The Innovation Energy | 挑战电池的高能量密度极限之路
导 读
2023年12月17日，蔚来汽车（NIO）的CEO对他们新发布的ET7车型进行了路试。在冬天寒冷气候下，该车单次充电即实现了从上海到厦门1044公里的续航里程。作为ET7的“能源载体”，固态锂电池的能量密度达360 Wh/kg。该电池是由中国科学院物理研究所、北京卫蓝新能源科技有限公司联合蔚来汽车公司共同研制和生产，电芯的能量密度是目前全球范围内已规模量产锂电池（GWh级）的最高值。其中关键核心技术之一是原位固态化技术。2023年早些时候，中国科学院物理研究所还开发了一种能量密度高达711 Wh/kg的可充放软包锂二次电池，创造了可充放全电池能量密度的最高世界记录，并由第三方权威测试机构认证。
The Innovation Energy | 挑战电池的高能量密度极限之路
原创 Q Li, X Yu TheInnovation创新 2024-02-27 00:02 浙江
图1 随着电池能量密度的提高，其应用范围将逐渐扩展到电动汽车、电动飞机、电动船舶、消费电子、人形机器人和许多其他领域。图中展示了过去30年中可充电实用化软包电池的年最高能量密度。
提高能量密度是电池领域既重要又需长期坚持的目标。能量密度是指电池每单位质量释放的能量尺度。电池能量密度的理论值可以通过热力学方程计算获得：ℇ=ΔG/ma，其中ΔG是氧化还原反应的吉布斯能差，ma是所有活性物质的质量。基于此，数千种可能电池体系的理论能量密度已经被计算出来了。其中，Li|F2电池的能量密度最高，可达6294 Wh/kg。而对实际应用的电池来说，其能量密度是通过实际放电能量除以电池总质量计算得出的。由于电池必须包含电解质、导电添加剂、粘结剂、隔膜、集流体、导电引线和包装材料等非活性物质，因此实际能量密度总是低于理论能量密度。
在国内众多开发高能量密度电池的团队中，中国科学院物理研究所陈立泉院士、李泓研究员团队从事固态电池研究历时40余年，是国内最先将锂离子电池和固态电池产业化的。蔚来ET7应用的能量密度达360 Wh/kg的锂电池主要基于以下几项关键核心技术和材料，包括原位固态化技术、超薄固体电解质包覆的正极材料、固体电解质涂覆隔膜和高容量纳米硅碳复合负极材料等。未来，通过使用高容量的正极和含锂负极材料，结合固态电池技术可以实现生产更高能量密度的锂电池。得益于富锂厚电极、超薄锂负极、超薄集流体和贫电解液等技术组合，中国科学院物理研究所在实验室中成功开发了能量密度高达711 Wh/kg的锂二次电池。
在设计高能量密度的锂电池时，固态电池技术路线是优选技术路径。由于硅基和锂金属负极具有超高比容量（硅为4200 mAh/g；锂为3860 mAh/g）和超低电极电势（锂相对标准氢电极为-3.04 V；硅相对标准氢电极为约-2.64V），因此可以用于开发高能量密度的电池。对于正极材料，有几个潜在体系：插层型、相变型和气体型（F2、O2、Cl2、SOCl2等）。插层型在当前的大部分正极材料中表现出优异的综合性质，例如富锂正极。转化型正极材料在固态电池中显示出巨大潜力，特别是它们兼具元素友好的特性，例如硫和CFx电极。气体型正极是热力学计算中能量密度最高的材料。固态电解质由于可兼容高电压和金属锂，是连接正负极的重要材料。由于固体材料固固接触带来的离子传输问题，短期内原位固态化仍然具有主导优势，长期来看以氧化物聚合物及其复合固态电解质是未来的重要技术路线。尽管能量密度是决定电动飞机等交通工具续航的最重要因素，但在评估电池是否适用于各种应用场景时并不是唯一的要素。锂电池的实际应用往往取决于所有性能中最差的那项性能。
在电池发展的历史中（图1），第一款商业化的锂离子电池于1991年由索尼公司生产，应用于消费电子领域，能量密度约为80 Wh/kg。该电池采用LiCoO2作为正极，石油焦作为负极，LiPF6-PC作为电解液。从那时算起，锂离子电池的商业化已进行了30多年，电池的能量密度每年以约8-9 Wh/kg的速率增加。迄今为止，公开报导的全电池最高能量密度为711 Wh/kg（锂金属电池），而由中国科学院物理所和卫蓝开发的360 Wh/kg固态电池是可规模产量真正走向实际应用的最高值。
总结与展望
未来，电池的能量密度将持续提高，应用场景将不断扩大，例如电动航空和智能装备等。能量密度在实用电池的迭代中是一条主线。当然，实现更高能量密度的路径需要来自全行业科学家、工程师和其他人才的全面和持续的努力。
责任编辑
唐 兴 厦门大学
吴 鹏 苏州科技大学
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原文链接：https://www.the-innovation.org/article/doi/10.59717/j.xinn-energy.2024.100005
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Energy第1卷第1期以News & Buzz发表的“The road towards high-energy-density batteries” (投稿: 2024-01-03；接收: 2024-01-22；在线刊出: 2024-01-27)。
DOI: https://doi.org/10.59717/j.xinn-energy.2024.100005
引用格式：Li Q., Yu X., Li H., et al., (2024). The road towards high-energy-density batteries. The Innovation Energy 1(1), 100005.
作者简介
陈立泉，中国工程院院士, 中国科学院物理研究所研究员, 博士生导师。1964毕业于中国科学技术大学物理系。1976年去德国马普协会固体所进修，合作研究固体锂电池电解质。1978年回国后继续从事固体离子学及其在能源中的应用研究工作。1986年开始，曾主持物理所高温超导材料研究。曾荣获国家自然科学一等奖和国家有突出贡献中青年专家称号。发表论文200余篇，申报发明专利10余项。对锂离子电池研究和产业化以及对液氮温区高温超导材料的发现都作出了重要贡献。主要研究方向为：1. 纳米离子学；2. 新能源材料及其应用；3. 固体电解质和全固态锂电池研究。
李 泓，博士生导师，现为中国科学院物理研究所研究员，科技部先进能源领域储能领域主题专家，工信部智能电网技术与装备重点专项项目责任专家，国家新能源汽车创新中心技术专家。国家杰出青年科学基金获得者。国家重点研发计划新能源汽车试点专项动力电池项目，北京市科委固态电池重点项目，国家自然科学基金委固态电池重点项目负责人。1992年毕业于兰州大学化学系，1995年中国科学院长春应用化学研究所获硕士学位，1999年中国科学院物理研究所获博士学位。1999年留所工作至今。2001-2003年在德国斯图加特马普固体研究所做博士后研究工作。主要技术已转移转化至北京卫蓝新能源科技有限公司、溧阳天目先导电池材料科技有限公司、中科海钠科技有限公司、天目湖先进储能技术研究院有限公司，长三角物理研究中心有限公司。
禹习谦，中国科学院物理研究所研究员，博士生导师，2001年至2005年在武汉大学物理科学与技术学院学习，2005年至2010年在中国科学院物理研究所硕博连读。2010年至2013年在美国Brookhaven国家实验室从事博士后研究，2013年至2016年4月为Brookhaven国家实验室助理研究员，2016年4月加入中国科学院物理研究所工作至今。2018年获国家自然科学基金委优秀青年科学基金项目资助，2023年获国家自然科学基金委杰出青年科学基金项目资助。
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The Innovation 简介
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The Innovation是一本由青年科学家与Cell Press于2020年共同创办的综合性英文学术期刊：向科学界展示鼓舞人心的跨学科发现，鼓励研究人员专注于科学的本质和自由探索的初心。作者来自全球57个国家；已被139个国家作者引用；每期1/5-1/3通讯作者来自海外。目前有196位编委会成员，来自21个国家；50%编委来自海外(含39位各国院士)；领域覆盖全部自然科学。The Innovation已被DOAJ，ADS，Scopus，PubMed，ESCI，INSPEC，EI，中科院分区表(1区)等收录。2022年影响因子为33.1，CiteScore为23.6。秉承“好文章，多宣传”理念，The Innovation在海内外各平台推广作者文章。
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