北京中科刘云涛 https://m.yiyuan.99.com.cn/bjzkbdfyy/a/260591/经过几十年的发展,锂离子电池能量密度的提升速度已明显放缓,并逐渐接近理论极限。与此同时,固态电池、钠离子电池、锂硫电池、燃料电池等新型储电和发电体系快速发展,开始为各种应用场景提供更多选项。在此次由《国家科学评论》(NationalScienceReview,NSR)编委成会明主持的论坛中,几位电池领域的专家充分探讨了锂离子电池面临的瓶颈和发展方向,分析和畅想了下一代电池的前景与应用,并对我国电池研究与产业的现状进行了梳理。锂离子电池:极限未至成会明:有观点认为,锂离子电池的发展已接近极限,大家认同这种说法吗?李泓:我个人不认同这种看法。锂离子电池的性能包括多个方面:质量能量密度、体积能量密度、循环性、充放电速率、高低温适应性、安全性等。在这些性能中,只有质量能量密度和体积能量密度存在可以定量的理论极限。仅以这两个指标而论,我认为也至少还需要十年的研究,才有可能达到极限。具体来说,锂离子电池的正极材料目前主要有四大类:钴酸锂(LiCoO2)、三元材料(Li(NiCoMn)O2)、磷酸铁锂(LiFePO4)和锰酸锂(LiMn2O4)。其中磷酸铁锂和锰酸锂的实际能量密度已经接近理论极限,而钴酸锂和三元材料还有发展空间。钴酸锂和三元材料的理论容量极限是mAh/g,而目前已经达到的最高水平分别在mAh/g和mAh/g左右。通过优化,比如开发高镍、低钴或者无钴的三元材料,还可以进一步提升性能、降低成本。在这四大类之外,还有富锂锰基正极材料,如xLiMO2-(1-x)Li2MnO3等。它的理论容量极限更高,在x=0时可以达到mAh/g。北京大学夏定国团队的研究结果已达到mAh/g,在工业上则可以做到mAh/g,都还可以进一步提升。负极也同样还有发展空间。目前常用的是石墨负极,此外还有硅负极、纳米硅碳负极等。众所周知,硅负极的理论容量很高,可以达到mAh/g,但它存在一个主要问题,就是体积膨胀较大。如果能适度控制体积膨胀,硅负极将进一步发展并获得更多的实际应用。此外,如果开发出含锂的负极,那么正极就可以不含锂,正极材料的选择范围就会更宽,又可以创造出新的发展空间。对于锂离子电池的其他指标,如循环性、充放电动力学性质、高低温适应性、安全性等,我们或者还不知道极限在哪里,或者现有水平距离极限还十分遥远,所以更不能说已经接近极限。总之,锂离子电池是一个开放可拓展的体系,我们可以不断探索和优化新的材料、电极设计和加工工艺,从而不断提升它的能量密度和其它各项性能。这其中需要解决的问题还有很多,仍需要创造性的深入细致的研究。陈军:锂离子电池是一个相对复杂的体系,主要由正极、负极、电解液、隔膜构成。其中部分商业化的正负极活性材料,如钴酸锂正极、石墨负极等在容量、倍率性能等方面都已接近发展极限。但随着新型电极材料的开发和发展,材料的更新换代将为锂离子电池提供更大的发展空间。目前,锂离子电池发展的主要方向是正极、负极材料容量的提升和电池综合性能的提高。其中,决定电池容量等性能的高容量正极是核心,与之相匹配的负极、电解液及电池制备工艺技术是关键。综合来看,近期的具体目标应该是:能量密度达到~Wh/kg、较快速的充放电、满足-30~60℃的使用要求、常温循环寿命超过次、成本0.6元/Wh(Pack)。孙世刚:多年以来,钴酸锂、三元材料等体系不断发展,已经相当成熟。但是应该注意到,在这些体系逐渐接近极限的过程中,其性能提高的速度其实是越来越慢的,也就是说,我们遇到的问题是越来越难的。要解决目前面临的问题,我们或许应该回过头来,重新对这些体系中的基本科学问题和科学规律进行梳理和研究。如果能够更好地用数学、物理模型来描述电池的运行机制,将有助于我们解决这些问题,进一步接近极限。同时在工业上,电池是一个系统性的产品。有了更好的基本理论,就可以更好地预测能量密度的提升会对整个系统,包括电池的其他性能以及电池的成本,带来怎样的影响。成会明:我也同意锂离子电池还有很多发展和完善的空间。进一步的发展可以从三个层面来展开:首先,不断改进已有的材料;其次,不断发现新的材料;第三,还可以开发新的体系,从传统的液态电池,逐渐向半固态、固态,甚至其他的电池体系发展。锂离子电池:问题与方向成会明:实验室中的研究成果常常无法在工业上顺利实现,所以从工业应用的角度来看,锂离子电池的发展空间还会更大一些。张宏立:确实如此。从工业生产角度看,现有体系中还有很多需要解决的实际问题。首先,是刚才李泓老师提到的硅基负极的膨胀问题。硅基负极在循环过程中的膨胀会导致在电池的生命周期中,模组的预紧力会越来越大,如果预紧力最终突破了模组的设计强度,将会给产品带来灾难性的后果,这是电动汽车厂商和电池企业所不希望看到的。第二,是高镍三元体系的安全性问题。高镍材料具有很高的能量密度和综合性能,但是它不如磷酸铁锂或低镍三元材料稳定,其安全性是急需解决的重大挑战。第三,是磷酸铁锂技术的进一步突破。过去,很多人都认为磷酸铁锂的性能不够高,但是作为一种无钴的正极材料,磷酸铁锂具有低成本、高安全性、长寿命等优点,而且其发展尚未达到极限,所以最近它重新得到了整个产业链的
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