张强/余彦/崔光磊/黄富强/冯旭宁/李先锋/陆盈盈CRPS：汽车动力电池未来发展

CellPress全科学CellPress细胞科学官方澎湃号

2023-08-04 11:13

上海

原创 Cell Press CellPress细胞科学

物质科学

Physical science

目前，锂离子电池在可充电电池行业占据主导地位，广泛应用于各种电动车技术当中。电池行业正在飞速发展，不断有新产品投放市场。中国目前是世界上电动汽车产业发展最快的国家之一。

2023年7月19日，Cell Press细胞出版社期刊Cell Reports Physical Science发表了一篇题为“The battery technologies that could power future electric mobility”的新观点文章。在这篇文章中，我们与七位中国电池研究领军人物就“哪些电池技术可以为未来的电动出行提供动力？”这一问题进行探讨。

专家观点

张强教授

清华大学

利用锂键化学安全电池为未来电动出行提供动力

为了实现低碳排放和社会的可持续发展，未来的陆地、水上和空中交通迫切需要高能量密度、长循环以及安全可靠的可充电电池。在学术界和工业界的共同努力下，锂离子电池已成为应用广泛的动力源，其性能也有了显著提高。了解锂电池的锂化学原理，是实现安全电池的第一步。

虽然早在 20 世纪 70 年代，锂电池的相关研究就开始了，但直到21世纪头十年，锂键化学的概念才引入锂电池研究。我们通过几何结构、成键能、Bader电荷、偶极矩以及实验/理论7Li 核磁共振（NMR）分析，揭示了锂电池中的锂键化学性质。锂键是理解硫正极中的主客体相互作用、电池中的含锂团簇、液态电解质中的溶解锂结构以及锂金属负极（LMA）中的锂成核等过程的关键。例如，在稀电解质中，Li+ 与溶剂分子配位，形成离子-溶剂复合物。Li 与配位溶剂之间的配位键，能促进电解质的分解。固体电解质界面相（SEI）可通过电解质-电极界面上的离子-溶剂复合物的分解来进行调节。除了界面的能量化学调节外，对电池和电池组层面的研究也需要投入大量精力。相关研究诸如，阻抗和动态容量作为锂金属镀层信号，通过工作电池中植入式传感器进行精确探测，并据此估算出完整电池的工作状态。

现今，新设备的性能无法满足人们对高效储能日益增长的需求，这是研究者们必须面对的问题和挑战。值得一提的是，各种新兴固态锂金属电池、锂硫电池和锂离子电池以及相关的系统创新取得了令人鼓舞的新进展。从根本上了解电池中的锂键化学，对制造安全、高性能的锂电池有着积极的意义。我们正在努力地推进基础科学和工程应用的共同发展，为打造清洁、安全和经济的能源技术奠定基础。随着物理科学和信息技术的不断创新，安全的可充电电池有望在未来为电动出行提供动力。

冯旭宁副教授

清华大学

能量密集型电池系统的开发

长寿命和长续航里程是电动汽车永恒的追求，两者与电池的能量密度悉悉相关。当锂离子动力电池（LIB）系统的能量密度提高至160 Wh/kg时，电动汽车已经能够具有600 km 续航里程，可与燃油车相媲美。然而，目前的动力电池技术还无法满足水下和航空领域的运载动力场景需求，能量密度更高的电池系统仍需要继续进行研发。

电池系统的能量密度（E）等于电芯能量密度（e）和封装效率（η）的乘积，即 E = e×η。高镍含量的三元电池、锂电池和所有固态电池（SSB）的开发都属于提高电芯能量密度这一技术思路。另一个技术思路是开发封装效率更高的紧凑型电池组，包括电池-电池组设计、电池-车辆设计等方面。2020年3月29日，比亚迪公布了刀片电池，引领了开发磷酸铁锂电池的高紧凑型电池组的革命。宁德时代紧随其后推出了使用块状电池的麒麟系列产品。

当电池系统的能量密度达到 160 Wh/kg 时，如何进一步提高能量密度是当前新的目标和任务。目前，解决这一问题的较好方案是使用具有高封装效率的磷酸铁锂电池。基于安全考虑，三元电池很难实现高η值。如果没有适当的应对措施，高紧凑型三元电池组中的热蔓延会造成殉爆的灾难性后果。对于具有较高e值的化学电池，人们正在努力稳定电极的界面，并尝试用固体电解质替代易燃的有机电解质。开发一种新的化学电池并非易事，必须全面考虑能量/功率密度、寿命、安全性和成本等各方面的因素。

目前，提高e值的主要设计思路包括采用高能电化学材料、人工构建电化学界面、选取可结合液体和固体电解质优势的半固体电解质等。另一方面，提高η值的技术包括拓扑结构优化设计、兼顾散热和热阻隔的热管理、绝缘保护升级的高压电气系统等。

2023 年 4 月 19 日，宁德时代推出了能量密度为 500 Wh/kg（液态锂离子电池的能量密度上限约为 400 Wh/kg）的适用于飞机的凝聚态动力电池。汽车制造商对此反应冷淡，而eVTOL设计者却表现出了极大的兴趣。也许我们并不需要续航1000公里的电动汽车，但如果电池组的尺寸和重量缩小 50%，电动汽车会是什么样子呢？汽车制造商似乎还没有考虑过这一点，但飞机工程师会说：“这样的产品快点做出来吧”。

陆盈盈教授

浙江大学

电解质工程推动电动汽车动力电池换代升级

近年来，电动汽车的全球市场份额大幅增长，2022 年将超过 13%。作为动力之源，锂电池的能量密度和快速充电能力在很大程度上决定了电动汽车的实际应用价值和普及程度。在材料层面，稳定电极-电解质界面无疑是突破电池性能的根本所在。调整成分多变的电解液成为优化电池性能最具弹性的方法。调整电解液成分可以赋予电池新的性能（如快速充电能力、耐火性、宽工作温度），甚至可以促进化学性质活跃或结构不稳定的电极（包括 LMA、硅负极、高压正极和硫正极）的可逆循环。因此，先进的电解质被认为是高能量密度、高功率密度和长寿命锂电池的推动因素。从理论上讲，电解质设计的关键在于对 Li+溶剂鞘和电双层成分的精细控制。Li+与阴离子/溶剂之间作用的精细调控能够提高Li+的转移数量和Li+的扩散，从而降低浓度极化，改善电化学反应动力学。同时，诱导形成可靠的 SEI 可以避免其的溶解和变化，减轻正极和负极之间的穿梭效应或交叉效应。

高能量密度和快速充电速率往往意味着巨大的安全隐患。将电解质从液态转变为固态，尤其是无机固态，是降低泄漏和热失控风险的有效措施。值得注意的是，由于固态电解质（SSE）的机械完整性，为实现低内阻，体相、界面和电极内部的离子和电子传输网络都需要特别定制。目前，随着新生产工艺（如刮刀法、骨架法、热轧法等）的出现，柔性复合 SSE 膜已成功制备，克服了冷压托板厚度大的问题，极大地推动了相关应用的发展。然而，电动汽车电池的实际应用需要集高能量/功率密度、全气候、快充等技术于一身，这对处于可行性验证阶段的SSE来说仍充满挑战。此外，某些类型的快速离子导体，如三元和四元硫化物和硫代磷酸盐，对微量水很敏感，增加了生产成本。因此，将表面防水技术、界面自修复技术、高熵掺杂技术和优化的电池管理系统以及充电协议相结合，有望为解决未来新一代电动汽车电池的关键问题开辟新的道路。

崔光磊研究员

中国科学院青岛生物能源

与过程研究所

锂电池中氢化锂的发现和理解

为了解决电动汽车日益突出的续航里程问题，开发新一代高特异性能量锂电池迫在眉睫。然而，随着能量密度的增加，锂电池的化学成分发生变化，导致循环寿命和安全性下降。众所周知，理解和优化电极/电解质界面对于提高电池寿命和安全性至关重要。然而，目前人们对电极/电解质界面的认识还不够全面。在锂电池的各种负极中发现氢化锂正成为一个研究热点。对于理论能量密度超过 500 Wh kg-1的锂金属电池而言，氢化锂的存在、形成机制及其对锂金属负极的影响一直存在巨大争议。我们在工作中发现锂金属负极的粉碎是由氢化锂引起的，氢化锂是由金属锂和氢气在室温下直接反应生成的。有趣的是，在锂金属负极的插层型负极（如传统石墨和下一代硅基材料）和高特异容量转换型负极（如 RuO2）中也检测到了氢化锂，并显示出很高的电化学可逆性，甚至表现出附加容量。此外，我们还提出，氢化锂和电解质之间由热引起的放热反应，以及随之而来的氢气从负极向正极的迁移，可能会导致电动汽车用高镍 LIB 的热失控。因此，我们希望能从一个新的角度来理解和调控氢化锂，以提高新一代电动汽车用高比能量锂电池的循环寿命和安全性。

在几十年的锂电池研究历史进程中未能发现氢化锂存在是因为其对水分的高度敏感性。目前，只有最近开发的几种在线和原位方法才能明确检测到氢化锂，如在线氧化氘滴定法、低温透射电子显微镜法、同步辐射 X 射线衍射法和固态核磁共振法。因此，迫切需要开发先进且普遍可行的锂氢化物测定方法。最后，希望我们所提出的在不同负极中调节锂氢化物形成的研究思路能对该领域的发展起到一定的推动作用，从而吸引更多有识之士为提高新一代电动汽车高特异性能量锂电池的循环寿命和安全性并肩努力。

余彦教授

中国科学技术大学

面向未来电动出行的创新电池技术

为了减少碳排放以保护环境，当务之急是通过发展电动交通工具，来取代传统的化石燃料交通工具。电池技术是未来电动交通（包括电动汽车、电动公交车、航空和航天）的核心。在所有电池技术中，可充电锂离子电池以其重量轻、结构紧凑、价格低廉等优势脱颖而出，成为电动汽车中广泛使用的领先技术。为了满足 500 公里以上的续航要求，电池组的能量密度需要大于 230 Wh kg-1。同时应具有快速充电、长循环寿命和安全可靠性。从材料到电池组，人们提出了各种方法来提高锂电池的性能。例如，可以通过增加正极材料中的镍含量来提高锂电池的能量密度。然而，对日益稀缺的镍、钴和锂等关键金属的需求不断增加，可能会带来可持续发展方面的挑战。

除锂离子电池外，针对钠离子电池（SIB）、锂硫电池和锂空气电池等锂离子电池的替代组成和技术的研究备受关注。最近，钠离子电池引起了研究人员极大的研究兴趣，因为与锂电池相比，钠的储量更大、价格更低。然而，为满足电动汽车长续航里程的需求，SIB的能量密度有待进一步提高。锂硫电池和锂空气电池具有很高的理论能量密度。虽然锂硫电池和锂空气电池在实验室层面的性能优化方面取得了重大进展，但实验室规模的电池距实际应用仍相差甚远。

商用锂离子电池的能量密度和安全效率受到所使用的挥发性有机液态电解质的限制。用稳定的固态电解质取代易挥发和易燃的液态电解质可以大大提高电池的安全性。因此，近年来，固态电解质电池有望成为很有前途的电动汽车电源。此外，固态电池具有更高的能量密度、更长的使用寿命和更宽的工作温度范围。然而，固态电池的商业化仍处于起步阶段，要将固态电池全面推向市场，还需要很长时间来应对固态电解质、界面和规模化生产等方面的挑战。

黄富强教授

北京大学

适用于未来电动汽车的稳健高压分层正极材料

电动汽车等电动交通工具因其低能耗和环保性而受到越来越多的关注，但其续航里程和运行安全性仍然令人忧心忡忡。尽管与其他电化学装置相比，锂离子电池在综合性能方面具有很大的优势，但未来电动汽车的发展需要近乎翻倍的能量密度，卓越的安全性以及更长的循环寿命。这仍然是该领域所面临的一个巨大的挑战，需要学术界和工业界的共同努力。

锂电池所面临的上述挑战与正极材料密切相关。迄今为止，基于富镍层状正极材料的电动汽车电池能量密度已经达到具有里程碑意义的300 Wh kg-1，超过了使用磷酸铁锂（LFP；160-200 Wh kg-1）正极材料的锂电子电池。该领域的研究人员相信，使用高压层状正极材料是最有希望实现 500-600Wh kg-1超高能量密度的方法。然而，众所周知，层状正极LIB电池的安全性和耐用性不如LFP电池。当截止电压较高时，这一问题会变得尤为严重。

高电压会引起复杂的有害反应，如不可逆的表面和体相转变、长程氧离子迁移和氧损失、电解质分解、正极-电解质相间的持续增长以及颗粒开裂。这些不仅会导致电化学性能下降，还会带来安全问题。通过大量掺杂来缓解晶格相变、通过表面涂层来提高带电正极之间的电化学相容性以及使用有机电解质等措施，能够极大地稳定正极的高压运行。但需要强调的是，高电压下的不可逆氧损耗与阴离子氧化还原反应密切相关，是上述传统方法无法有效解决的严重问题。这些过程始于带电正极表面，会引发阳离子致密化、阻抗增长和安全隐患。最近，研究人员发现，通过重建近表面原子结构并实现高度稳定的氧配位环境，可以有效抑制氧气释放。例如，在我们最近的工作中，我们使用湿化学渗镧的方法在正极表面构建了一个压缩应变、晶格连贯和高度均匀的 LaωCa1-ωMO3-δ 包晶层，从而阻止了易失性氧物种通过表面向外扩散。该方法还能有效抑制电解质的分解，从而提高电池的安全性。由于严重的氧气释放和安全隐患都是从正极表面开始的，因此，构建坚固的表面结构是一种很有效的策略，也是未来的发展趋势。

总而言之，具有高电压稳定性和安全性的层状正极是构建未来电动汽车性能优异锂离子电池的关键，近年来已取得了长足的进步。然而，高压层状正极在实验室中的优异性能仍需更多的努力才能推广到实际应用中。基于高压层状正极的高能电池下一步需要应对的挑战是在设备和电源层面进行严格的安全评估和数千次循环寿命测试。

李先锋研究员

中国科学院大连化学物理研究所

可再生能源的发展需要先进的液流电池

由于对气候变化的担忧和减少碳排放的需要，近些年可再生能源的利用得到了显著增长。然而，以风能、太阳能为代表的可再生能源具有间歇性、不稳定性和不可控性的特点，大规模并网将严重影响着电网的安全、高效和可靠运行。因此储能技术是实现可再生能源规模应用的关键技术之一。电化学储能技术具有响应快、效率高、成本低的特点，受到广泛关注。

液流电池具有水系电解液固有的安全优势，独立的能量和功率单元也使得液流电池更容易大规模化利用。目前，全钒液流电池已得到广泛示范，去年全球最大的100MW/400MWh全钒液流储能示范项目成功并网。但是全钒体系仍然存在能量密度较低，一次性投资成本较高的问题。因此，必须引入新型技术和商业模式，设计先进的关键材料，进一步降低系统成本。另一方面，锌基、全铁和铁铬等无机液流电池体系采用低廉的电解液，未来如果系统的可靠性和效率得到提升，这些体系也将非常适用于大规模储能。此外，有机液流电池采用有机分子作为活性材料，在元素丰度、来源和分子结构多样性方面具有优势，近些年来，有机液流电池成为液流储能技术的重要研究方向之一，目前这类技术仍处于起步阶段。同时，多电子转移活性电对可以提高能量密度并降低电解液的成本，也是研究热点之一。总之，液流电池的发展迫切需要创新技术的突破和新型关键材料的研发，相信在研究人员的不懈努力下，液流电池在绿色社会中的广泛应用未来可期。