鋰電池

鋰離子電池作為當前最重要的電化學儲能器件之一，其應用范圍已經從小容量電池在消費電子產品、電動工具上的應用，逐漸擴展到新能源電動汽車、電動船舶、電動飛機、機器人等新興領域，這些領域不僅要求鋰離子電池具有更大的容量，對其能量密度也不斷提出更高的要求。最初，索尼公司于1991年商業化的鋰離子電池能量密度只有80 W·h/kg；現如今，鋰離子電池的能量密度已達到300 W·h/kg。在過去，鋰離子電池能量密度隨時間的提升基本滿足線性關系，但近年來，能量密度的提升速度逐漸放緩。目前，世界各國提出的鋰電池發展計劃大多按照能量密度線性提升的速度制定研發目標，中國、美國、日本政府都計劃在2020年開發出能量密度達到400~500 W·h/kg的電池原型器件，并在2025—2030年實現量產。
鋰離子電池能量密度的提升建立在不斷優化現有材料并尋找新材料組合的基礎上，如圖1所示。材料的選擇決定了鋰離子電池能量密度的理論值。正負極材料是鋰離子電池的活性儲能材料，提升能量密度的本質在于提升正負極的電勢差和材料的比容量。由于應用的多樣性導致性能指標要求的多樣性，鋰離子電池未來還會是多種材料共同發展的局面。從提高能量密度的角度考慮，負極材料已從石墨類負極材料發展到了納米硅碳負極，未來有可能出現鋰復合負極材料；正極材料主要是對現有鈷酸鋰（LiCoO2）、三元層狀（NCM/NCA）、富鋰錳基（Li-rich或者OLO）、錳酸鋰（LiMn2O4）、鎳錳酸鋰（LiNi0.5Mn1.5O4）正極材料的進一步優化和更新換代。此外，電解液、隔膜、導電添加劑材料的選擇需要基于與正極負極材料的界面兼容性以及材料本身的性能進行考慮。實際電池的設計過程中，能量密度的計算需要考慮非活性物質，并且在實現高能量密度的同時還要考慮電池綜合技術指標。鋰電池的電芯設計對電池的實際性能發揮具有重要意義。當前可以實現高能量密度電池的正極材料有哪些？單一的提高電池放電比容量和工作電壓可以實現高能密度電池商業化嗎？傳統液態電池能否使用金屬鋰作為負極？電解液如何克服在高電壓下分解的問題？隔膜在高能量密度電池中會出現哪些問題？目前固態電解質能否替代電解液和隔膜實現高能量密度固態電池？下一代的電芯設計和傳統電池設計有何區別？本文試圖對開發高能量密度電池過程中有關材料選擇和電芯設計的部分問題進行分析。