综述：释放锂/钠异质储能中的协同效应：从物理建模到协同控制

《Sustainable Production and Consumption》：Unlocking synergy in Li/Na heterogeneous energy storage: From physical modeling to collaborative control

　　

摘要

大规模储能需要具有高可靠性、低成本和良好资源可持续性的电池系统。锂/钠异质储能系统通过将锂离子电池和钠离子电池集成于同一架构中，提供了一种在能量密度、倍率性能、寿命和成本之间权衡取舍的有前景的策略。本综述从全生命周期视角总结了锂/钠异质储能系统近期进展，包括考虑化学体系依赖的可逆与不可逆产热及温度依赖动力学特性的热力学辅助电热建模（用于电池状态与功率预测及热安全评估）、拓扑设计、功率分配、热管理和面向回收的设计。综述了先进方法，如物理信息神经网络、两阶段管理框架、模型预测控制和轻量级稀疏分层部分功率处理架构。在具体研究中，这些方法在定义的模型、数据集和硬件配置下实现了健康状态估计误差低于0.86%和转换效率超过97%。生命周期研究表明，梯次利用、精细回收和自动化拆解可提高电池系统的经济可行性。报告的58%利润增长和97%回收成本降低源于不同的特定案例场景，包括定义的梯次利用策略和大规模自动化拆解流程。其适用性取决于原材料。

引言

全球能源结构正向低碳发展转型（Lakeman, 2025；King和van den Bergh, 2018；Zhang等, 2026）。电化学储能已成为大规模可再生能源集成和新能源汽车产业发展的关键技术（Li等, 2022；Viswanathan等, 2022）。然而，单一化学体系储能系统常面临能量密度、倍率性能、环境适应性、寿命和生命周期成本之间的耦合权衡（He等, 2020）。近年来，锂资源地理分布不均、供应链波动和锂价剧烈波动进一步影响了大规模储能系统的经济可行性。因此，更加可持续和资源多元化的储能路径正在被探索（Al-Ghussain等, 2024；Hanna等, 2025）。在此背景下，钠离子电池因其丰富的钠资源和潜在成本优势而受到越来越多的关注。某些钠离子电池化学体系在低温动力学行为方面也可能表现出有利特性（Zhang等, 2024），使其成为锂离子电池在未来储能系统中的有前景的补充技术（Vaalma等, 2018）。

锂离子电池和钠离子电池在性能上表现出显著的互补性。锂离子电池凭借其高能量密度和成熟的产业链占据市场主导地位（Fei等, 2026）。然而，它们在安全性和低温性能方面仍存在不足（Zhao等, 2023）。相比之下，钠离子电池由于某些电解质体系中钠离子较低的脱溶剂化能，在低温运行方面通常表现出潜在优势。在文献报道的一种代表性钠离子电池化学体系和电芯构型中，容量保持率在?20°C时高达88.9%，表明选定的钠离子电池系统在低温应用方面的潜力。此外，某些钠离子电池化学体系的热失控起始温度可高于三元锂离子电池体系。然而，这一安全优势取决于正极化学体系、电解质配方、电芯构型和测试条件。这些结果表明，选定的钠离子电池化学体系在特定测试条件下可能提供更优的安全裕度（Zhu等, 2025b）。在微观层面，锂/钠异质集成不应被视为简单的物理组合，它可能涉及互补的材料和界面行为。例如，钠离子电池中的硬碳负极依赖于吸附填充和层间嵌入机制。这些差异化的储能机制可能有助于减少复杂负载下的动力学滞后（Chen等, 2025c）。此外，电解质介导的离子选择性行为可能为系统提供多级电压平台支持（Park等, 2025）。这些异质特性为缓解电动汽车在寒冷地区的里程焦虑以及提高电网侧调频和调峰的经济效率提供了可能的技术途径。

然而，将两种不同的化学体系集成到单一的锂/钠异质储能系统中仍面临若干工程挑战。锂离子电池和钠离子电池的电压平台存在显著差异，直接并联可能产生内部环流。因此，系统通常需要先进的电力电子拓扑结构，如半主动或全主动直流/直流变换器，以实现电气解耦和主动功率流控制（Zhang等, 2020；Díaz-González等, 2022）。同时，系统的经济性强烈依赖于异质电池的容量配置比例。多目标优化算法通常用于量化钠离子电池比例对度电成本的影响，同时考虑循环寿命匹配和动态功率需求（Siewierski等, 2025；Pelosi等, 2023；Khosravani等, 2026）。特定案例研究表明，合理的异质设计可在所研究构型下将锂离子电池容量需求减少90%以上。在该设计中，钠离子电池利用其高倍率性能吸收瞬态功率冲击，有助于保护锂离子电池免受过大电流引起的加速退化。因此，系统运行成本可降低（Xu等, 2025）。

为提高文献筛选的透明度，本综述采用了结构化的检索和筛选策略。相关研究从主要科学数据库识别，包括Web of Science、Scopus、ScienceDirect、IEEE Xplore和Google Scholar。文献检索涵盖2015年至2026年9月发表的研究，并持续更新以纳入稿件修订时可获得的最新相关出版物。所有检索记录在整个参考文献收集、筛选和主题组织过程中均使用EndNote 21进行管理。检索关键词涵盖锂/钠异质储能系统、锂/钠混合电池系统、双化学体系电池组、异质电池集成、电池管理系统、能量管理策略、热管理、生命周期评估、梯次利用、电池回收、物理信息神经网络、双延迟深度确定性策略梯度、非支配排序遗传算法II、模型预测控制和部分功率处理。所收集的文献通过标题、摘要和可获得的全文进行筛选，评估其与系统级建模、拓扑设计、状态估计、能量管理、热控制、可靠性、生命周期评估和回收的相关性。会议摘要、无法获得全文的研究以及与这些主题没有直接或可转移相关性的研究被排除。发表时效性本身未作为纳入标准。相反，优先考虑那些对锂/钠异质系统具有直接相关性、明确方法论贡献、工程验证、生命周期影响或可转移设计原则的研究。由于锂/钠异质储能仍是一个新兴主题，当锂离子电池、钠离子电池、混合储能系统、二次利用电池、电力电子架构和电池回收的相关研究支持异质集成、控制、可靠性或生命周期管理分析时，也被纳入范围。仅关注单一电极材料合成的研究通常被认为不在本综述范围内，除非其发现为系统集成、热行为、可靠性或生命周期性能提供相关见解。

理论研究已表明锂/钠异质储能系统的潜在优势。然而，关于其集成架构、控制算法和评估框架的系统性综述仍然有限。为填补这一空白，本综述旨在全面分析面向下一代储能的锂/钠异质集成技术。首先，本综述讨论了锂/钠电池的外部特性建模及相关界面动力学机制。然后，比较不同系统拓扑结构及其控制灵活性。在此基础上，本综述进一步分析基于生命周期成本和退化成本货币化的容量优化方法和能量管理策略。还讨论了协同热管理设计和未来工程挑战。本综述的整体范围和逻辑在图1中总结。图1a概述了锂/钠异质储能系统的集成架构和控制框架。图1b总结了文献中报道的代表性特定案例定量指标，包括变换器效率、低温容量保持率、利润改善、退化成本降低和回收成本降低。图1c通过将锂/钠异质系统与锂离子/超级电容器、锂离子/氢能和锂离子/飞轮系统的性能权衡进行比较，将锂/钠异质系统置于更广泛的混合储能技术背景中。综合来看，该框架有助于澄清锂/钠异质储能系统的设计逻辑、已有进展和应用边界。

章节摘要

锂/钠电池外部特性建模与参数辨识

构建高保真电池模型对于锂/钠异质储能系统的精细化管理至关重要（如图2所示）。与成熟的锂离子电池相比，钠离子电池在整个荷电状态范围内表现出更复杂的非线性电压演化，尤其是在低荷电状态时。钠离子半径大于锂离子半径，分别为1.02?和0.76?。此外，层间嵌入过程中可能发生动力学滞后。

混合储能系统拓扑结构

混合储能系统的拓扑结构是锂/钠异质单元中能量协同和物理集成的基础。在当前学术研究中，拓扑结构设计已超越简单的电路连接，演变为涉及拓扑、定容和控制的一体化框架（如图4所示）。电池退化成本约占系统总生命周期成本的89%。因此，拓扑架构的首要任务是……

定容与配置优化

锂/钠异质储能系统的经济和技术优势取决于初始容量配置的准确性。锂离子电池和钠离子电池在能量密度、倍率特性和生命周期成本动态演化方面存在根本性差异。因此，配置过程已演变为复杂的系统工程问题，涉及多维决策变量、不同时间尺度上的退化耦合和高度非线性约束。如图6a所示，定容与……

技术经济对比评估

锂/钠异质储能系统不仅应作为独立的技术路线进行评估，还应与其他混合储能技术进行比较。竞争性架构，如锂离子/超级电容器、锂离子/氢能和锂离子/飞轮系统，已在可再生能源集成、调频、长时储能、离网供电和交通运输应用中得到广泛研究（Wei等, 2026）。为使比较更具一致性，本……

能量管理与功率分配策略

能量管理系统作为锂/钠异质系统的中央调度层。其核心目标是通过功率流解耦和异质单元间的协同功率分配来维持母线电压稳定和动态负载响应。该策略可缓解高价值锂离子电池电芯的电化学退化，并提高生命周期能效。如图7a所述，分层自适应能量管理系统通常集成了状态估计、约束更新和功率……

热管理协同

在锂/钠异质储能系统运行过程中，热管理系统的功能已发生演变。它已从简单的温升抑制转变为基于多热源的热量产生补偿和跨单元能量调度（如图9所示）。异质系统的协同热设计依赖于对不同电化学体系热力学机制的深入理解。研究表明，总……

挑战与未来展望

锂/钠异质储能系统的工程实施取决于初始性能之外的诸多因素。这些系统在其整个生命周期中面临复杂的可靠性演化和系统级安全约束。除性能提升外，实际部署还必须考虑嵌入式硬件可行性、功能安全、控制复杂度、标准化和商业化准备情况。如图10所述，未来的锂/钠异质系统需要……

结论

锂/钠异质储能系统为提高电化学储能的灵活性、成本稳定性和资源可持续性提供了有前景的策略。通过集成锂离子电池和钠离子电池，这些系统可缓解能量密度、倍率性能、寿命和成本之间的权衡取舍。其价值不在于替代现有电池技术，而在于协调不同化学体系以满足多样化的运行需求，尤其是在……

作者贡献声明

刘清峰：撰写——初稿、项目管理、调研、概念化。费子彤：撰写——审阅与编辑。石金华：撰写——审阅与编辑。胡梵斌：撰写——审阅与编辑。沈昀：撰写——审阅与编辑。李昱菀：撰写——审阅与编辑。董海刚：撰写——审阅与编辑。孟琦：撰写——审阅与编辑、验证、项目管理、方法论、调研、概念化。董鹏：监督、资金获取。

# 利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报道工作的经济利益或人际关系方面的竞争性关系。

## 致谢

感谢云南省基础研究计划（202501AW070007）、云南省贵金属实验室科技计划项目（YPML-20240502049）、国家电力投资集团合作项目（131071JX0120230258）、云南省高层次人才支持计划（XDYC-QNRC-2023-0092）、昆明理工大学高层次人才引进科研启动项目（20190015）以及昆明理工大学分析测试基金（2024 T20180052）的支持。

**作者：** 刘清峰 | 费子桐 | 石金华 | 胡凡斌 | 沈云 | 李育云 | 董海刚 | 蒙琪 | 董鹏 | 张英杰