鉅大LARGE | 點擊量：1077次 | 2022年02月16日
鋰離子電池的能量密度是否還有進一步提升的空間？
當(dāng)前，純電動汽車大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化所面臨的第一大障礙，就是“里程焦慮”的問題。對于純電動汽車而言，其續(xù)航里程是由動力電池系統(tǒng)所能存儲的電能決定的，因此動力系統(tǒng)的能量密度就成了制約電動車?yán)m(xù)航里程的決定性因素。
鋰電池的能量密度是否還有進一步提升的空間？
BMW的計算表明，消費者對純電動汽車可接受的最低實際行駛里程是300Km（大約是目前普通轎車油箱滿油續(xù)航里程的三分之一），如果在保持動力電池系統(tǒng)的重量與現(xiàn)有普通家庭轎車的動力總成(Powertrain)相差不大的情況下，動力電池系統(tǒng)的能量密度要達(dá)到250Wh/Kg的水平，也就是說單體電芯的能量密度要達(dá)到300Wh/Kg。
那么目前的鋰電體系，在滿足安全性、循環(huán)性和其它技術(shù)指標(biāo)的前提下，其能量密度能否達(dá)到300Wh/Kg呢？
對于鋰離子電池而言，其理論能量密度可以通過正負(fù)極材料比容量和工作電壓進行估算。這里，筆者暫且拋開復(fù)雜的電化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的概念，做些通俗易懂的分析。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
現(xiàn)有的鋰電體系，其實只能算是“半個”高能電池，因為它的高比能量主要是建立在負(fù)極極低的電極電勢基礎(chǔ)之上，而目前商業(yè)化的幾種過渡金屬氧化物正極材料（LCO、LMO、LFP和NMC）不管是工作電壓還是比容量都并不明顯優(yōu)于水系二次電池的正極材料。
因此，要想使鋰電成為“真正”的高能電池僅有兩條道路：提高電池工作電壓或者提高正負(fù)極材料的比容量。因為負(fù)極工作電壓已經(jīng)沒有降低的可能，那么高壓就必須著眼于正極材料。鎳錳尖晶石和富鋰錳基固溶體正極材料（OLO）的充電電壓分別為5V和4.8V，必須采用全新的高壓電解液體系。
5V鎳錳尖晶石由于容量較低，實際上并不能有效提升電池的能量密度。目前OLO的實際容量可以達(dá)到250mAh/g以上，已經(jīng)很接近層狀過渡金屬氧化物正極的理論容量。
Si/C復(fù)合負(fù)極材料以及硅基合金負(fù)極材料的比容量已經(jīng)達(dá)到600-800mAh/g，這個容量范圍幾乎是其實用化（保證適當(dāng)循環(huán)性并抑制體積變化）的極限。如果OLO和硅基高容量負(fù)極搭配，其能量密度大約在350Wh/Kg左右的水平。
筆者這里要強調(diào)的是對3C小電池而言，體積能量密度比質(zhì)量能量密度更為重要。也就是說，層狀正極材料（LCO和NMC）向更高電壓或者更高Ni含量發(fā)展，比目前炒作得很熱門的富鋰錳基固溶體正極更具實際應(yīng)用價值。
隨著更高電壓LCO技術(shù)和更高鎳含量NMC三元材料的日益成熟，未來采用更高壓或者更高鎳含量的層狀正極材料搭配高容量Si/C復(fù)合負(fù)極或者合金負(fù)極材料，小型3C鋰電的能量密度有可能進一步提升到300Wh/Kg的水平。
要想進一步提高鋰電的比能量，那么就必須打破現(xiàn)在的嵌入反應(yīng)機理的束縛,跟其它常規(guī)化學(xué)電源一樣采用異相氧化還原機理，也就是采用金屬鋰做負(fù)極。但是鋰枝晶容易導(dǎo)致短路以及高活性枝晶與液體有機電解液的強烈反應(yīng)，使問題又回到了鋰離子電池的起始點。
其實，鋰離子電池采用石墨負(fù)極的根本原因，正是因為石墨嵌鋰化合物（GIC）避免了金屬鋰枝晶的形成，并且GIC降低了金屬鋰的高活性使得穩(wěn)定的SEI界面成為可能。所以，基于嵌入反應(yīng)的鋰離子電池其實是不得已的折衷辦法！
近兩年，國際上關(guān)于金屬鋰負(fù)極的研究掀起了一陣小高潮，比如最近炒作的很熱門的美國SolidEnergy。其實從基礎(chǔ)研究的角度而言是很好理解的，正如筆者前面提到的，正極材料的容量已經(jīng)沒有多少提高的余地，電解質(zhì)無助于能量密度的提升，那么剩下的也就只能從負(fù)極這塊著手了，使用金屬鋰負(fù)極的電池自然是“終極鋰電池”。
理論上，采用無機固體電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)或者液態(tài)電解液添加特殊添加劑都有可能緩解鋰枝晶的形成，但是在電芯的實際生產(chǎn)上會面臨諸多技術(shù)困難。正如筆者在安全性章節(jié)里討論過的，以金屬鋰做負(fù)極的“終極鋰電池”能否實現(xiàn)，安全性問題將是第一決定性因素。
筆者個人認(rèn)為，基于無機固體電解質(zhì)的全固態(tài)鋰離子電池（All-solid-stateLi-ionbattery）才有可能讓金屬鋰負(fù)極的實際應(yīng)用成為可能。日本Toyota（豐田汽車）是國際上全固態(tài)電池的領(lǐng)頭羊，目前其發(fā)展出的原型電池在技術(shù)水平上遙遙領(lǐng)先其它企業(yè)和科研機構(gòu)，而Toyota在該領(lǐng)域已經(jīng)有近20年的研發(fā)積累。
但是大型動力電池由于諸多技術(shù)指標(biāo)的嚴(yán)格限制，在電極材料的選擇、體系搭配、極片工藝和電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計等方面跟3C小電池有很大不同。這些因素使得即便是相同正負(fù)極搭配體系，大型動力電池的能量密度要比小型容量型電池低不少。
比如，基于安全性還有循環(huán)性等多方面因素的考量，動力電池需要盡量維持在較低的電壓（4.2/4.3V）水平，也就是說3C小電池的高電壓策略在動力電池上或許不適合。
目前LG的大型三元材料動力單體電池的能量密度已經(jīng)超過220Wh/Kg的水平。筆者個人認(rèn)為在技術(shù)上仍然有進一步提升的空間,未來單體三元動力電池應(yīng)該可以達(dá)到250Wh/Kg的水平。
但是，要在滿足安全性還有循環(huán)性溫度性能以及成本等多方面要求的前提下再進一步提升常規(guī)液態(tài)鋰離子電池的單體能量密度，在技術(shù)上就非常困難了。電芯成組以后能量密度一般會損失20%左右（TeslaModelS損失高達(dá)45%），也就是說200Wh/Kg有可能是常規(guī)鋰離子動力電池系統(tǒng)的能量密度的一個瓶頸。
