發(fā)布時間：2023年3月24日
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鋰離子電池是能量密度高、綜合性能最好的電化學(xué)儲能體系，提升能量密度是鋰電池研發(fā)的主要目標(biāo)，中國、美國、歐洲和日韓等國家都將開發(fā)400-600Wh/kg鋰電池作為鋰電池發(fā)展的中長期規(guī)劃。自1991年索尼公司首次實現(xiàn)鋰離子電池商業(yè)應(yīng)用以來，商業(yè)化的鋰離子電池技術(shù)能量密度從90 Wh/kg提升到目前的360 Wh/kg（北京衛(wèi)藍(lán)新能源），已廣泛應(yīng)用于消費電子和電動汽車等領(lǐng)域。從實用化的角度，進(jìn)一步提升鋰電池能量密度需要采用新電極材料和電池設(shè)計來平衡能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、安全性等綜合性能，仍有諸多材料基礎(chǔ)科學(xué)問題和工程技術(shù)問題需要解決。與此同時，就能量密度單一指標(biāo)而言，研究人員也在持續(xù)不斷進(jìn)行研發(fā)，挑戰(zhàn)鋰電池的設(shè)計極限。目前，公開報導(dǎo)的基于嵌入反應(yīng)正極材料鋰電池（傳統(tǒng)意義上的鋰離子電池）能量密度最高為Jeff Dahn教授研究團隊研制的無負(fù)極軟包電池（575 Wh/kg, 1414 Wh/L，J. Electrochem. Soc., 2020, 167, 080514）。在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步提升能量密度存在巨大挑戰(zhàn)。一方面，需要開發(fā)新型電極材料提高材料儲能的能量密度；另一方面，需要采用極限的電池設(shè)計，比如增加電極厚度、減少電解液等非活性材料的質(zhì)量和體積占比等。這兩方面均會導(dǎo)致電池充放電可逆性急劇變差，直至不能放電（非二次電池）。
最近，中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心HE01組李泉博士、博士研究生楊旸在李泓研究員和禹習(xí)謙研究員的指導(dǎo)下，研制了一種基于高容量富鋰錳基氧化物正極和超薄金屬鋰負(fù)極的具有超高質(zhì)量比能量密度和體積比能量密度的10Ah級軟包鋰二次電池，經(jīng)中國北方車輛研究所（201所）北方汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗鑒定試驗所的第三方測試，首次放電質(zhì)量能量密度達(dá)到711.30 Wh/kg、體積能量密度達(dá)到1653.65 Wh/L。研究人員通過拓寬富鋰錳基氧化物的充放電電位獲得更高材料儲鋰容量、采用隔膜涂層技術(shù)解決超薄鋰大面容量沉積可逆性、并探索厚電極、貧電解液、超薄集流體的匹配性應(yīng)用等綜合策略，最終實現(xiàn)了超高能量密度電池的可逆充放電。該數(shù)據(jù)為目前已公開報道的鋰二次電池的能量密度最高值。
超高比能量密度電池技術(shù)的研制將為我國在高空、深空等特殊應(yīng)用場景和未來電動航空領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茈娫醇夹g(shù)的迫切需求提供可能的解決方案。但值得指出的事，仍需大量的研發(fā)工作解決電池安全、壽命等諸多問題，超高比能電池技術(shù)距離實際應(yīng)用還有相當(dāng)長的時間。此外，鋰電池能量密度仍有提升空間。接近理論極限電池能量密度的探索性研究也將進(jìn)一步豐富固態(tài)離子學(xué)和固態(tài)電化學(xué)領(lǐng)域的知識體系，促進(jìn)新材料和新電池體系的技術(shù)創(chuàng)新。
相關(guān)成果以“A 700Wh kg-1 rechargeable pouch-type lithium battery”為題以Express Letter發(fā)表在Chinese Physics Letters上，并已申請中國專利（申請?zhí)枺?02310178078.1）。上述研究工作得到了國家重點研發(fā)計劃(Grant No. 2021YFB2500300), 國家自然科學(xué)基金 (Grant No. 22239003), 中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃 (Grant No. YSBR-058) 和中國工程院戰(zhàn)略研究與咨詢項目 (No. 2022-XZ-15)的支持。
來源：中國科學(xué)院物理研究所 北京凝聚態(tài)物理國家研究中心 2023.3.24