近年來，由于新能源汽車的快速發(fā)展，匹配動(dòng)力電池技術(shù)取得了新的突破，電池的能量密度與幾年前相比有了很大的提高。然而，一些專家最近為鋰離子百強(qiáng)等中國電池公司敲響了警鐘，稱現(xiàn)有鋰離子電池的能量密度已接近理論極限。

近日，在新能源汽車與動(dòng)力電池國際交流會(huì)上，專家表示，當(dāng)前中國鋰電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨資源、能源、安全、使用環(huán)境四個(gè)方面的重大挑戰(zhàn)。

 

鋰離子電池發(fā)展面臨的四大挑戰(zhàn)

 

資源消耗

據(jù)專家介紹，目前生產(chǎn)1KW鋰離子電池需要0.5公斤鋰。根據(jù)最新調(diào)查數(shù)據(jù)，全球金屬鋰儲(chǔ)量約1350萬噸（鋰資源總儲(chǔ)量約3950萬噸），只能使用100多年。中國鋰資源量居世界第六位。資源主要是鹽湖。

鋰含量低，鎂與鋰的比例高，并且難以提取。70%的鋰依賴進(jìn)口。預(yù)計(jì)到2025年，中國鋰電池產(chǎn)能將達(dá)到約3900GWh，預(yù)計(jì)需要約39萬噸金屬鋰。

 

鋰離子電池能量密度已接近理論極限

電池的能量密度與電池的原理有關(guān)。例如，鋰離子電池的能量密度與活性電子束、活性材料的重量和密度有關(guān)。專家表示，目前鋰離子電池的能量密度已接近極限。

據(jù)了解，目前主流磷酸鐵鋰電池的能量密度在200Wh/kg以下，三元鋰電池的能源密度在200-300Wh/kg之間。鋰離子電池的能量密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足重大發(fā)展的需求，限制了其在多個(gè)場(chǎng)景中的應(yīng)用。為了提高無人機(jī)電池等設(shè)備的速度和射程，有必要大幅提高電池的能量和功率密度。

 

 

值得一提的是，就在上個(gè)月，美國國家航空航天局宣布已成功開發(fā)出硫和硒的純固態(tài)電池。電解質(zhì)材料使用廉價(jià)易得的硫，不含液體，電池能量密度達(dá)到500Wh/kg。這大約是目前特斯拉4680圓柱形鋰離子電池的兩倍大。美國國家航空航天局宣布，這項(xiàng)技術(shù)將在未來推廣到電動(dòng)飛機(jī)上。

 

鋰離子電池安全事故頻發(fā)

鋰離子電池容易發(fā)生電池?zé)崾Э?。通常的原因包括在電池的正極材料中產(chǎn)生過充電引起的氣體以引起膨脹的電池，快速充電引起電池陽極中的鋰沉淀以引起短路，以及快速充電迅速加熱電解質(zhì)液體以燃燒。

 

電池使用環(huán)境有限

在低溫環(huán)境下，鋰離子電池電解質(zhì)的粘度會(huì)增加，離子遷移速度會(huì)變慢，充放電能量會(huì)急劇下降。在高溫條件下，電池的正負(fù)界面膜不穩(wěn)定，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)生氣體并發(fā)生爆炸。在深空、深海等應(yīng)用場(chǎng)景中，要求電池具有更高、更寬的溫度范圍。

 

鋰電池技術(shù)如何創(chuàng)新

因此，針對(duì)資源、能源、安全和極端環(huán)境四大挑戰(zhàn)，專家表示，從技術(shù)創(chuàng)新的角度來看，需要從材料、接口、傳輸和系統(tǒng)四個(gè)層面加以解決。

 

材料

首先，提高電池系統(tǒng)的能量密度，包括建造大容量高壓電池陰極和大容量低壓陽極。在陰極材料的選擇上，將從鈷酸鋰到磷酸鐵鋰，再到高鎳三元材料，最后再到硫和氧元素的方向。在陽極材料的選擇上，從現(xiàn)有的石墨，到硅，最后到鋰金屬。然而，鋰金屬負(fù)極和高壓正極的使用也帶來了安全問題。

 

 

對(duì)于鋰金屬負(fù)極來說，鋰的理論比容量非常高，可以達(dá)到3000mAh/g，但在使用中很容易形成鋰枝晶，刺穿電池隔膜，形成電池短路。然而，正極的高電壓和高比容量材料是不穩(wěn)定的，并且高電壓電極材料的結(jié)構(gòu)容易損壞，同時(shí)電解質(zhì)分解。

 

接口

專家表示，對(duì)于鋰金屬來說，這不僅僅是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，業(yè)界也進(jìn)行了許多實(shí)驗(yàn)嘗試，如構(gòu)建人工SEI膜、構(gòu)建三維結(jié)構(gòu)的金屬負(fù)極、調(diào)節(jié)鋰金屬電極與電解質(zhì)的界面，從而提高電池的循環(huán)壽命。

最終目標(biāo)是添加添加劑來控制材料的生長過程，使其不會(huì)生長成枝晶，但這方面的研發(fā)非常困難，需要大力發(fā)展。在正極材料方面，有必要調(diào)整層狀正極材料的表面結(jié)構(gòu)，以加強(qiáng)鋰離子的傳輸過程，從而顯著提高鋰離子電池的能量密度和功率密度。

 

轉(zhuǎn)移

為了進(jìn)一步提高電池的安全性能，目前的研究還包括加強(qiáng)鋰離子電池中的“三轉(zhuǎn)移”過程。它包括加強(qiáng)鋰離子傳輸通道，并在微觀尺度上保持材料的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。加強(qiáng)電子傳輸通道并保持電極和電池的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)。加強(qiáng)電池的熱傳遞，抑制電池的熱失控。

 

 

系統(tǒng)

在下一代鋰電池的路線上，專家們介紹了鋰硫電池、鋰空氣電池、氟碳鋰電池等技術(shù)。在對(duì)下一代非鋰電池的展望中，鈉離子電池也受到專家的青睞。鈉在地球儲(chǔ)量中排名第六，化學(xué)性質(zhì)與鋰相似。然而，由于鈉的原子半徑較大，電化學(xué)電勢(shì)較低，鈉離子電池在能量密度方面與鋰離子電池相比具有固有的缺點(diǎn)。

鈉離子電池的發(fā)展需要在鈉存儲(chǔ)新材料和新電解質(zhì)方面取得突破。目前，一些傳統(tǒng)的負(fù)極硬碳材料已經(jīng)產(chǎn)業(yè)化，正極層狀氧化物和普魯士藍(lán)材料也已進(jìn)入市場(chǎng)。但鈉離子電池需要進(jìn)一步提高性能，降低成本，并能夠像鋰離子電池一樣實(shí)現(xiàn)大規(guī)模利用。