提升电池能量密度原来这么难

李文慧

只有当出现新的材料体系时，

才可能实现电池能量密度的飞跃。

随着近几年新能源汽车财政补贴的不断退坡，以及更激烈的行业竞争，更大的续航里程、更高的动力电池系统能量密度，成为了新能源汽车生产不得不关注的技术焦点和难点。

然而事实上，电动车的续航里程还与整车能量密度成正比，整车能量密度越大，续航里程就越长，因此，提升动力电池的能量密度就成为了新能源汽车发展的重中之重。

能量密度是指在单位一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度越大，单位体积或重量内存储的电量越多。

公开发表的最新研究资料显示，我国动力电池的能量密度正在不断提升，高电池能量密度的车型在不断增加。

在纯电动乘用车领域，2014年动力电池能量密度平均为90.61Wh/kg，2019年为145.87Wh/kg，6年间的平均年增量为11.6Wh/kg。专家分析称，以此增长速率预测，到2022年，电池能量密度将达到180Wh/kg，电动汽车的性能将会更加出色。

除了动力电池系统能量密度，单体电芯能量密度也是评价标准之一。单体电芯能量密度，顾名思义是单个电芯级别的能量密度。有业内专家表示，2025年，电池能量密度将达到400Wh/kg;2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。

2025马上到来，2030就在眼前，如何提升动力电池能量密度就显得格外重要。

更“强势”的电极材料

中国科学院专家的一份研究报告显示，动力电池是利用材料的氧化还原反应来储能和释放能量，因此其能量密度的理论极限由发生氧化还原反应的活性材料决定，取决于反应过程中单位活性材料能够提供的电子数量以及材料的氧化还原电压。当电池的材料体系确定时，电池的理论能量密度就已确定。例如，以石墨类碳材料为负极材料，过渡金属锂氧化物为正极材料计算，传统锂离子电池的理论极限约为300 Wh/kg。只有當出现新的材料体系时，才可能实现电池能量密度的飞跃。

对同一个材料体系，通过电池设计和工艺改进提高活性物质的含量，也可以提高电池的实际能量密度，使其向理论能量密度靠近。

不过，一般这种能量增长速度是比较慢的（每年3%～5%），比如铅酸电池，距离法国人普兰特1859年发明铅酸蓄电池已经有150年的今天，其能量密度才从最初的25Wh/kg发展到现在的

50 Wh/kg。

专家认为，从材料的角度提高动力电池的能量密度，需要使用具有更高比容量或氧化还原反应电势（负极电势更负，正极电势更正）的电极材料。目前正极材料的克容量低于负极，结构可设计性强，提高反应电势的空间也比较大，因此未来发展高能量密度正极可同时从提高容量和提高电压两方面着手。负极方面，锂负极的氧化还原反应电位已经是所有元素中最低的，大部分负极材料的嵌锂电位也都较低，负极电位的可调控空间较小，因此负极方面需要解决的主要问题是高容量的问题。

从目前发展的态势来看，短期和中期内比较有应用前景的高能量密度正极材料主要是高镍三元材料和富锂锰基材料，以及具有高反应电势的5 V尖晶石镍锰酸锂材料和5 V磷酸盐材料系列。而中长期目标将是具有极高容量的硫正极和氧气正极。

电解液状态改变循环效率

研究报告显示，除了改变电池材料体系，使用固态电解质代替液态电解液可以很大程度上抑制电极的界面反应，提高电池的循环效率，同时固态电解质也比可燃的液态电解液更加安全，因此固态技术可以同时提升电池的能量密度和安全性。

固态电解质主要有无机物、聚合物和无机/聚合物复合三大类，经过研究者的不懈努力，目前已经有电导率超过10-2S/cm 的硫基电解质被报道，与液态电解液的电导率相当。

固态电池目前也存在巨大的技术瓶颈：一是固态电解质的离子电导率通常比液态电解质低2个数量级，开发出电导率接近液态电解液且加工性能良好的固态电解质是巨大的难题;二是固态电池中的固-固接触界面有很大的锂离子传导阻抗，尤其是固态电极材料内部的锂离子传输网络的构建具有挑战性。发展固态电池技术的主要工作就是开发高电导率的固态电解质材料，构建良好的电解质和电极固-固界面及正极内部的离子导电网络。

由于客观原因，短时间内固态电池技术估计难以取得较大的突破，因此，在正极和界面加入少量电解液，而负极侧使用锂金属与固态电解质接触的半固态电池可能会是通往全固态电池道路上的一个过渡技术。

提升动力电池能量密度是一条道阻且长的路，然而车企在发展过程中依旧不能放松对安全性的考量。

性能决定了车企能走多快，安全性决定了企业能走多远。尽管电池能量密度如此重要，但电池的安全性依旧是企业和政府首先要考虑的事情。