1.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

提高鋰離子電池的比能量從結(jié)構(gòu)上講，要提高正負(fù)極活性物質(zhì)在鋰離子電池中所占的比例。鋰離子電池重要由正負(fù)極活性物質(zhì)、隔膜、銅箔、鋁箔和殼體及結(jié)構(gòu)件等部分組成，其中真正能夠?yàn)殇囯x子電池供應(yīng)容量的只有活性物質(zhì)，因此提高活性物質(zhì)在鋰離子電池中所占的比重才是最有效的提高鋰離子電池手段。例如最近特斯拉在大力推動(dòng)的21700電池，就是通過使用直徑更大的電芯(21mm)，新增電芯的高度(70mm)提高活性物質(zhì)占比，減少結(jié)構(gòu)件等非活性材料的比重，提高鋰離子電池的比能量，降低單位瓦時(shí)成本。此外軟包電池也是減少結(jié)構(gòu)件重量的有效方法，通過使用鋁塑膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制外殼，可以極大的減少結(jié)構(gòu)件在鋰離子電池中所占的比重。

除了增大鋰離子電池的直徑，另外一個(gè)有效提高鋰離子電池比能量的方法是減少隔膜的厚度，目前常見的PP-PE-PP三層復(fù)合隔膜的厚度一般達(dá)到30um以上，達(dá)到正負(fù)極極片的厚度的20%左右，這也造成了嚴(yán)重的空間浪費(fèi)，為了減少隔膜所占的空間，目前廣大鋰離子電池廠家普遍采用帶有涂層的薄隔膜，這些隔膜的厚度可達(dá)到20um以下，可以在保證鋰離子電池安全的前提下，顯著的減少隔膜所占的體積比例，提高活性物質(zhì)占比，提高鋰離子電池比能量。

另外的一種新增活性物質(zhì)比例的方法是從電池的生產(chǎn)工藝的角度入手，首先是新增活性物質(zhì)在電極中占比。一般鋰離子電池的電極重要由四大部分組成，活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和集流體組成，為了提高活性物質(zhì)比例，就要降低其他部分的比例，通過采用新型導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑從而減少導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的比例，采用更薄的集流體來減少非活性物質(zhì)的所占的比例。其次，要提高正負(fù)極的涂布量，但是提高電極的涂布量還面對的一個(gè)問題：當(dāng)電極過厚時(shí)會(huì)造成電極的Li+擴(kuò)散動(dòng)力學(xué)條件變差，影響鋰離子電池的倍率和循環(huán)性能，為了解決這一問題德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的BorisBitsch等[1]利用毛細(xì)懸濁液和多層電極工藝制備了具有梯度孔隙率的高性能厚電極。在靠近銅箔的低層，BorisBitsch等采用了普通漿料，使得其具有較低的孔隙率和良好的導(dǎo)電性，而在遠(yuǎn)離銅箔的表層，BorisBitsch則采用了毛細(xì)懸濁液漿料，并向其中添加了1-辛醇，使其孔隙率明顯新增，改善了電極的動(dòng)力學(xué)條件，從而使得該電極的孔隙率自下而上呈現(xiàn)出逐漸新增的特性，顯著改善了厚電極的動(dòng)力學(xué)條件，提高了厚電極的電化學(xué)性能，從而實(shí)現(xiàn)了在提高電池重量和體積比能量的同時(shí)不降低電池的循環(huán)性能。

提高鋰離子電池比能量的另外一個(gè)重要的方法就是控制電解液的數(shù)量，減少電解液的數(shù)量可以有效的提高鋰離子電池的能量密度。電解液在鋰離子電池內(nèi)部起到一個(gè)媒介的用途，正負(fù)極的Li+通過電解液進(jìn)行擴(kuò)散，因此電解液理論上來講是一種非消耗品，只要有少量的電解液保證Li+在正負(fù)極之間自由擴(kuò)散就行了，但是實(shí)際上由于在化成過程中SEI膜的形成導(dǎo)致電解液分解，以及在循環(huán)過程中SEI膜破壞和正極氧化等原因造成的電解液分解，導(dǎo)致電解液在實(shí)際上是持續(xù)消耗的，因此電池內(nèi)的電解液一般而言都是過量的，這也是導(dǎo)致鋰離子電池比能量低的一個(gè)重要原因，為了減少電解液量，同時(shí)保證電池的性能，要我們對電解液溶劑體系和電解液添加劑體系進(jìn)行改進(jìn)，提高電解液的穩(wěn)定性。為了改善電解液在三元材料NMC電池中的穩(wěn)定性，德國明斯特大學(xué)的YunxianQian等[2]向傳統(tǒng)的EC和EMC(重量比為3:7)為溶劑的電解液中添加了少量的FEC添加劑，發(fā)現(xiàn)FEC添加劑能夠有效的減少電解液的分解，提高NMC電池的首次庫倫效率，并顯著改善電池的循環(huán)穩(wěn)定性。

2.正負(fù)極活性物質(zhì)的選擇

隨著我們對鋰離子電池能量密度的要求不斷提高，傳統(tǒng)的LiCoO2材料已經(jīng)物法滿足高比能鋰離子電池的需求，為了進(jìn)一步提升鋰離子電池的能量密度，我們有兩個(gè)大方向可以選擇：1)提高鋰離子電池的工作電壓；2)提高正負(fù)極材料的容量。首先我們從第1)方面來分析一下提高鋰離子電池能量密度的可行性，鋰離子電池的工作電壓取決于正負(fù)極材料之間的電壓差，目前負(fù)極材料石墨的電壓已經(jīng)很低(約0.1VvsLi+/Li)，進(jìn)一步降低的空間并不大，提升鋰離子電池電壓重要從正極材料方面進(jìn)行著手，目前可供選擇的高電壓材料重要有以下幾類：

(1)高電壓的尖晶石鎳錳酸鋰LiNi0.5Mn1.5O4材料，其工作電壓可達(dá)5.0V，電壓平臺(tái)在4.7V左右，理論容量為147mAh/g，實(shí)際容量可達(dá)138mAh/g以上。(2)橄欖石類的高電壓材料，例如LiMnPO4和LiCoPO4材料等，其中LiMnPO4材料的電壓平臺(tái)可以達(dá)到4.1V左右，LiCoPO4材料的更是可以達(dá)到4.8V左右。(3)富鋰材料，富鋰材料的理論容量可達(dá)200mAh/g以上，甚至是300mAh/g，但是為了發(fā)揮出富鋰材料高容量的優(yōu)勢，要將其工作電壓提高，甚至達(dá)到4.8V左右。

這些高電壓材料除了要解決自身存在的問題外，還面對著一個(gè)同樣的問題：高電壓下電解液不穩(wěn)定的問題，目前商用的鋰離子電池電解液一般是基于碳酸酯類的有機(jī)電解液，溶劑鹽為LiPF6，這也導(dǎo)致在高電勢下，電解液極易被氧化分解，導(dǎo)致電池的性能嚴(yán)重下降，甚至發(fā)生安全問題。為了克服這一難題，我們可以從兩個(gè)方面進(jìn)行著手，首先是從電解液溶劑體系方面，為了提高電解液的電化學(xué)穩(wěn)定窗口，可以采用更為穩(wěn)定的離子液體電解液和新型的電解質(zhì)鹽。另一方面，為了減少高電壓材料對電解液的氧化，可以對高電壓材料進(jìn)行表面的包覆處理，從而隔離電解液與活性物質(zhì)。華南師范的大學(xué)的DongruiChen等[3]利用Li3PO4對富鋰層狀材料進(jìn)行了表面包覆處理，Li3PO4包覆顯著改善了富鋰材料的循環(huán)性能，減少了過渡金屬元素的溶解，抑制了層狀結(jié)構(gòu)向尖晶石結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。

提高鋰離子電池比能量的另外一個(gè)重要的方面就是提高正負(fù)極活性物質(zhì)的比容量，這要從正極材料和負(fù)極材料共同著手。正極材料方面可供我們選擇的高容量的正極材料重要有以下兩大類：1)三元材料NCM和NCA；2)富鋰材料。三元材料是目前最為成熟的高容量的正極材料，而且隨著Ni含量的提高，三元材料的比容量也會(huì)相應(yīng)的提高，例如高鎳的NCM811材料，比容量可達(dá)200mAh/g左右，高鎳NCA材料比容量也可以達(dá)到190mAh/g左右，要遠(yuǎn)高于LiCoO2材料。富鋰材料是近年來新發(fā)展起來的高容量正極材料，其比容量可以達(dá)到200mAh/g以上，甚至是300mAh/g，但是目前富鋰材料在市場上還較為少見，究其原因重要有以下幾點(diǎn)：1.不可逆容量高；2.電壓衰降；3.循環(huán)性能差。改善其性能要從元素?fù)诫s和表面包覆，以及材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面進(jìn)行著手。

高容量的負(fù)極材料方面，我們重要有以下幾個(gè)選項(xiàng)：1)硅基材料；2)N摻雜石墨類材料；3)過度金屬S化物類材料；4)金屬鋰負(fù)極。硅負(fù)極材料不需多說，這也是目前市場上最為成熟可靠的高容量負(fù)極材料，晶體Si的比容量可達(dá)4200mAh/g以上，但是膨脹大、循環(huán)性能差，SiOX雖然容量稍低(1500mAh/g左右)，但是循環(huán)性能優(yōu)異，缺點(diǎn)是首次效率低。N摻雜石墨材料是近年來高容量負(fù)極材料的一個(gè)研究熱點(diǎn)，N原子的電負(fù)性為3.5左右，在石墨中摻入N元素后，可以顯著的提高石墨負(fù)極的比容量，武漢大學(xué)的KaifuHuo等[4]利用模版法制備了N摻雜介孔碳中空球材料，其在0.1A/g的電流密度下，比容量可達(dá)931mAh/g，0.5A/g的電流密度下，循環(huán)1100此，仍然能夠保持485.7mAh/g的比容量。

金屬硫化物重要指的是MoS2，其可逆容量可達(dá)1290mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨材料，但是離子擴(kuò)散速率低、電子電導(dǎo)率低影響其性能發(fā)揮，為了克服之一問題，JieShao等[5]以N摻雜石墨材料為基體，在上面生長MoS2納米片，該材料表現(xiàn)出了良好的電化學(xué)性能，在10A/g的超大電流密度下，比容量仍然可達(dá)915mAh/g。

金屬Li負(fù)極比容量可達(dá)3860mAh/g，電勢低，導(dǎo)電性好，是一種理想的鋰離子電池負(fù)極材料，早期因?yàn)榘踩詥栴}而被石墨材料所取代，而近年來隨著Li-S電池和Li-O2電池的快速發(fā)展，對金屬Li負(fù)極的研究逐漸深入，已經(jīng)有多種手段可以抑制鋰枝晶的生長，克服金屬Li充放電過程中的體積膨脹，提高金屬Li負(fù)極的安全性，改善循環(huán)性能，金屬Li負(fù)極在鋰離子電池中應(yīng)用的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟，據(jù)估算將鋰離子電池的負(fù)極替換為金屬鋰，可以將鋰離子電池的能量密度提高到440Wh/kg左右[6]。