科学家们致力于挑战电池能量密度极限全固态或是电池最高“段位”|锂电池_新浪财经

转自：深圳特区报

深圳新闻网2024年10月28日讯（深圳特区报记者闻坤）电池作为现代生活不可或缺的能源载体，其应用范围从日常生活的手电筒、遥控器、计算器、手机、电动玩具等小物件到生命维持的心脏起搏器等重要设备，再到推动交通变革的电动汽车，可谓无处不在。然而，电池容量的局限性一直是制约这些设备性能提升的关键因素。为了突破这一瓶颈，科学家们正致力于挑战电池能量密度的极限，努力研发出更高效能的电池技术。在此背景下，未来的电池技术将如何发展，电动汽车何时实现更长距离的续航？记者就此采访了相关领域的专家，一探究竟。

发展现状

固态电池步入“C位”

“随着科技发展，人们需要更高能量密度和高功率输出的电池，比如为电动车提供动力。”南方科技大学机械与能源工程系助理教授、博士生导师李一举表示，1990年日本索尼公司开发出了以炭材料为负极，以钴酸锂材料为正极的锂离子电池，产生更高的电压，也给消费电子带来革新，这种电池成为便携电子设备的主要电源。

目前，商用锂离子电池的能量密度主要为200-300瓦时/千克，一般分为磷酸铁锂和三元锂电池，根据应用场景不同又分为动力电池和储能电池等。作为动力电池，其循环次数寿命一般要求在1000-2000次。

随着锂资源价格的上涨和对替代储能技术需求的增加，钠离子电池引起了广泛关注。钠电整体性能与锂电接近，能量密度稍逊，但低温、安全和倍率性能相对突出。钠离子电池有望在大规模储能、中低续航里程电动车、工程车等细分市场率先得到推广应用。

由于学界认为锂离子电池已经到达极限，固态电池于近年被视为可以进一步提升锂电池性能。

固态电池技术有望从根本上改进液态锂离子电池在能量密度和安全性能方面的难题。固态电池技术的发展采用逐步颠覆策略，液态电解质含量逐步下降，全固态电池是最终形态。依据电解质分类，锂电池可分为液态、半固态、准固态和全固态四大类，其中半固态、准固态和全固态三种都可称为固态电池。但是，目前固态电池技术成熟度相对不高，现阶段固态电池能量密度可以达到500瓦时/千克,但其具体的应用潜力还有待规模化后进一步进行探索。

面临挑战

需要开发新型电极材料提高能量密度

追求电池能量密度的极限是电池技术领域的一个重要目标，如何提升电池的能量密度？

李一举表示，电池的能量密度从定义上取决于电池的容量和输出电压。那么电池的容量和电压最根本是由电池的具体化学体系所决定，换句话说由电池所使用的正负极材料决定。

从微观尺度来说，需要对电池关键材料：正/负极（活性物质、粘结剂、导电剂等）、电解质、隔膜等进行改性、优化。针对正负极材料，需要开发高容量、长循环的电极材料，提升电池的电化学性能。

电池的能量密度也与电池的外形、成组方式等密切相关，提高电池成组效率以及空间利用率，也可以大幅提高电池包单位体积内的能量密度。

对传统意义上的锂离子电池，目前，国外公开报道的基于嵌入反应正极材料锂电池能量密度最高为加拿大达尔豪斯大学Jeff Dahn教授研究团队研制的无负极软包电池，能量密度达到惊人的575瓦时/千克，或者1414瓦时/升。

“在此基础上想要更进一步提升能量密度存在巨大挑战。”李一举说，一方面，需要开发新型电极材料提高材料储能的能量密度；另一方面，需要采用极限的电池设计，比如增加电极厚度、减少电解液等非活性材料的质量和体积占比等。而这两方面均会导致电池充放电可逆性急剧变差。

未来趋势

未来理想电池柔性智能且“高寿”

目前，全球许多国家都在积极研究和开发提升电池能量密度的关键技术，欧盟、美国、中国和日本也积极推出相应的研究计划和激励措施。

固态电池相较于传统液态电池有望在能量密度方面大幅提升，产业链上的锂电企业及整车企业都积极增加研发投入以布局固态电池技术，目前行业进度处于半固态向全固态发展的阶段。虽然行业内对向固态发展的趋势普遍持有共识，但要想实现全固态电池技术突破，现阶段具有较大的难度，离实现规模应用仍具有一定的距离。从锂电池远期发展来看，寻求电池电化学体系的突破，开发超越传统锂电池化学体系的储能技术有望进一步实现电池能量密度的突破。

“未来理想的新型电池需要满足高安全性、高能量密度、高功率密度、长寿命、柔性和轻量化、环境友好和智能响应等特点。”李一举说，高能量密度和快速充电的电池将使电动汽车、电动飞机、电动船舶等交通工具更具吸引力和实用性。此外，高灵活性和高能量密度使得智能家居设备和建筑材料的电气化变得更加现实。例如，电池可以被嵌入到墙壁中，供电给家庭自动化系统或储存太阳能。

行业翘楚

比亚迪正研发第二代刀片电池系统

实际上，在电池研究领域，我国动力电池技术已达到全球顶尖水平。2023年3月，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心研制了一种基于高容量富锂锰基氧化物正极和超薄金属锂负极的10安时级软包锂二次电池，经第三方测试，首次放电质量能量密度达到711.30瓦时/千克、体积能量密度达到1653.65瓦时/升。

今年4月份，太蓝新能源全球首发了单体容量达120安时、能量密度达720瓦时/千克的车规级超高能量密度全固态电池。

值得一提的是，深圳锂离子电池储能产业在全球居于领先地位，培育了一批大型科技行业龙头企业。比亚迪目前正在研发第二代的刀片电池系统，这种新一代电池系统能量密度将可能达到190瓦时/千克，使得纯电车型的续航有望突破1000公里。

小贴士

世界上第一个电池1799年问世

电池的基本功能是进行能量储存和转换，是一种将化学能转化为电能的装置，可以为各种电子设备提供电力。充电电池还可以反向充电，把电能转化为化学能重新储存起来。

1799年，意大利物理学家伏特把许多锌片与银片之间垫上浸透盐水的绒布或纸片平叠起来，制成了世界上第一个电池——“伏特电堆”。随着锌-铜电池、碳-锌电池、铁-镍电池，再到如今的铅酸电池、锂离子电池等相继问世，电池的性能和容量都在不断发展进步。

电池种类非常多

电池的种类非常之多，结构也不尽相同。以商业化锂离子电池为例，其基本结构分为四部分，即正极、负极、隔膜、电解质。不同的电池体系，其存储电能的机制和能量密度会有所不同，因此应用场景就会有所差异。

比如，常见的铅酸电池，以二氧化铅为正极，铅为负极，硫酸为电解液。虽然能量密度低（30-50瓦时/千克），但安全性高、成本低、高倍率放电性能良好，因此，铅酸电池广泛应用于通信、电力、应急设备以及汽车启动、低速电动车等。

还有一种液流电池，电池由外部的正、负极储液罐和内部的电极等构成。比如钒液流电池的能量密度大概为15-40瓦时/千克，因循环寿命长、安全性高和结构设计灵活等优点，在大规模储能领域具有巨大发展前景。