锂离⼦电池是能量密度⾼、综合性能最好的电化学储能体系,提升能量密度是锂电池研发的主要⽬标。中国、美国、欧洲和⽇韩等国家都将开发400-600Wh/kg锂电池作为锂电池发展的中⻓期规划。⾃1991年索尼公司⾸次实现锂离⼦电池商业应⽤以来,商业化的锂离⼦电池技术能量密度从90 Wh/kg提升到⽬前的360 Wh/kg,已⼴泛应⽤于消费电⼦和电动汽⻋等领域。
从实⽤化的⻆度,进⼀步提升锂电池能量密度需要采⽤新电极材料和电池设计来平衡能量密度、功率密度、循环寿命、安全性等综合性能,仍有诸多材料基础科学问题和⼯程技术问题需要解决。
最近,中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中⼼HE01组李泉博⼠、博⼠研究⽣杨旸在李泓研究员和禹习谦研究员的指导下,研制了⼀种基于⾼容量富锂锰基氧化物正极和超薄⾦属锂负极的具有超⾼质量⽐能量密度和体积⽐能量密度的10Ah级软包锂⼆次电池,经中国北⽅⻋辆研究所(201所)北⽅汽⻋质量监督检验鉴定试验所的第三⽅测试,⾸次放电质量能量密度达到711.30 Wh/kg、体积能量密度达到1653.65 Wh/L。
研究⼈员通过拓宽富锂锰基氧化物的充放电电位获得更⾼材料储锂容量、采⽤隔膜涂层技术解决超薄锂⼤⾯容量沉积可逆性、并探索厚电极、贫电解液、超薄集流体的匹配性应⽤等综合策略,最终实现了超⾼能量密度电池的可逆充放电。该数据为⽬前已公开报道的锂⼆次电池的能量密度最⾼值。
超⾼⽐能量密度电池技术的研制将为我国在⾼空、深空等特殊应⽤场景和未来电动航空领域对⾼性能电源技术的迫切需求提供可能的解决⽅案。但值得指出的事,仍需⼤量的研发⼯作解决电池安全、寿命等诸多问题,超⾼⽐能电池技术距离实际应⽤还有相当⻓的时间。此外,锂电池能量密度仍有提升空间。接近理论极限电池能量密度的探索性研究也将进⼀步丰富固态离⼦学和固态电化学领域的知识体系,促进新材料和新电池体系的技术创新。