來源：市場資訊

（來源：電能革新）

隨著技術(shù)基于科學(xué)知識的發(fā)展，研究對于改進能源領(lǐng)域的工具和工藝變得至關(guān)重要。2025年，大學(xué)、國家實驗室和智庫共同推動了知識和應(yīng)用的擴展，這些應(yīng)用有望改善電動汽車和電池、數(shù)據(jù)中心運營、電網(wǎng)管理以及可再生能源和核能。

電動汽車

電動汽車似乎已經(jīng)成熟，但仍存在一些問題，包括電池安全、充電和續(xù)航。一些研究利用深度學(xué)習(xí)預(yù)測鋰離子電池?zé)崾Э仫L(fēng)險：人工智能警告電動車熱失控的迫在眉睫。來自University of Arizona的研究人員通過多物理場與機器學(xué)習(xí)集成預(yù)測鋰離子電池?zé)崾Э?，其研究融合了多物理模型與機器學(xué)習(xí)技術(shù)，共包含兩個主要模塊：

- 多物理建模：利用COMSOL Multiphysics軟件構(gòu)建鋰離子電池的三維多物理模型，結(jié)合P2D（pseudo two-dimensional model）電化學(xué)模型，模擬單元模塊在不同充放電和駕駛循環(huán)條件下的熱-電化學(xué)行為。

- 機器學(xué)習(xí)建模：開發(fā)了結(jié)合圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Graph Neural Network, GNN）與長短時記憶網(wǎng)絡(luò)（Long Short-Term Memory, LSTM）的預(yù)測框架，基于電池表面熱電偶傳感器的數(shù)據(jù)，模擬電池溫度的時空分布并預(yù)測潛在的熱失控。

圖1. 用于早期預(yù)警的LSTM-TCN模型

研究人員還關(guān)注了穩(wěn)定和延長電池壽命的方法：研究發(fā)現(xiàn)電動汽車電池能提升30%能量的方法 - 富鋰陰極比現(xiàn)代鋰鎳錳鈷氧化物（NMC）陰極多儲存約30%的能量。

圖2. 電池電壓衰落機制

充電一直是科學(xué)家們關(guān)注的問題。密歇根大學(xué)團隊研究人員聚焦于寒冷天氣下的充電和續(xù)航里程：寒冷天氣電動車電池設(shè)計充電速度提升500%。這項創(chuàng)新結(jié)合了兩項關(guān)鍵進展：重新設(shè)計的內(nèi)部電池結(jié)構(gòu)和保護性納米涂層。團隊開發(fā)了一種厚度僅20納米的超薄涂層，由硼酸鹽鋰碳酸酯制成，起到保護殼的作用。這層玻璃層防止了這種不需要的屏障形成，使離子即使在遠低于冰點時也能自由移動。與三維通道結(jié)合使用，結(jié)果非常顯著。測試電池在14°F時充電速度是標準電池的五倍，同時在100次冷快充后仍保留97%的容量。

圖3. 鋰離子在充放電時的活動。

影響電動汽車續(xù)航里程的因素有很多，但電池是主要影響因素：這項電池技術(shù)能幫助電動汽車每次充電行駛3000英里嗎？韓國浦項技術(shù)和西江大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種鋰離子電池設(shè)計，解決了下一代電池系統(tǒng)中最頑固的局限之一：硅的膨脹問題。韓國研究團隊開發(fā)了一種原位互鎖電極-電解質(zhì)（IEE）系統(tǒng)，旨在克服這些挑戰(zhàn)。通過在電極上的丙烯酸功能結(jié)合劑與QSSE中的交聯(lián)劑之間形成共價鍵，IEE系統(tǒng)形成了一個化學(xué)糾纏界面，即使在極端體積變化下也能保持完整?；贗EE的雙層袋裝電池展示了403.7 Wh/kg的重力能量密度和1300 Wh/L的體積密度，分別比商用鋰離子電池高出60%以上和近100%。這些數(shù)據(jù)表明，配備此類電池的電動汽車理論上一次充電續(xù)航可達3000英里。

圖4. 電動車電池。圖片由Adobe Stock提供

數(shù)據(jù)中心

過去一年，AI數(shù)據(jù)中心的功耗、電力架構(gòu)和效率是研究人員和開發(fā)者的首要關(guān)注點。美國節(jié)能經(jīng)濟委員會分析了數(shù)據(jù)中心趨勢和電網(wǎng)負荷，并提出了數(shù)據(jù)中心將電力回饋電網(wǎng)的方法：將數(shù)據(jù)中心能源消耗轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)資產(chǎn)的三步方法。

• 分享關(guān)于人工智能中心設(shè)計和運營的知識

• 提升能源效率并與本地電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施整合

• 制定需求側(cè)政策以優(yōu)化能源使用

圖5. 預(yù)計未來十年，AI數(shù)據(jù)中心的能源需求將大幅上升。圖片由ACEEE提供

ZincFive的研究可能為科學(xué)家們提供潛在研究方向的指導(dǎo)。他們分析了數(shù)據(jù)中心開發(fā)者和運營商的主要需求和愿望：數(shù)據(jù)中心專業(yè)人員對高效運營有什么期望？ZincFive的新報告揭示了數(shù)據(jù)中心在應(yīng)對功率密度、備用電源、可擴展性和可持續(xù)性挑戰(zhàn)方面的趨勢。96%的受訪者預(yù)見到定制數(shù)據(jù)中心電力架構(gòu)的推動，表明現(xiàn)成設(shè)計已無法跟上AI的需求。在評估儲能解決方案時，數(shù)據(jù)中心表示他們最關(guān)心的是生命周期成本（包括資本和運營費用），其次是電池安全性、可持續(xù)性和監(jiān)管批準。長壽命、可靠性、可持續(xù)性和成本降低是目前的四大優(yōu)先事項。模塊化是另一個關(guān)鍵趨勢，集裝箱和滑架安裝系統(tǒng)提供了靈活性和可擴展性。近70%的受訪者已在使用模塊化電力解決方案，22%計劃推廣至所有站點。

電網(wǎng)管理

人工智能、數(shù)字系統(tǒng)及其他技術(shù)正在改變電力運營和管理，重新定義我們對“智能”電網(wǎng)的定義。NREL利用人工智能增強了可再生能源整合時電網(wǎng)的韌性：自主能源系統(tǒng)顛覆電網(wǎng)管理。智能電網(wǎng)技術(shù)可以平滑波動并簡化電網(wǎng)管理，但同時應(yīng)對多重DER仍是一項持續(xù)的任務(wù)。國家可再生能源實驗室（NREL）建議擁抱去中心化并使用自主能源系統(tǒng)（AES）可能是解決方案。自主能源系統(tǒng)利用算法調(diào)整電網(wǎng)以應(yīng)對波動，優(yōu)化能量流動并提高可靠性。自主能源解決方案（AES）方法顛覆了電網(wǎng)管理，將電網(wǎng)視為一組產(chǎn)生和/或使用能源的單元。然后，這些單元被聚合成更大的單元格，形成完整的網(wǎng)格圖像。人工智能和機器學(xué)習(xí)能在幾秒鐘內(nèi)處理和分析數(shù)據(jù)，提供近乎即時的信息并自動調(diào)整變化。AES可以優(yōu)化互作性，并檢測和防止故障和故障。

圖6. AES管理電網(wǎng)單元。圖片由NREL提供

電網(wǎng)的可靠性依賴于維護必要的基礎(chǔ)設(shè)施。橡樹嶺國家實驗室的研究評估了無人機監(jiān)控：無人機如何讓智能電網(wǎng)更智能？為應(yīng)對停電問題，智能電網(wǎng)正在開發(fā)中，以提供更好的網(wǎng)絡(luò)連接，并在停電期間更有效地利用分布式能源，確保電力仍能在電網(wǎng)內(nèi)流動。橡樹嶺國家實驗室（ORNL）提出，無人機可以有效地與智能電網(wǎng)結(jié)合使用，以提升電網(wǎng)效率和安全性。ORNL正在測試能夠提升智能電網(wǎng)安全性、效率和成本效益的無人機。ORNL國家實驗室使用配備先進感測能力的無人機，如熱感傳感器、紫外線（UV）攝像頭和高分辨率攝像頭。這些無人機能夠快速且準確地掃描電力線路，檢測輸電網(wǎng)絡(luò)中過熱、腐蝕或損壞的區(qū)域。

ORNL的無人機使用自主智能測量傳感器，能夠響應(yīng)異常電網(wǎng)行為，尤其是在偏遠地區(qū)。這些無人機還利用紫外線攝像頭檢測任何可能導(dǎo)致設(shè)備損壞和無線電干擾的電暈放電。具備先進傳感能力的無人機有助于提升智能電網(wǎng)的數(shù)據(jù)收集和分析能力。與傳統(tǒng)電網(wǎng)不同，智能電網(wǎng)可以將無人機實時傳輸?shù)谋O(jiān)控數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，操作員可根據(jù)無人機檢測到的任何潛在問題做出即時決策。許多智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)也在考慮整合人工智能和機器學(xué)習(xí)能力，因此這些實時數(shù)據(jù)還可以用于優(yōu)化維護計劃，并預(yù)先預(yù)測潛在的電網(wǎng)故障。

圖7. 電網(wǎng)可視化。圖片由ORNL提供

可再生能源

太陽能、風(fēng)能、地?zé)?、氫能和水電?025年經(jīng)歷了起伏，但研究仍在推動。

一項研究是眾多探討鈣鈦在光伏技術(shù)中有效性的研究之一：研究推動鈣鈦礦和太陽能達到新高度。薩里大學(xué)研究人員與美國國家物理實驗室和謝菲爾德大學(xué)最近開發(fā)了一種方法，通過將氧化鋁（Al?O?）納米顆粒嵌入鈣鈦層，從而延長鈣鈦胞元的壽命。該技術(shù)促進了更均勻的晶體結(jié)構(gòu)，減少缺陷，并提高了電導(dǎo)率。在極端高溫和濕度條件下，改裝電池保持了超過1530小時的高性能，幾乎是未改裝電池僅160小時壽命的10倍。這些可量化的耐久性提升是在模擬現(xiàn)實條件下實現(xiàn)的。

圖8. AL2O3被添加到鈣鈦太陽能電池中。圖片由Perera等人提供

制造氫氣是一個熱烈的話題，但這項研究提出天然氫氣可能已經(jīng)綽綽有余：地下氫氣可以供電17萬年。盡管綠氫可獲得，但其成本至少是生產(chǎn)灰氫和藍氫的兩倍。盡管隨著產(chǎn)量提升和技術(shù)效率提升，綠色氫氣的生產(chǎn)成本預(yù)計將下降，但支持行業(yè)脫碳努力仍需更具規(guī)模化的解決方案。據(jù)英國研究團隊介紹，天然存在的氫氣是通過化學(xué)和放射性過程在地殼中產(chǎn)生的。過去十億年積累的天然氫氣，可能滿足當(dāng)前全球石油消耗量17萬年的水平。天然氫氣儲備的提取預(yù)計將實現(xiàn)低碳足跡。雖然具體成本取決于天然氣純度、流量和氣田規(guī)模等因素，但可行的天然氫氣儲備可能為全球能源轉(zhuǎn)型提供低碳、具有商業(yè)競爭力的氫氣來源。

圖9. 天然氫儲地的全球分布。黑色圓圈表示每種已知有顯著氫聚集地塊的土地類型。圖片由Ballentine等人提供。

然而，天然氫并非可再生資源，其再生過程需要數(shù)十年到數(shù)百年。其目的是彌補綠色氫氣價格過高的供應(yīng)缺口，而非長期解決方案。

核能

雖然核能可能不可再生，但它是一種低排放能源，并且正處于大量研發(fā)領(lǐng)域。電力需求正在迅速增長，尤其是隨著人工智能、數(shù)據(jù)中心和電動汽車的普及。盡管風(fēng)能和太陽能等可再生能源近年來主導(dǎo)了新能源，核能卻再次獲得動力。

根據(jù)國際能源署報告，全球約有440座核電反應(yīng)堆在運行，總裝機容量約為400吉瓦時。這些反應(yīng)堆生產(chǎn)的電力占全球電力的不到10%。它們分布在40個國家，美國擁有最多的反應(yīng)堆，有94座，法國第二，有56座，中國第三，有58座，俄羅斯第四，有29座。

《世界核工業(yè)現(xiàn)狀報告》顯示，截至2025年1月1日，13個國家共有61座核電站在建。中國在全球擴張中領(lǐng)先，目前有25至29座反應(yīng)堆正在建設(shè)中。其他擁有重要核建設(shè)項目的國家還包括俄羅斯，其在國內(nèi)建設(shè)六座反應(yīng)堆，在其他國家建設(shè)25座。印度還有多座反應(yīng)堆在建，韓國至少在建設(shè)兩座，土耳其有四座。

中國擁有57座在運行的反應(yīng)堆和30座在建，使其成為全球核能發(fā)展的領(lǐng)導(dǎo)者。該國計劃每年增加6至8座反應(yīng)堆，年容量增加5000至8000兆瓦。它還計劃到2030年向“一帶一路”伙伴國出售30座核反應(yīng)堆。中國開發(fā)了華龍一號，這是一種擁有完全專有知識產(chǎn)權(quán)的第三代核反應(yīng)堆設(shè)計。

中國為其核電計劃設(shè)定了雄心勃勃的目標。短期內(nèi)，計劃于2025年底達到65吉瓦的核能運轉(zhuǎn)容量，并批準并啟動更多沿海核電項目的建設(shè)。中國中期目標（2030-2035年）包括到2035年將核電在能源結(jié)構(gòu)中的占比提高到10%，高于2021年的約5%。這將意味著到2035年，核電容量有望達到145 GW。從長遠來看（2050-2060年），中國希望到2060年實現(xiàn)核能總發(fā)電量占總發(fā)電量18%，并于2060年前用包括核能在內(nèi)的清潔能源解決方案取代全部2990座燃煤電廠。

中國核計劃的另一個目標是開發(fā)小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）。小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）代表了核能發(fā)電的另一種方式。它們相比傳統(tǒng)大型核電站有若干優(yōu)勢。這些緊湊型工廠制造的反應(yīng)堆旨在提供靈活、可擴展且潛在更具成本效益的核能解決方案。中國在小型模塊化設(shè)施方面取得了顯著進展。其靈龍一號（ACP100）SMR是中國首座陸上商用模塊化加壓水反應(yīng)堆。施工于2021年開始，預(yù)計2025年完工。該電站每年可發(fā)電約10億千瓦時。它是全球首個獲得國際原子能機構(gòu)批準的小型模塊化反應(yīng)堆（SMR）。

美國也在積極推進小型模塊化反應(yīng)堆（SMR），美國能源部（DOE）已向美國開放高達9億美元的申請，以支持小型模塊化反應(yīng)堆的國內(nèi)部署。能源部此前通過SMR許可技術(shù)支持計劃，在五年內(nèi)撥款4.52億美元支持美國輕水反應(yīng)堆設(shè)計。NuScale Power正在開發(fā)一套77兆瓦的壓水反應(yīng)堆設(shè)計，該設(shè)計已獲得美國核監(jiān)管委員會認證，田納西河流域管理局正領(lǐng)導(dǎo)能源部8億美元的投標，以加快SMR部署，目標于2033年啟動商業(yè)運營。其他參與SMR開發(fā)的美國公司還包括西屋電氣、合泰克和BWXT先進技術(shù)。

圖10. 藝術(shù)家對慣性聚變能源電廠目標艙的概念。圖片由勞倫斯利弗莫爾國家實驗室/埃里克·史密斯提供

與商業(yè)裂變反應(yīng)堆通過分解鈾燃料產(chǎn)生能量不同，聚變反應(yīng)堆將氫同位素結(jié)合生成氦原子，并在過程中釋放能量。目前沒有商業(yè)化聚變反應(yīng)堆。事實上，最早的原型機預(yù)計至少要到2035年才會問世。

實際的核聚變需要解決廣泛的技術(shù)難題，才能確定是否能建造聚變反應(yīng)堆。這并沒有阻礙科研資金的獲得。美國政府在2023年為聚變項目撥款約7.6億美元，另有4.15億美元授權(quán)用于公私合營項目，直至2027年。 中國的核聚變預(yù)算估計每年約為15億美元，2023年對中國核融合公司的股權(quán)投資超過了所有其他國家的總和。 英國政府承諾為國家科研項目投入6.5億英鎊，包括STEP聚變電站項目。歐盟繼續(xù)投資于法國南部的ITER項目，該項目涉及30多個國家。 私營公司扮演著越來越重要的角色，目前有45家公司在13個國家致力于核聚變商業(yè)化。

如今，聚變能源研究已成為一項數(shù)十億美元的企業(yè)，主要由中國、美國和歐洲的努力主導(dǎo)?！盁帷本圩兎椒ā鏘TER和JET等大型反應(yīng)堆——利用極端壓力和溫度將氫同位素核強制排列。這些項目面臨巨大的工程、成本和規(guī)模障礙，但其原理被充分理解并基于物理學(xué)。

除此之外，一些研究人員仍在研究冷聚變，將其重新定義為“低能核反應(yīng)”或“凝聚態(tài)核科學(xué)”。這些研究是在凝聚態(tài)物質(zhì)（如固體和液體）中發(fā)生的核反應(yīng)和過程，而非傳統(tǒng)核物理中典型的高能等離子體環(huán)境。

冷聚變的吸引力在于其巨大的潛力：一種清潔、豐富的能源來源的可能性。近期的實驗，如不列顛哥倫比亞大學(xué)的實驗，強調(diào)可重復(fù)技術(shù)和系統(tǒng)研究，明確避免了夸大的能源突破宣稱。相反，這類工作旨在揭示新的物質(zhì)狀態(tài)和材料科學(xué)的改進，這些改進可能帶來更廣泛的益處——即使冷聚變永遠不會成為可擴展的能源解決方案。

來源：網(wǎng)絡(luò)