提升電池能量密度原來這么難

李文慧

只有當出現新的材料體系時，

才可能實現電池能量密度的飛躍。

隨著近幾年新能源汽車財政補貼的不斷退坡，以及更激烈的行業競爭，更大的續航里程、更高的動力電池系統能量密度，成為了新能源汽車生產不得不關注的技術焦點和難點。

然而事實上，電動車的續航里程還與整車能量密度成正比，整車能量密度越大，續航里程就越長，因此，提升動力電池的能量密度就成為了新能源汽車發展的重中之重。

能量密度是指在單位一定的空間或質量物質中儲存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質量所釋放出的電能。電池的能量密度越大，單位體積或重量內存儲的電量越多。

公開發表的最新研究資料顯示，我國動力電池的能量密度正在不斷提升，高電池能量密度的車型在不斷增加。

在純電動乘用車領域，2014年動力電池能量密度平均為90.61Wh/kg，2019年為145.87Wh/kg，6年間的平均年增量為11.6Wh/kg。專家分析稱，以此增長速率預測，到2022年，電池能量密度將達到180Wh/kg，電動汽車的性能將會更加出色。

除了動力電池系統能量密度，單體電芯能量密度也是評價標準之一。單體電芯能量密度，顧名思義是單個電芯級別的能量密度。有業內專家表示，2025年，電池能量密度將達到400Wh/kg;2030年，電池能量密度達到500Wh/kg。

2025馬上到來，2030就在眼前，如何提升動力電池能量密度就顯得格外重要。

更“強勢”的電極材料

中國科學院專家的一份研究報告顯示，動力電池是利用材料的氧化還原反應來儲能和釋放能量，因此其能量密度的理論極限由發生氧化還原反應的活性材料決定，取決于反應過程中單位活性材料能夠提供的電子數量以及材料的氧化還原電壓。當電池的材料體系確定時，電池的理論能量密度就已確定。例如，以石墨類碳材料為負極材料，過渡金屬鋰氧化物為正極材料計算，傳統鋰離子電池的理論極限約為300 Wh/kg。只有當出現新的材料體系時，才可能實現電池能量密度的飛躍。

對同一個材料體系，通過電池設計和工藝改進提高活性物質的含量，也可以提高電池的實際能量密度，使其向理論能量密度靠近。

不過，一般這種能量增長速度是比較慢的（每年3%～5%），比如鉛酸電池，距離法國人普蘭特1859年發明鉛酸蓄電池已經有150年的今天，其能量密度才從最初的25Wh/kg發展到現在的

50 Wh/kg。

專家認為，從材料的角度提高動力電池的能量密度，需要使用具有更高比容量或氧化還原反應電勢（負極電勢更負，正極電勢更正）的電極材料。目前正極材料的克容量低于負極，結構可設計性強，提高反應電勢的空間也比較大，因此未來發展高能量密度正極可同時從提高容量和提高電壓兩方面著手。負極方面，鋰負極的氧化還原反應電位已經是所有元素中最低的，大部分負極材料的嵌鋰電位也都較低，負極電位的可調控空間較小，因此負極方面需要解決的主要問題是高容量的問題。

從目前發展的態勢來看，短期和中期內比較有應用前景的高能量密度正極材料主要是高鎳三元材料和富鋰錳基材料，以及具有高反應電勢的5 V尖晶石鎳錳酸鋰材料和5 V磷酸鹽材料系列。而中長期目標將是具有極高容量的硫正極和氧氣正極。

電解液狀態改變循環效率

研究報告顯示，除了改變電池材料體系，使用固態電解質代替液態電解液可以很大程度上抑制電極的界面反應，提高電池的循環效率，同時固態電解質也比可燃的液態電解液更加安全，因此固態技術可以同時提升電池的能量密度和安全性。

固態電解質主要有無機物、聚合物和無機/聚合物復合三大類，經過研究者的不懈努力，目前已經有電導率超過10-2S/cm 的硫基電解質被報道，與液態電解液的電導率相當。

固態電池目前也存在巨大的技術瓶頸：一是固態電解質的離子電導率通常比液態電解質低2個數量級，開發出電導率接近液態電解液且加工性能良好的固態電解質是巨大的難題;二是固態電池中的固-固接觸界面有很大的鋰離子傳導阻抗，尤其是固態電極材料內部的鋰離子傳輸網絡的構建具有挑戰性。發展固態電池技術的主要工作就是開發高電導率的固態電解質材料，構建良好的電解質和電極固-固界面及正極內部的離子導電網絡。

由于客觀原因，短時間內固態電池技術估計難以取得較大的突破，因此，在正極和界面加入少量電解液，而負極側使用鋰金屬與固態電解質接觸的半固態電池可能會是通往全固態電池道路上的一個過渡技術。

提升動力電池能量密度是一條道阻且長的路，然而車企在發展過程中依舊不能放松對安全性的考量。

性能決定了車企能走多快，安全性決定了企業能走多遠。盡管電池能量密度如此重要，但電池的安全性依舊是企業和政府首先要考慮的事情。