鉅大LARGE | 點擊量：4747次 | 2018年05月27日
鋰電池的能量密度是否還有進一步提升的空間？
當前，純電動汽車大規(guī)模產業(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所能存儲的電能決定的，因此動力系統的能量密度就成了制約電動車續(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的重量與現有普通家庭轎車的動力總成(Powertrain)相差不大的情況下，動力電池系統的能量密度要達到250Wh/Kg的水平，也就是說單體電芯的能量密度要達到300Wh/Kg。
那么目前的鋰電體系，在滿足安全性、循環(huán)性和其它技術指標的前提下，其能量密度能否達到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極材料比容量和工作電壓進行估算。這里，筆者暫且拋開復雜的電化學和結構化學的概念，做些通俗易懂的分析。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
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極極低的電極電勢基礎之上，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極材料的比容量。因為負極工作電壓已經沒有降低的可能，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的實際容量可以達到250mAh/g以上，已經很接近層狀過渡金屬氧化物正極的理論容量。
Si/C復合負極材料以及硅基合金負極材料的比容量已經達到600-800mAh/g，這個容量范圍幾乎是其實用化（保證適當循環(huán)性并抑制體積變化）的極限。如果OLO和硅基高容量負極搭配，其能量密度大約在350Wh/Kg左右的水平。
筆者這里要強調的是對3C小電池而言，體積能量密度比質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用價值。
隨著更高電壓LCO技術和更高鎳含量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復合負極或者合金負極材料，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，那么就必須打破現在的嵌入反應機理的束縛,跟其它常規(guī)化學電源一樣采用異相氧化還原機理，也就是采用金屬鋰做負極。但是鋰枝晶容易導致短路以及高活性枝晶與液體有機電解液的強烈反應，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，基于嵌入反應的鋰離子電池其實是不得已的折衷辦法！
近兩年，國際上關于金屬鋰負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沒有多少提高的余地，電解質無助于能量密度的提升，那么剩下的也就只能從負極這塊著手了，使用金屬鋰負極的電池自然是“終極鋰電池”。
理論上，采用無機固體電解質、聚合物電解質或者液態(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上會面臨諸多技術困難。正如筆者在安全性章節(jié)里討論過的，以金屬鋰做負極的“終極鋰電池”能否實現，安全性問題將是第一決定性因素。
筆者個人認為，基于無機固體電解質的全固態(tài)鋰離子電池（All-solid-stateLi-ionbattery）才有可能讓金屬鋰負極的實際應用成為可能。日本Toyota（豐田汽車）是國際上全固態(tài)電池的領頭羊，目前其發(fā)展出的原型電池在技術水平上遙遙領先其它企業(yè)和科研機構，而Toyota在該領域已經有近20年的研發(fā)積累。
但是大型動力電池由于諸多技術指標的嚴格限制，在電極材料的選擇、體系搭配、極片工藝和電芯結構設計等方面跟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超過220Wh/Kg的水平。筆者個人認為在技術上仍然有進一步提升的空間,未來單體三元動力電池應該可以達到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45%），也就是說200Wh/Kg有可能是常規(guī)鋰離子動力電池系統的能量密度的一個瓶頸。
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