在现代生活中，电池已成为不可或缺的能源供应者，从日常用品如手电筒、遥控器、计算器、手机和电动玩具，到生命维持设备如心脏起搏器，再到引领交通变革的电动汽车，电池的身影无处不在。然而，电池容量的限制一直是制约这些设备性能提升的关键因素。为了打破这一瓶颈，科学家们正致力于挑战电池能量密度的极限，探索更高效能的电池技术。
南方科技大学机械与能源工程系的助理教授、博士生导师李一举指出，自1990年日本索尼公司开发出以炭材料为负极、钴酸锂材料为正极的锂离子电池以来，电池技术取得了显著进步。这种电池不仅提供了更高的电压，还推动了消费电子产品的革新，成为便携电子设备的主要电源。目前，商用锂离子电池的能量密度主要集中在200-300瓦时/千克，主要分为磷酸铁锂和三元锂电池，根据应用场景的不同，又分为动力电池和储能电池等。作为动力电池，其循环次数寿命一般要求在1000-2000次。
随着锂资源价格的上涨和对替代储能技术需求的增加，钠离子电池逐渐进入人们的视野。钠离子电池的整体性能与锂离子电池相近，能量密度稍低，但在低温性能、安全性和倍率性能方面具有优势。因此，钠离子电池有望在大规模储能、中低续航里程电动车、工程车等细分市场中率先得到应用。
由于锂离子电池的能量密度被认为已接近极限，固态电池技术近年来备受关注。固态电池有望从根本上改进液态锂离子电池在能量密度和安全性能方面的不足。根据电解质的不同，锂电池可分为液态、半固态、准固态和全固态四大类，其中半固态、准固态和全固态都可称为固态电池。目前，固态电池技术虽成熟度不高，但其能量密度已达到500瓦时/千克，具体应用潜力有待进一步探索。
追求电池能量密度的极限是电池技术领域的重要目标。李一举表示，电池的能量密度取决于电池的容量和输出电压，而这些最根本地由电池的正负极材料决定。为了提高能量密度，需要从微观尺度对电池的关键材料进行改性、优化，开发高容量、长循环的电极材料。同时，电池的外形、成组方式等也与能量密度密切相关，提高电池成组效率以及空间利用率可以大幅提高电池包单位体积内的能量密度。
目前，全球许多国家都在积极研究和开发提升电池能量密度的关键技术，欧盟、美国、中国和日本都推出了相应的研究计划和激励措施。固态电池相较于传统液态电池，有望在能量密度方面大幅提升，因此产业链上的锂电企业及整车企业都在积极增加研发投入，布局固态电池技术。尽管行业内对固态电池的发展趋势有共识，但实现全固态电池技术突破仍面临较大难度，距离规模应用还有一定距离。
在电池研究领域，中国的动力电池技术已达到全球领先水平。中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研制了一种基于高容量富锂锰基氧化物正极和超薄金属锂负极的10安时级软包锂二次电池，经测试，其首次放电质量能量密度达到711.30瓦时/千克、体积能量密度达到1653.65瓦时/升。深圳锂离子电池储能产业在全球领先，培育了一批大型科技龙头企业。比亚迪正在研发的第二代刀片电池系统，其能量密度可能达到190瓦时/千克，使纯电车型的续航有望突破1000公里。
回顾电池的发展历程，从1799年意大利物理学家伏特发明的第一个电池——“伏特电堆”，到如今的锂离子电池，电池的性能和容量不断提升。电池种类繁多，结构各异，不同的电池体系具有不同的储能机制和能量密度，因此应用场景也有所不同。铅酸电池虽然能量密度低，但安全性高、成本低，广泛应用于通信、电力、应急设备以及汽车启动等领域。而液流电池，如钒液流电池，因循环寿命长、安全性高和结构设计灵活等优点，在大规模储能领域具有巨大发展潜力。
