沙子电池：挑战锂电池的统治地位

沙子能让电池过时吗？并非所有地方都能——但涉及的领域可能比你想象的要多。

几十年来，锂离子电池一直占据着储能领域的话题中心。它们为手机、汽车以及比例日益增长的电网提供动力。如今，一类将能量以热能形式储存在廉价、惰性固体颗粒中的技术——通常被称为“沙子电池”——正从实验室演示走向商业项目。支持者认为，这些系统可以在长时储能和工业供热领域取代化学电池，而近期的一系列演示已将这种可能性转化为了具体的商业案例。

沙子电池是如何工作的

最简单的沙子电池是一个充满可流动固体（如硅砂、碎滑石或类似的颗粒材料）的绝热容器，这些固体通过风能或太阳能产生的电力进行加热。带电颗粒储存在高温筒仓中（模型和原型已经探索了高达约 1,100–1,200 °C 的温度）。当需要能量时，热空气或其他工质会通过颗粒以提取热量，要么直接用于区域供热和工业过程，要么驱动动力循环来发电。

该系统依赖于几项机械创新：用于充电的高效电加热器、一种低损耗移动和储存高温颗粒的方法，以及一种能够在不破坏颗粒的情况下快速传递热量的颗粒-气体热交换器。研究团队已经制作了实验室规模的组件原型，并开发了计算模型，以展示这些元件如何通过工程设计在商业规模上协同工作。

沙子电池在哪些方面优于化学电池

• 材料成本： 沙子或碎石的价格仅为每吨几十美元——比锂离子电池中使用的矿物原料便宜好几个数量级。
• 时长与规模： 当需要储存数小时甚至数天的能量时，热储能表现优异。锂离子系统通常针对短时调节（两到四小时）进行优化，而基于沙子的系统则是为长时储能（LDES）设计的——通常为 10–100 小时。这符合季节性需求波动和工业过程热的需求。
• 材料与供应链： 这些系统避开了与钴、镍和其他电池矿物相关的地缘政治压力和环境压力。
• 工业热能： 由于沙子电池直接以高温储存热量，它们可以取代工厂或区域供热网络中的化石燃料燃烧器，而无需中间的电力转换步骤，从而提高了脱碳策略的整体效用。

正是这些优势，让一些研究人员将颗粒热能储存描述为超越熔盐系统和短时电池限制的新一代储能技术。模型和早期原型表明，对于需要长期大容量的应用，该技术具有极具吸引力的经济性。

现实进展：演示与首批商业化规模工厂

美国能源部（U.S. Department of Energy）旗下的顶级可再生能源实验室一直是这项工作的核心引擎。该实验室的一个团队已经制作了颗粒系统原型，发表了同行评议的分析报告，并计划在他们的 Flatirons 校区进行一次演示安装，旨在展示 10 到 100 小时的运行能力，并在规模化水平上验证组件。该实验室的公开报告强调了这项技术的前景，并计划在 2025 年期间进行一次突破性的演示。

与此同时，专注于热能而非电力的商业部署已经达到了城镇规模。在芬兰 (Finland)，一家公司建造了一个工业级沙基热储能设施，目前为当地市镇提供区域供热；据报道，该装置的储能规模约为 100 兆瓦时（MWh）热能，并于 2025 年年中投产。该工厂展示了这一概念目前如何用于减少供热网络中的化石燃料消耗。

并非灵丹妙药——现实的局限性

必须明确这些系统在何处发挥作用。如果目标是移动设备、智能手机或电动汽车，化学电池仍然占据主导地位，因为它们能以高能量密度和紧凑的形态直接输出电力。沙子和颗粒储能体积庞大且固定；其优势在于成本效益、长时容量和高温热能，而非体积能量密度。

当涉及到“电入电出”的问题时，颗粒系统确实面临转换损耗。研究团队的实验室和建模工作估计，虽然储存在筒仓中的热能在几天内可以保持 95% 以上，但一旦将颗粒加热并随后通过涡轮机或布雷顿循环（Brayton cycle）将热量转化回电力，在计入寄生损耗后，全系统的电-电往返效率通常模拟在 50–55% 之间。这低于锂离子电池组的电气往返效率，但其权衡点在于每兆瓦时存储容量的资本成本更低，并且能够经济地储存更长时间的能量。

这对电网和工业意味着什么

在脱碳的背景下，沙子和颗粒热储能改变了关于社会应在何处以及如何部署储能的讨论。为了平衡季节性或多日的波动，以及取代工业中的化石热能，这些系统提供了一条比单纯建造庞大的化学电池群成本更低的途径。对于短时、高功率的任务——如频率响应、电动汽车快充高峰或移动应用——电池仍将是明智的选择。

在实践中，脱碳系统将依赖于多种储能技术的组合：用于秒级至小时级响应的快速电化学电池，在地理条件允许的情况下使用抽水蓄能或压缩空气，以及在时长和成本至关重要的地方使用长时热储能或流电池系统。最近 NREL 的研究和芬兰的商业项目并没有让电池过时，但它们确实扩大了电网运营商和工业规划者可以使用的经济可行工具集。

下一步及关注点

预计近期活动将集中在三个领域：第一，验证兆瓦级长时电气往返性能的工程演示；第二，在取代过程热和区域供热燃烧方面的工业部署；第三，测试这些资产如何参与电力市场和容量服务的市场与政策试点。原定于 2025 年进行的政府资助演示以及 2025 年商业沙子电池的投产，已经为工程师和投资者从实验转向更广泛的推广提供了所需的证据基础。

对于电网规划者和能源战略家来说，这是一个超越电池单元思考的契机。化学电池在许多用途上仍不可或缺，但热颗粒储能增加了一个低成本、长时的选项，这可能会大幅减少实现深度脱碳所需的稀缺电池金属数量。

James Lawson 是 Dark Matter 的科技记者，专注于能源、航天和新兴计算领域。本文综合了实验室论文、国家实验室报告和早期商业部署情况，旨在解释颗粒热储能如何补充并在某些情况下替代传统电池。