下一代锂电池先进技术的研究进展怎么样了？针对电池能量密度的考量

动力电池是电动汽车驱动能量的来源，直接关系到电动汽车的续航里程、安全性等问题，是发展电动汽车所需关注的核心部件之一。在1991年由日本索尼公司将其商业化之后，锂电池凭借其性能优势迅速在消费类电子产品、电动工具、电动汽车、国防等领域得到应用。锂电池领域的巨大发展前景吸引了世界各国的广泛关注。美国、日本、欧洲以及中国等分别在锂电池领域布局了相关研发计划及项目，旨在发展锂电池，占领锂电池技术制高点，发展更高性能的锂电池就成为了行业不断追求的目标。

自1991年动力电池商业化开始，经过 20 多年的努力，目前高能量密度锂电池的能量密度从 90 Wh/kg 提高至 250 Wh/kg，电池能量密度每年提升 7% 左右。2015 年，中国政府在《中国制造 2025》中，将“节能与新能源汽车”作为重点发展领域，建议加速开发下一代锂离子动力电池和新体系动力电池，并提出了动力电池单体能量密度中期达 300 Wh/kg，远期达 400 Wh/kg 的目标。

为了发展纯电动汽车，期望电池能量密度最终达到 500 Wh/kg 以上。按照过去电池能量密度平均每年提升约7%的速度，2060 年左右才能达到此目标，显然需要加快研发新的变革性储能技术。通过理论计算，存在着一些化学储能体系，其理论能量密度将远高于现有成熟体系，如锂硫电池与锂空气电池。这两种电池体系都已经历了较长的研究历史，但是循环性较差的问题一直比较突出。虽然通过电极结构设计、电解液材料的发展等，电池性能方面已取得了长足的进步，然而和锂电池从材料到电芯的产业化技术成熟度相比，这两种新电池体系离商业化应用还存在较大的距离，需要长期的研发，这也是未来储能电池研究竞争的焦点之一。

安全性是电池使用过程最重要也是最被关心的问题，当前市场上的高质量手机电池的安全问题基本得到了保障，然而汽车动力电池是将多个单体电池组合后使用，像如特斯拉电动车的电池数为7 000 节以上，其安全系数也将相应下降，动力电池一旦出现热失控，造成的破坏力巨大，这已经有多起惨痛的教训。发展极高安全性的动力锂电池是动力电池大规模应用的先决条件。中科院研究员李泓认为，含液体电解质的锂电池中放热反应涉及电解液在正极的氧化反应、在负极的还原反应、正极与负极的热分解、电解液热分解、内部微短路以及锂析出导致的化学反应等。对于不同材料体系，这些反应的发生条件、放热量、放热速率也不一样，同时还与非活性材料的散热能力、稳定性有关。电池安全性可以通过智能电源管理与保护电路来提高，但由于导致安全性的因素来自电芯内部，因此从材料特别是电解质入手是根本的解决之道。

“长续航动力锂电池”项目依托于中科院“变革性纳米产业制造技术聚焦”战略性纳米先导科技专项。旨在研发高能量密度、高安全性锂电池以提高电动汽车续航里程，为下一代金属锂电池提供技术突破。在此基础上，项目组还布局针对 2020 年应用需求的下一代高能量密度高安全性金属锂电池，此类电池的共同特点在于采用能量密度更高的金属锂作为负极，分别设置了锂硫电池、锂空气电池及固态电池等研究内容，有望将电池模块能量密度提升至 300 Wh/kg，兼具高安全性、长寿命、低自放电特性。此外，针对锂电池在使用过程中的劣化失效问题，建设面向用户的惰性气氛互联互通分析测试平台和真空互联平台，以满足动力电池研发、制造、服役过程中的原位、非原位全分析，提供高效与失效诊断分析。

研发高能量密度动力电池，保证电池安全性，提高电动汽车续航里程在未来很长时间内将是行业研究的热点。目前国家已经颁布了“十三五”规划指南，部署了一系列锂电池相关的科研项目，这对于科研工作人员来说无疑带来了莫大的机遇，对于锂电技术的发展图景，让我们拭目以待。