中科院院士孫世剛：現有鋰離子電池的能量密度已接近理論極限

盡管蓬勃發(fā)展甚至引領世界，我國鋰電產業(yè)的發(fā)展仍需立足技術創(chuàng)新，居安思危。

中國科學院院士、廈門大學教授孫世剛表示，我國鋰電產業(yè)現有的發(fā)展面臨著資源、能量、安全、使用環(huán)境等四方面重大挑戰(zhàn)。

首先是資源的消耗。據孫世剛介紹，目前，生產1KW鋰離子電池要使用用0.5kg鋰，根據美國地質勘探局最新的調查數據，世界金屬鋰的儲量為1350萬噸左右（鋰資源儲量總計約3950萬噸），僅可用100多年。我國鋰資源在全球排第六，資源以鹽湖為主，鋰含量低，鎂鋰比高，提取難度大，70%的鋰依賴進口，而預計到2025年我國鋰電產能將達到約3900GWh，預計需要約39萬噸鋰金屬。

其次是現有鋰離子電池能量密度已經接近理論極限?！半姵氐哪芰棵芏扰c電池的原理有關，比如鋰離子電池的能量密度跟反應電子束、活性物質的重量和密度都有關系，”孫世剛說，“目前的鋰離子電池的能量密度是接近了天花板?！?/p>

據了解，目前主流的磷酸鐵鋰電池的能量密度在200Wh/kg以下，三元鋰電池的能量密度在200-300Wh/kg之間。鋰離子電池的能量密度遠不能滿足重大發(fā)展的需求，限制了多場景的應用。要提高無人機等裝備的航速和航程，都需要大幅度提高電池的能量和功率密度。

值得一提的是，就在上月，美國國家航空航天局（NASA）宣布其研發(fā)成功了硫硒純固態(tài)電池，電解質材料利用廉價并易獲得的硫，不含液體，電池能量密度達到了500Wh/kg，是目前特斯拉4680圓柱形鋰離子電池的約兩倍。NASA宣布，該技術未來將在電動飛機上推廣?！?/p>

孫世剛指出，現有鋰離子電池面對的挑戰(zhàn)還包括安全事故多發(fā)。鋰離子電池容易發(fā)生電池熱失控，通常的原因包括過充誘發(fā)電池正極材料產氣使得電池脹裂，快充導致電池負極析鋰誘發(fā)短路，以及快充快速升溫從而使電解質液體燃燒。

最后是電池使用環(huán)境受限，在低溫環(huán)境中，鋰離子電池的電解液黏度會變大，離子遷移速度變慢，充放電能量急劇衰減。高溫狀態(tài)下，電池正負極界面膜不穩(wěn)定，導致材料結構破壞，產氣易爆。而在深空、深海等應用場景，都需要電池具有更高更寬的溫度范圍。

因此，針對資源、能量、安全、極端環(huán)境的四大挑戰(zhàn)，孫世剛表示，從技術創(chuàng)新的角度，需要在材料、界面、傳輸、系統(tǒng)等四個層面予以解決。

首先提升電池體系的能量密度，包括構建高容量高電壓正極，高容量低電壓負極。正極材料的選擇上，將由鈷酸鋰到磷酸鐵鋰，到高鎳三元材料，最終往硫、氧元素方向發(fā)展。在負極材料的選擇上，由現有的石墨，到硅，最終往鋰金屬發(fā)展。不過，使用鋰金屬負極和高電壓正極也會帶來安全性的問題。

“以鋰金屬負極來說，鋰的理論比容量很高，能夠達到3000mAh/g，但是使用中容易形成鋰枝晶刺穿電池隔膜，形成電池短路。而正極的高壓高比容量材料不穩(wěn)定，高電壓電極材料結構容易破壞，同時造成電解液分解。

孫世剛說，對于鋰金屬，不光是基礎研究領域，業(yè)界也做了很多試驗性嘗試，例如構筑人工SEI膜，構筑三維結構金屬負極，調控鋰金屬電極和電解液的界面，從而提高電池的循環(huán)壽命?！敖K極目標是加入添加劑，調控材料生長的過程，使它不長成枝晶，但這方面的研發(fā)非常難，需要大力發(fā)展下去。”而在正極材料方面，則需要通過調控層狀正極材料的表面結構，強化鋰離子傳輸過程，從而顯著提升鋰離子電池的能量密度和功率密度。

而為了進一步地提高電池安全性能，目前的研究還包括強化鋰離子電池中的“三傳”過程，包括強化鋰離子傳輸通道，維持材料在微觀尺度下的結構穩(wěn)定；強化電子傳輸通道，維持電極和電池的導電網絡；強化電池熱傳出，抑制電池熱失控。

在下一代鋰電池的路線上，孫世剛介紹了鋰硫電池，鋰-空氣電池、鋰-氟碳電池等技術，而在對下一代非鋰電池的展望中，鈉離子電池也被孫世剛看好。鈉在地球上儲量排在第六位，具有與鋰相似的化學性質，但由于鈉原子半徑更大，電化學勢比較低，鈉離子電池能量密度上與鋰離子電池相比有先天劣勢。鈉離子電池的發(fā)展需要在儲鈉新材料、新型電解液方面有所突破。

“目前一些傳統(tǒng)的負極硬碳材料已經實現產業(yè)化，正極的層狀氧化物、普魯士藍材料也進入市場。但鈉離子電池要進一步提高性能，降低成本，要能夠像鋰離子電池一樣實現大規(guī)模利用?！睂O世剛說。

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