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中年|锂离子电池领域中国实力几何？


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中年|锂离子电池领域中国实力几何？
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经过几十年的发展 ， 锂离子电池能量密度的提升速度已明显放缓 ， 并逐渐接近理论极限 。 与此同时 ， 固态电池、钠离子电池、锂硫电池、燃料电池等新型储电和发电体系快速发展 ， 开始为各种应用场景提供更多选项 。
在此次由《国家科学评论》（National Science Review, NSR）编委成会明主持的论坛中 ， 几位电池领域的专家充分探讨了锂离子电池面临的瓶颈和发展方向 ， 分析和畅想了下一代电池的前景与应用 ， 并对我国电池研究与产业的现状进行了梳理 。
锂离子电池：极限未至
成会明：有观点认为 ， 锂离子电池的发展已接近极限 ， 大家认同这种说法吗？
李泓：我个人不认同这种看法 。 锂离子电池的性能包括多个方面：质量能量密度、体积能量密度、循环性、充放电速率、高低温适应性、安全性等 。 在这些性能中 ， 只有质量能量密度和体积能量密度存在可以定量的理论极限 。
仅以这两个指标而论 ， 我认为也至少还需要十年的研究 ， 才有可能达到极限 。 具体来说 ， 锂离子电池的正极材料目前主要有四大类：钴酸锂（LiCoO2）、三元材料（Li(NiCoMn)O2）、磷酸铁锂（LiFePO4）和锰酸锂（LiMn2O4） 。

其中磷酸铁锂和锰酸锂的实际能量密度已经接近理论极限 ， 而钴酸锂和三元材料还有发展空间 。
钴酸锂和三元材料的理论容量极限是274 mAh/g ， 而目前已经达到的最高水平分别在205 mAh/g和210 mAh/g左右 。 通过优化 ， 比如开发高镍、低钴或者无钴的三元材料 ， 还可以进一步提升性能、降低成本 。
在这四大类之外 ， 还有富锂锰基正极材料 ， 如xLiMO2-(1-x)Li2MnO3等 。 它的理论容量极限更高 ， 在x=0时可以达到480 mAh/g 。 北京大学夏定国团队的研究结果已达到400 mAh/g ， 在工业上则可以做到300 mAh/g ， 都还可以进一步提升 。
负极也同样还有发展空间 。 目前常用的是石墨负极 ， 此外还有硅负极、纳米硅碳负极等 。 众所周知 ， 硅负极的理论容量很高 ， 可以达到4200 mAh/g ， 但它存在一个主要问题 ， 就是体积膨胀较大 。 如果能适度控制体积膨胀 ， 硅负极将进一步发展并获得更多的实际应用 。
此外 ， 如果开发出含锂的负极 ， 那么正极就可以不含锂 ， 正极材料的选择范围就会更宽 ， 又可以创造出新的发展空间 。
对于锂离子电池的其他指标 ， 如循环性、充放电动力学性质、高低温适应性、安全性等 ， 我们或者还不知道极限在哪里 ， 或者现有水平距离极限还十分遥远 ， 所以更不能说已经接近极限 。

总之 ， 锂离子电池是一个开放可拓展的体系 ， 我们可以不断探索和优化新的材料、电极设计和加工工艺 ， 从而不断提升它的能量密度和其它各项性能 。 这其中需要解决的问题还有很多 ， 仍需要创造性的深入细致的研究 。
陈军：锂离子电池是一个相对复杂的体系 ， 主要由正极、负极、电解液、隔膜构成 。 其中部分商业化的正负极活性材料 ， 如钴酸锂正极、石墨负极等在容量、倍率性能等方面都已接近发展极限 。 但随着新型电极材料的开发和发展 ， 材料的更新换代将为锂离子电池提供更大的发展空间 。
目前 ， 锂离子电池发展的主要方向是正极、负极材料容量的提升和电池综合性能的提高 。 其中 ， 决定电池容量等性能的高容量正极是核心 ， 与之相匹配的负极、电解液及电池制备工艺技术是关键 。
综合来看 ， 近期的具体目标应该是：能量密度达到300~350 Wh/kg、较快速的充放电、满足-30~60℃的使用要求、常温循环寿命超过1500次、成本0.6元/Wh（Pack） 。
孙世刚：多年以来 ， 钴酸锂、三元材料等体系不断发展 ， 已经相当成熟 。 但是应该注意到 ， 在这些体系逐渐接近极限的过程中 ， 其性能提高的速度其实是越来越慢的 ， 也就是说 ， 我们遇到的问题是越来越难的 。


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