）
随着能源对外依存度的不断提高，保障能源可以稳定供应的压力也就愈发增大。我们经常会用近年来中国芯片进口费用超过石油来凸显半导体产业的重要性，呼吁人们加大重视。但这是不是潜意识里就忽视了被比较的对象？世界第一高峰是珠穆郎玛峰不假，但要知道第二高峰——乔戈里峰的海拔也达到了 8611 米。如果说芯片面对的是技术上落后与设备专利封锁，那么能源则面临进口来源地与运输通道的地缘政治风险、无法改变的地下存量，以及开采技术落后造成的资源浪费等更加错综复杂的问题。
我们一方面承受着保障能源安全的压力，另一方面则是要应对全球气候变化问题。同为化石能源，在提供同样热量时煤炭燃烧所产生的二氧化碳是要高于石油和天然气的。而多年来，中国国内煤炭占一次能源消费比例长期超过 60%，直到 2018 年才首次下降到 60% 以下。从世界角度来看，当前中国每年的煤炭总消费量要比全球其他所有国家的总和还要多，也就是占比超过了全球总消费量的 50%。这也意味着我们面临的“碳中和”难度要远超其他国家。
作为综合实力不断提升的发展中国家，中国在应对气候变化问题上可谓面临着双重压力。欧美发达国家基本已享受过工业革命的红利，环境质量也实现了由差转好；而以中国为代表的发展中国家仍处于工业化进程中，既面临能源开发利用所带来的生态环境压力，又面临着减少温室气体排放的压力，其挑战远大于发达国家。而这也正是当年中国科学院院士丁仲礼在央视节目《面对面》中面对柴静问出了那句至今依然红于网络的：“中国人是不是人？”的背后原因。
从 GlobalCarbon Atlas 汇总的数据来看，2017 年中国的碳排放量占全球总量的27.2%，美国则是 14.6%，印度是 6.8%，俄罗斯和日本都是 4.7%。虽说过往我们一贯认为，碳排放即发展权，中国并不应遵从西方发达国家设计的碳排放标准，因为他们比我们早排放了几百年。例如，美国从 1751 年至 2010 年能源和工业部门的排放占世界的 27.9%，累积排放量大概是中国的 3 倍。
尽管如此，近年来我国提出的一系列政策都在力促节能减排。2020 年 9 月 22 日，习近平主席在第 75 届联合国大会上宣布“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力政策和措施，二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和”，之后还在 11 月 17 日的金砖国家领导人会晤中再次强调对于碳中和目标，“我们将说到做到。”这既体现了中国作为大国所承担的全球责任感，又展现了自身推动产业结构升级、提升国民环境福祉的坚定决心。据高盛统计，中国的减排幅度在全球重要经济地区中位居前列，同时也是世界碳排放规模最高的几个国家中率先提出“碳中和”的国家。
02
“碳中和”所必须的新能源革命
与储能需求
在目前，解决碳排放问题并不是哪一种科学技术或规划方案就能够独立完成的。这是一项涉及能源、制造、运输、建筑、农业，乃至金融等多个行业，需要相互协助才可以推动的事情。同样，能源发展方式的转变也是一项相当宏大的工程，其关键环节便是电力，人们生活中对能源最为直观的认识也是电。从下图可以看出电能的核心地位，依托新能源革命来达到“碳中和”也需要围绕发电进行展开。
图 | 电力与其他能源之间的关系（来源：网络）
从“富煤、贫油、少气”的资源特点来看，在未来一段时间里，我国以煤炭为主的能源结构很难取得极大变化。因此，更为高效清洁地利用煤炭是煤电行业优化发展的关键，发展洁净煤技术便有着重要意义。洁净煤技术主要分直接烧煤的洁净技术（以燃烧的前中后三个阶段划分）和煤转化为洁净燃料（大体包括气化、液化、煤气化联合循环发电技术和燃煤磁流体发电技术等）的技术两大类。
另一方面，由于目前我国原油产量已接近峰值水平，如果未来并没有储量勘探的重大发现，原油对进口的需求度势必会持续上升。我国近几年石油储备规模的具体数据并没有公布，但从国家统计局近两年原油进口和生产总量，对比原油加工的数据来看：近两年，原油进口量和原油生产量之和均高于原油加工量产量数千万吨，可以推测我国石油储备规模在不断扩大。但即便如此，相比于美国、日本、韩国、德国和英国等国家，我国的战略石油储备规模还远远不足。因此，要缓解其供应压力，在节约用油的基础上，还应采取多元替代措施，特别是在交通运输等领域实施“以电代油”。
可能到这就会有人说，那在交通领域使用的新能源汽车，充电来源不还是基本依靠火电，分明就是个“伪命题”么。但稍仔细想一想，燃油车再如何发展、再怎样省油，其以内燃机为动力来源所消耗的能源也一定来自原油。但是电力的来源可就广泛得多了，目前技术比较成熟的水能、核能和风能等清洁能源都可以转换为电力以供使用。其中，我国水能资源现阶段的开发利用率才超过 40%，相较发达国家 60%~70% 的平均水平还有一段距离，但水电受限于地域分部特性导致了供给和需求不匹配，未来水电开发的重点主要在四川、云南和西藏等西南地区。风能也面临和水电相似的问题，主要集中于陆上的“三北”地区和东部沿海地区。
核电在如今已是我国主要的发电来源之一，座次仅排在煤炭和水电之后。相比于其他清洁能源，核电拥有发电量大、成本相对较低，不依赖自然环境等优势。当然，这些都得是在运用与管控得当的前提下。因为核电站一旦发生问题，所酿成的灾难便难以想象；就好比飞机的事故率要远低于汽车和火车，不过因其一旦发生事故近乎无人生还的死亡率，让人们始终有一种隐约的恐惧。有人曾讨论包括美国在内的许多发达国家很少新建核电站，但主要原因是进入 21 世纪以来，这些国家的用电需求并没有增长许多，也就没有新建的必要。但从我国能源结构与安全来看，长远发展核电产业是必须的；加强关键技术与设备的科研攻关，不断加强核电安全体系建设则是发展关键。
另一种自然能源——太阳能，相比风能与水能的地域性限制要少了许多，主要分布在西藏、青海、新疆中南部、内蒙古中西部、甘肃、宁夏、四川西部、山西、陕西北部等地。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射相当于 4.9 万亿吨标准煤，这一数字已达到我国 2019 年能源消费总量的 10%。太阳能发电方式主要有光伏发电和热发电两种，其中，我国目前以光伏发电为主，并且装机规模达到全球首位并基本实现了全产业链的国产化。不过，光伏行业的更新迭代速度较快，不断有新的追求提高效率且降低成本的技术出现，这给整个产业带了些许不稳定性。
总而言之，不断扩大新能源使用规模、发展新能源技术是实现“碳中和”的必由之路。而为了应对水能、风能和太阳能等发电方式的地域性限制以及间歇性和不稳定性等问题，便需要储能技术的协同发展。将储能技术应用于电力系统，可以弥补其缺失的“储放”功能，让电力系统可以向“动态平衡”发展；尤其在大规模清洁能源发电并入电网后，也需要相应的储能技术来平抑带来的波动性。可以说，储能不论是在发电端、输配电过程，以及用电端都是不可或缺的。
03
储能技术的发展
与关键角色——电池
储能是指通过特定的装置或物理介质将不同形势的能量，以不同方式储存起来，以便“按需使用”。储能技术可以大规模消纳可再生资源，提高用电的安全性，并且能大规模消纳可再生能源，是发电产业进行改造升级的重要支撑技术。通常来说，储能技术主要以机械储能、电化学储能和电磁储能为主。其中，机械储能中最为成熟且应用的技术就是抽水储能，压缩空气储能和飞轮储能目前还并未形成规模化应用。不过，由于抽水储能需要特定地理资源，而压缩空气储能则具有储能量大、周期长、投资成本相对较低的优势，所以被认为是最具有发展潜力的大规模储能技术之一。
电化学储能虽然比机械储能更贵一些，但适合大规模应用和批量化生产。如今在我们生活中最初可见的电池，便是其应用最为广泛的技术实现，也是目前阶段储能技术中最为活跃的研究领域。电池主要包括铅酸蓄电池、锂离子电池、钠硫电池和液流电池等；而在这几种电池中，锂离子电池因为具有高比能量、良好循环性能和环境友好等优势，已统治了人们日常所用的诸如手机、笔记本电脑、照相机等电子产品的市场。从公开数据可发现，目前锂离子电池占电化学储能的比例已超过80%。
谈到锂离子电池，人们首先想到一定是与自己朝夕相伴的手机，还有越来越火热的新能源汽车。通常为了区分锂离子电池的应用场景，我们将其分为了消费、动力和储能三类。像手机、笔记本电脑等电子产品所用的是消费类锂电池；以特斯拉为代表的电动汽车则使用的是动力锂电池；储能类应用一般规模较大，用在储能电站上。虽然应用场景不同，但底层逻辑是一致的，只不过对电池的性能要求各有不同。目前人们最希望的，便是手机和电动汽车所用的电池，既能安全可靠，又能提供更多的能量，恨不得有一个钢铁侠胸前的方舟反应堆，但这可能么？
图 | 不同能源载体的能量密度（来源：维基百科）
用一张图给大家泼些冷水。从上图可以看到液态氢（Liquid Hydrogen）、氢气（Hydrogen Gas）拥有极高的能量密度，这也是很多学者都认为氢能是人类能够使用的终极清洁能源的原因之一，氢气也是燃料电池的最佳燃料。而柴油（Diesel）和石油（Gasoline）的位置接近，在中间大群密集的能源载体排在了右上的位置。那我们生活中接触最多的锂离子电池在哪？注意看，图中最左下角的那个小蓝点（Lithium Ion Battery）就是了。
简单来理解，电池容量是能量密度乘以电池体积。那么在手机越做越薄、电车空间有限的条件下，提高电池容量的关键自然而然便想到要增加能量密度。而从上图我们就可以知道，与其他能源载体相比，锂离子电池实在是弱了一点。是不是有人就会有疑问，那电池还有那么多种，为什么不能选其他的？接着给大家看一张更打击人的图片，或许就有答案了。
图 | 四种常见电池的能量密度比较（来源：Energy Education）
从上图四种电池的能量密度比较来看，锂离子电池已要比其他三种常见的铅酸电池、镍镉电池和镍氢电池具有更高的能量密度了。其实不论是什么电池，其遵循的最底层逻辑基本都跑不出中学阶段的化学知识——氧化还原反应，而氧化还原反应的实质则是电子的得失或共用电子对的偏移，这也是电池背后的制约。从大多数人至今还能够背出前 36 位的元素周期表上看，能够成为良好能量载体的并没有超纲——氢氦锂铍硼，碳氮氧氟氖。从中排除惰性、氧化或者有毒的，也就剩下氢、碳、硼、锂。碳和氢的化合物，也就是常见的汽油柴油煤油天然气等燃料，这也看出燃油车其实也是在自然能源中的必然选择。
说回电池，锂离子电池作为二次电池，也就是可充电电池，主要由正极、负极、电解液、隔膜、外电路等部分组成，其工作主要依靠锂离子在正极和负极之间移动。充电时，锂离子脱离正极材料，经过电解液传输至负极，电子则从通过外电路从正极运动到负极。放电时，锂离子和电子的运动方向则与充电过程相反。对比于化石能源燃烧时发生无序的电子转移，锂电池中的电子转移则要规矩的多；这一方面解释了为何能量效率较低，另一方面也是点出来近年来电池各种安全隐患的原因——安全需要有序，欲“速”则不“安”。
人们往往在追求拥有更高能量密度与充电效率的电池时，忽视了根本的电池安全问题。美国宾夕法尼亚州立大学机械工程讲席教授，化学工程、材料科学与工程杰出教授，电化学发动机中心和电池与储能技术研究院主任王朝阳对笔者介绍说，对于新能源汽车的动力电池来说，很多指标是互相矛盾的：追求高能量密度，还要快速充电，那就不可能安全；要追求绝对安全，就不可能很快地充电。
04
锂离子电池的发展方向
与前景预判
在电池百年的研究历史中，科研人员都是在这种相互矛盾且互不相容的框架下，不断通过牺牲与平衡来推动动力电池的发展。而锂离子电池性能则主要依赖于电极材料和电解质的发展迭代，其中对电极材料的选择尤为关键。目前锂离子电池的正极材料主要采用的是 LiCoO2、LiNiO2、LixMn2O4 和 LiFePO4 等。王朝阳认为：像低钴或者无钴、高镍三元等主要研究方向，会面临元素有毒、资源匮乏和成本较高等问题而不可持续或难以大规模应用；所以正极材料的研发向铁基材料开始转移。
在 2020 年 1 月的中国电动汽车百人会上，中国科学院欧阳明高院士在分享中表示：“只有实现新能源汽车大规模发展，才能实现新能源革命。”他认为，新一代车用动力电池和氢燃料电池等电化学能源系统的产业化，是汽车动力百年来的历史性突破。目前市场上关于动力电池的突破，主要集中在续航上，各大厂家纷纷对长续航的终极目标 1000 公里发起挑战。有的是在向固态电池发展，有的提出“掺硅补锂”，还有的使用石墨烯进行超级快充等；诸多新闻屡见不鲜，是资本的炒作，还是技术的发展一时间难以分辨。
单独从技术研发角度来看，目前锂电池行业内公认的有望突破电化学储能技术瓶颈的是全固态电池。而这也是锂电池之父、2019 年诺贝尔化学奖得主之一约翰·B.古迪纳夫认可的研究方向；作为迄今为止最为年长的诺贝尔奖得主（获奖时97岁），老爷子始终坚持在锂电池的研发一线工作，他认为全固态电池将会是给锂电池带来跨越的突破新技术。相对于目前广泛使用的基于液体电解质的锂离子电池，全固态电池有希望在安全可靠的前提下，实现更高的能量密度、功率密度，以及循环寿命。但目前距离大规模生产和应用还尚有一段距离，仍有一系列科学与技术问题亟待解决。
现阶段市场上所提及的固态电池，准确来说应该叫“半固态电池”，通常是指一侧电极采用固态电解质，而另一侧电极仍用液态电解质。尝试半固态电池，更多的是资本与科研之间的平衡考虑，既以最终研发出电车用的全固态电池为目标，但从“半固态电池”开始逐步进入市场。业内人士预计固态电池的产业化会和三元锂电池的技术发展路线一样，将会分为几个阶段，不会一蹴而就。其需要在技术上不断突破，并且持续降低成本，才可能最终走出实验室得以广泛应用。
麻省理工学院巴特尔能源联盟核科学与工程、材料科学与工程专业教授李巨，一直致力于材料性质的多尺度计算研究，特别是在材料力学行为的原子模拟等方面获得了多项重要突破。李巨的课题组与约翰·B.古迪纳夫的课题组共同合作对全固态电池材料进行研发并取得一定成果。在全固态电池中，锂金属代替石墨作为负极，在充放电工作时会产生类似于人呼吸时胸腔的起伏变化，这让固体难以保持长期稳定的接触，并加大了固体电解质破裂或分离的可能。同时，固体电解质在与高反应性的锂金属接触时，化学稳定性都很差，通常会随着时间的推移而缓慢降解。李巨的课题组成员利用“混合离子电子导体”（MIEC）”和“电子和锂离子绝缘体”（ELI）设计出的特殊结构来解决上述问题。
对于固态电池的整体发展，在 2020 年李巨曾对笔者说过：用离子液体或胶体的半固态电池，距离产业化已经很近了。而全固态电池，如果是针对车辆这类大电流的应用，他个人认为距离工业规模化还比较远，还需要进一步提升技术并且控制成本。说到成本问题，王朝阳也对长续航提出了一些看法：“动力电池是一个能源学科，是永远要遵循能量守恒定律的。根据目前电车的电能里程损耗统计情况看，如果说要续航 1000 公里，那至少需要 150 度电，稳妥些应该要 200 度电。假设固态电池生产按每度电 200 美元的制造成本计算，那就需要 3 万美元。如果只电池就接近 20 万人民币的生产成本，那电车要卖多贵？”
在他看来，即便固态电池得以研发应用，从价格成本上看也很难得到普及推广。“国家要实现‘碳中和’，就需要让电动汽车做到大众市场，而不能是少数人才能拥有的豪车级产品。”王朝阳说，“政策给长续航汽车提供各种补贴，在我看来是一种滥用。人们应该更加关注那些贴近现实应用，并且更具有成本优势的技术提升上。”他的研究团队一直在平衡电池材料反应活性与稳定性之间的矛盾，研发使用起来更具安全性，并且能克服温度问题的新型电池。简单来说，是先将活性材料钝化以提高电池安全性；然后再给电池按一个“控制开关”，让电池只有在工作时才会以最佳状态呈现（在使用前瞬间加热到60℃来保障高功率运作），其余时间则处于“冬眠”状态。这样就可以在保证电池安全性的同时延长电池使用寿命。
“2025年也许会有固态电池的样本，而可大规模生产的固态电池，预计在2030年才会出现。”王朝阳说，“在中间这十年里，也会存在很多潜在创新。未来的固态电池，也可以使用这种设计来提高电池的活性。”目前他的目标就是推动研发成果得以商业化应用，其研究的新型钝化电池能够解决电动汽车在寒冷的冬天“趴窝”问题，让电动汽车不再受温度或者环境所限。他希望能借助当下新能源汽车大力发展之势，让研究成果更为快速地执行到产品上去。
总而言之，对于锂电池乃至全部电池来说，发展方向仍然是开放且富有想象空间的。如果全固态电池得以实现，那几乎可以替代几乎目前所有的锂离子电池，从手机到笔记本电脑，再到电动汽车。而其他电池，比如铅酸电池有加入碳作为活性物质载体来提高其比能量和比功率；钠硫电池是在陶瓷隔膜和硫电极的抗腐蚀性能提高及材料成本和制作成本的优化上持续发展；液流电池则以全钒液流电池为代表广泛应用于储能电站、电网调峰等领域，并在智能电网建设中起到重要作用。
储能技术作为能够对未来能源系统发展及运行带来革命性变化的关键因素，是推动新能源革命的重要驱动力。回顾能源发展历史，木柴让位给煤炭，而煤炭又逐步被石油挤下王座，而现在煤炭和石油正在慢慢被可再生新能源所取代，我们应该从这些动力源的变化中寻找机会。中国在动力电池和氢燃料电池等电池系统结构方面的创新，已经取得了一定优势，如何在第三次能源革命中脱颖而出，实现“碳中和”，促进可持续发展，推动构建人类命运共同体等重要使命，我们需要冷静客观地认真考虑。
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