中科院院士孙世刚：现有锂离子电池的能量密度已接近理论极限

尽管蓬勃发展甚至引领世界，我国锂电产业的发展仍需立足技术创新，居安思危。

中国科学院院士、厦门大学教授孙世刚表示，我国锂电产业现有的发展面临着资源、能量、安全、使用环境等四方面重大挑战。

首先是资源的消耗。据孙世刚介绍，目前，生产1KW锂离子电池要使用用0.5kg锂，根据美国地质勘探局最新的调查数据，世界金属锂的储量为1350万吨左右（锂资源储量总计约3950万吨），仅可用100多年。我国锂资源在全球排第六，资源以盐湖为主，锂含量低，镁锂比高，提取难度大，70%的锂依赖进口，而预计到2025年我国锂电产能将达到约3900GWh，预计需要约39万吨锂金属。

其次是现有锂离子电池能量密度已经接近理论极限。“电池的能量密度与电池的原理有关，比如锂离子电池的能量密度跟反应电子束、活性物质的重量和密度都有关系，”孙世刚说，“目前的锂离子电池的能量密度是接近了天花板。”

据了解，目前主流的磷酸铁锂电池的能量密度在200Wh/kg以下，三元锂电池的能量密度在200-300Wh/kg之间。锂离子电池的能量密度远不能满足重大发展的需求，限制了多场景的应用。要提高无人机等装备的航速和航程，都需要大幅度提高电池的能量和功率密度。

值得一提的是，就在上月，美国国家航空航天局（NASA）宣布其研发成功了硫硒纯固态电池，电解质材料利用廉价并易获得的硫，不含液体，电池能量密度达到了500Wh/kg，是目前特斯拉4680圆柱形锂离子电池的约两倍。NASA宣布，该技术未来将在电动飞机上推广。·

孙世刚指出，现有锂离子电池面对的挑战还包括安全事故多发。锂离子电池容易发生电池热失控，通常的原因包括过充诱发电池正极材料产气使得电池胀裂，快充导致电池负极析锂诱发短路，以及快充快速升温从而使电解质液体燃烧。

最后是电池使用环境受限，在低温环境中，锂离子电池的电解液黏度会变大，离子迁移速度变慢，充放电能量急剧衰减。高温状态下，电池正负极界面膜不稳定，导致材料结构破坏，产气易爆。而在深空、深海等应用场景，都需要电池具有更高更宽的温度范围。

因此，针对资源、能量、安全、极端环境的四大挑战，孙世刚表示，从技术创新的角度，需要在材料、界面、传输、系统等四个层面予以解决。

首先提升电池体系的能量密度，包括构建高容量高电压正极，高容量低电压负极。正极材料的选择上，将由钴酸锂到磷酸铁锂，到高镍三元材料，最终往硫、氧元素方向发展。在负极材料的选择上，由现有的石墨，到硅，最终往锂金属发展。不过，使用锂金属负极和高电压正极也会带来安全性的问题。

“以锂金属负极来说，锂的理论比容量很高，能够达到3000mAh/g，但是使用中容易形成锂枝晶刺穿电池隔膜，形成电池短路。而正极的高压高比容量材料不稳定，高电压电极材料结构容易破坏，同时造成电解液分解。

孙世刚说，对于锂金属，不光是基础研究领域，业界也做了很多试验性尝试，例如构筑人工SEI膜，构筑三维结构金属负极，调控锂金属电极和电解液的界面，从而提高电池的循环寿命。“终极目标是加入添加剂，调控材料生长的过程，使它不长成枝晶，但这方面的研发非常难，需要大力发展下去。”而在正极材料方面，则需要通过调控层状正极材料的表面结构，强化锂离子传输过程，从而显著提升锂离子电池的能量密度和功率密度。

而为了进一步地提高电池安全性能，目前的研究还包括强化锂离子电池中的“三传”过程，包括强化锂离子传输通道，维持材料在微观尺度下的结构稳定；强化电子传输通道，维持电极和电池的导电网络；强化电池热传出，抑制电池热失控。

在下一代锂电池的路线上，孙世刚介绍了锂硫电池，锂-空气电池、锂-氟碳电池等技术，而在对下一代非锂电池的展望中，钠离子电池也被孙世刚看好。钠在地球上储量排在第六位，具有与锂相似的化学性质，但由于钠原子半径更大，电化学势比较低，钠离子电池能量密度上与锂离子电池相比有先天劣势。钠离子电池的发展需要在储钠新材料、新型电解液方面有所突破。

“目前一些传统的负极硬碳材料已经实现产业化，正极的层状氧化物、普鲁士蓝材料也进入市场。但钠离子电池要进一步提高性能，降低成本，要能够像锂离子电池一样实现大规模利用。”孙世刚说。

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