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 盡管蓬勃發(fā)展甚至引領(lǐng)世界，我國(guó)鋰電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍需立足技術(shù)創(chuàng)新，居安思危。


11月9日，在中國(guó)(遂寧)國(guó)際鋰電產(chǎn)業(yè)大會(huì)暨新能源汽車及動(dòng)力電池國(guó)際交流會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士、廈門大學(xué)教授孫世剛表示，我國(guó)鋰電產(chǎn)業(yè)現(xiàn)有的發(fā)展面臨著資源、能量、安全、使用環(huán)境等四方面重大挑戰(zhàn)。

首先是資源的消耗。據(jù)孫世剛介紹，目前，生產(chǎn)1KW鋰離子電池要使用0.5kg鋰，根據(jù)美國(guó)地質(zhì)勘探局最新的調(diào)查數(shù)據(jù)，世界金屬鋰的儲(chǔ)量為1350萬(wàn)噸左右（鋰資源儲(chǔ)量總計(jì)約3950萬(wàn)噸），僅可用100多年。我國(guó)鋰資源在全球排第六，資源以鹽湖為主，鋰含量低，鎂鋰比高，提取難度大，70%的鋰依賴進(jìn)口，而預(yù)計(jì)到2025年我國(guó)鋰電產(chǎn)能將達(dá)到約3900GWh，預(yù)計(jì)需要約39萬(wàn)噸鋰金屬。

其次是現(xiàn)有鋰離子電池能量密度已經(jīng)接近理論極限。“電池的能量密度與電池的原理有關(guān)，比如鋰離子電池的能量密度跟反應(yīng)電子束、活性物質(zhì)的重量和密度都有關(guān)系，”孫世剛說(shuō)，“目前的鋰離子電池的能量密度是接近了天花板。”

據(jù)了解，目前主流的磷酸鐵鋰電池的能量密度在200Wh/kg以下，三元鋰電池的能量密度在200-300Wh/kg之間。鋰離子電池的能量密度遠(yuǎn)不能滿足重大發(fā)展的需求，限制了多場(chǎng)景的應(yīng)用。要提高無(wú)人機(jī)等裝備的航速和航程，都需要大幅度提高電池的能量和功率密度。

值得一提的是，就在上月，美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）宣布其研發(fā)成功了硫硒純固態(tài)電池，電解質(zhì)材料利用廉價(jià)并易獲得的硫，不含液體，電池能量密度達(dá)到了500Wh/kg，是目前特斯拉4680圓柱形鋰離子電池的約兩倍。NASA宣布，該技術(shù)未來(lái)將在電動(dòng)飛機(jī)上推廣。 ·

孫世剛指出，現(xiàn)有鋰離子電池面對(duì)的挑戰(zhàn)還包括安全事故多發(fā)。鋰離子電池容易發(fā)生電池?zé)崾Э?，通常的原因包括過(guò)充誘發(fā)電池正極材料產(chǎn)氣使得電池脹裂，快充導(dǎo)致電池負(fù)極析鋰誘發(fā)短路，以及快充快速升溫從而使電解質(zhì)液體燃燒。

最后是電池使用環(huán)境受限，在低溫環(huán)境中，鋰離子電池的電解液黏度會(huì)變大，離子遷移速度變慢，充放電能量急劇衰減。高溫狀態(tài)下，電池正負(fù)極界面膜不穩(wěn)定，導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)破壞，產(chǎn)氣易爆。而在深空、深海等應(yīng)用場(chǎng)景，都需要電池具有更高更寬的溫度范圍。

因此，針對(duì)資源、能量、安全、極端環(huán)境的四大挑戰(zhàn)，孫世剛表示，從技術(shù)創(chuàng)新的角度，需要在材料、界面、傳輸、系統(tǒng)等四個(gè)層面予以解決。

首先提升電池體系的能量密度，包括構(gòu)建高容量高電壓正極，高容量低電壓負(fù)極。正極材料的選擇上，將由鈷酸鋰到磷酸鐵鋰，到高鎳三元材料，最終往硫、氧元素方向發(fā)展。在負(fù)極材料的選擇上，由現(xiàn)有的石墨，到硅，最終往鋰金屬發(fā)展。不過(guò)，使用鋰金屬負(fù)極和高電壓正極也會(huì)帶來(lái)安全性的問(wèn)題。

“以鋰金屬負(fù)極來(lái)說(shuō)，鋰的理論比容量很高，能夠達(dá)到3000mAh/g，但是使用中容易形成鋰枝晶刺穿電池隔膜，形成電池短路。而正極的高壓高比容量材料不穩(wěn)定，高電壓電極材料結(jié)構(gòu)容易破壞，同時(shí)造成電解液分解。

孫世剛說(shuō)，對(duì)于鋰金屬，不光是基礎(chǔ)研究領(lǐng)域，業(yè)界也做了很多試驗(yàn)性嘗試，例如構(gòu)筑人工SEI膜，構(gòu)筑三維結(jié)構(gòu)金屬負(fù)極，調(diào)控鋰金屬電極和電解液的界面，從而提高電池的循環(huán)壽命。“終極目標(biāo)是加入添加劑，調(diào)控材料生長(zhǎng)的過(guò)程，使它不長(zhǎng)成枝晶，但這方面的研發(fā)非常難，需要大力發(fā)展下去。”而在正極材料方面，則需要通過(guò)調(diào)控層狀正極材料的表面結(jié)構(gòu)，強(qiáng)化鋰離子傳輸過(guò)程，從而顯著提升鋰離子電池的能量密度和功率密度。

而為了進(jìn)一步地提高電池安全性能，目前的研究還包括強(qiáng)化鋰離子電池中的“三傳”過(guò)程，包括強(qiáng)化鋰離子傳輸通道，維持材料在微觀尺度下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定；強(qiáng)化電子傳輸通道，維持電極和電池的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)；強(qiáng)化電池?zé)醾鞒?，抑制電池?zé)崾Э亍?br />
在下一代鋰電池的路線上，孫世剛介紹了鋰硫電池，鋰-空氣電池、鋰-氟碳電池等技術(shù)，而在對(duì)下一代非鋰電池的展望中，鈉離子電池也被孫世剛看好。鈉在地球上儲(chǔ)量排在第六位，具有與鋰相似的化學(xué)性質(zhì)，但由于鈉原子半徑更大，電化學(xué)勢(shì)比較低，鈉離子電池能量密度上與鋰離子電池相比有先天劣勢(shì)。鈉離子電池的發(fā)展需要在儲(chǔ)鈉新材料、新型電解液方面有所突破。

“目前一些傳統(tǒng)的負(fù)極硬碳材料已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，正極的層狀氧化物、普魯士藍(lán)材料也進(jìn)入市場(chǎng)。但鈉離子電池要進(jìn)一步提高性能，降低成本，要能夠像鋰離子電池一樣實(shí)現(xiàn)大規(guī)模利用。”孫世剛說(shuō)。

原標(biāo)題：中科院院士孫世剛：現(xiàn)有鋰離子電池的能量密度已接近理論極限