鋰電池：高能量密度動(dòng)力電池還存在以下技術(shù)障礙

目前鋰離子電池主要應(yīng)用于消費(fèi)電子類產(chǎn)品，已開始出現(xiàn)在電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車、混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、小型電站儲能、應(yīng)急后備電源、國家安全等領(lǐng)域，未來還可能在可再生能源配套儲能、離網(wǎng)家庭儲能、航空航天、醫(yī)療電子、其它工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域獲得大規(guī)模應(yīng)用。

自1991年商業(yè)化開始，經(jīng)過20年的努力，目前小型高能量密度鋰離子電池的能量密度從90Wh/kg提高到250 Wh/kg, 正極材料為LiCoO2, 負(fù)極材料為石墨。過去20年電池能量密度每年提升7%，主要是通過技術(shù)進(jìn)步，不斷增加活性物質(zhì)在電池中的占有比例來實(shí)現(xiàn)。

車用動(dòng)力電池目前正極采用LiMn2O4、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2、LiFePO4，負(fù)極采用石墨。單體電芯的能量密度在100-160 Wh/kg, 混合電動(dòng)汽車用高功率電池功率密度最高可以達(dá)到4000W/kg。

在所有儲能體系中仍然是最高的。由于消費(fèi)電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，純電動(dòng)汽車對延長續(xù)航里程的要求，迫切希望大幅度提升電池的能量密度。但在有限的電池空間填入更多的活性儲能物質(zhì)，進(jìn)一步減少非活性物質(zhì)的比例，從技術(shù)層面，已達(dá)到瓶頸。研發(fā)具有更高能量密度的新儲能材料體系，是當(dāng)今高能量密度電池發(fā)展面臨的必然選擇。

通過系統(tǒng)的熱力學(xué)計(jì)算，鋰電池體系在所有儲能電池體系中具有最高的理論能量密度。通過過去10年的研究，目前在高能量密度鋰離子電池方面，高容量Si負(fù)極較有希望的負(fù)極材料，高容量富鋰相層狀復(fù)合結(jié)構(gòu)材料、高電壓尖晶石Ni-Mn系材料、層狀Ni-Co-Mn系材料為較有希望的正極材料。

理論預(yù)測，采用這些材料體系的鋰離子電池的能量密度有望提升到250-300Wh/kg。雖然上述這些高能量密度材料已被廣泛研究，但目前在滿足所有指標(biāo)要求方面仍然存在一些技術(shù)障礙，特別是循環(huán)性、倍率特性、充放電效率、安全性、體積變化。具體而言，目前高能量密度動(dòng)力電池還存在以下技術(shù)障礙：

1)  高容量正極材料電壓范圍寬、循環(huán)性、倍率性、安全性差；

2)  高容量負(fù)極大體積變化器件無法接受；

3)  動(dòng)力電池用正負(fù)極材料綜合性能尚未過關(guān)、均未量產(chǎn)；

4)  高安全性、高電位范圍實(shí)用電解質(zhì)技術(shù)缺乏；

5)  高能量密度電池需要寬電位范圍，現(xiàn)有材料體系不兼容；

6)  高能量密度電池產(chǎn)業(yè)化積累經(jīng)驗(yàn)較少；

7)  一致性、高可靠性、成本、智能控制之間的平衡不易找到。

鋰離子電池之外，鋰硫(Li-S)電池能量密度可達(dá)到400~450Wh/kg）可充放鋰硫電池的研究已經(jīng)進(jìn)行了50年，可充放鋰空氣電池的研究已經(jīng)有16年，但循環(huán)性較差的問題一直比較突出。

直到最近，由于納米結(jié)構(gòu)電極與新電解質(zhì)材料的發(fā)展，在電池性能方面取得了顯著進(jìn)步，出現(xiàn)了應(yīng)用的一線曙光。

由于鋰離子電池的能量密度存在理論上的極限，新材料仍然存在一定的技術(shù)挑戰(zhàn)，因此對這鋰硫鋰空氣電池的研究最近得到了廣泛關(guān)注。和鋰離子電池從材料到電芯的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)成熟度相比，離商業(yè)化應(yīng)用還存在較大的距離，需要長期的研發(fā)，這也是未來儲能電池研究競爭的焦點(diǎn)之一。無論是下一代鋰離子電池，還是未來可能應(yīng)用的鋰硫電池，通過從原子到納米尺度對關(guān)鍵材料構(gòu)效關(guān)系的深入研究，設(shè)計(jì)并驗(yàn)證高效穩(wěn)定的納微復(fù)合結(jié)構(gòu)電極與電解質(zhì)材料，將會(huì)是推動(dòng)性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉、安全性好的高能量密度化學(xué)儲能技術(shù)發(fā)展的必由之路。

高質(zhì)量手機(jī)電池出現(xiàn)安全問題的幾率已經(jīng)降到了千萬分之一， 如果單體動(dòng)力電池容量是手機(jī)單體電池的數(shù)千倍， 則出現(xiàn)安全問題的幾率升到萬分之幾。動(dòng)力電池一旦出現(xiàn)熱失控，造成的破壞力巨大，已經(jīng)有多起慘痛的教訓(xùn)。

發(fā)展非常安全的動(dòng)力鋰離子電池是動(dòng)力電池大規(guī)模應(yīng)用的先決條件。含液體電解質(zhì)的鋰離子電池中放熱反應(yīng)涉及電解液在正極的氧化反應(yīng)，在負(fù)極的還原反應(yīng)，正極與負(fù)極的熱分解，電解液熱分解，內(nèi)部微短路，鋰析出導(dǎo)致的化學(xué)反應(yīng)等。對于不同材料體系，這些反應(yīng)的發(fā)生條件、放熱量、放熱速率也不一樣，同時(shí)還與非活性材料的散熱能力、穩(wěn)定性有關(guān)。電池安全性可以通過智能電源管理與保護(hù)電路來提高，但由于導(dǎo)致安全性的因素來自電芯內(nèi)部，因此從材料，特別是電解質(zhì)入手是根本的解決之道。添加阻燃劑、采用阻燃或不燃有機(jī)溶劑，離子液體，或混合離子液體的辦法，都具有一定的效果，但并不能從根本上消除隱患。采用聚合物電解質(zhì)或無機(jī)電解質(zhì)是解決能量型動(dòng)力電池安全性的有效辦法。