中国科学院高能量密度锂电池研究进展快报

中国科学院“长续航动力锂电池”项目组



中国科学院高能量密度锂电池研究进展快报

中国科学院“长续航动力锂电池”项目组

（中国科学院，北京 100864）

提高动力电池的能量密度将显著延长续航里程，对发展电动汽车具有重要的意义。中国科学院在2013年底部署了中国科学院战略性先导科技专项，通过合作研究，积极探索了第三代锂离子电池、固态锂电池、锂-硫电池和锂-空气电池等电池体系。其中，采用纳米硅碳负极、富锂正极的24 A·h的锂离子电池单体，质量能量密度达到374 W·h/kg，体积能量密度达到577 W·h/L。8 A·h固态聚合物锂电池60 ℃下能量密度达到240 W·h/kg，基于无机陶瓷固态电解质的固态锂电池室温下能量密度达到240 W·h/kg。37 A·h的锂硫电池单体室温能量密度达到566 W·h/kg，50 ℃达到616 W·h/kg。5 A·h锂空气电池单体能量密度达到526 W·h/kg。目前这些样品电池在综合技术指标方面离实际应用还有较大的距离，需要进一步深入细致的进行基础科学与关键技术方面的研究。从长远考虑，电池能量密度的提高必然进一步增加电池安全性风险，因此不同形式的固态锂电池将是未来长续航动力锂电池的发展方向。

锂离子电池；固态锂电池；锂-硫电池；锂-空气电池；高能量密度；电动汽车

锂离子电池具有高的能量密度和循环效率，低自放电，无记忆效应，在动力电池方面具有广阔的应用前景。目前LG、SDI和CATL量产的动力锂离子电池单体能量密度达到165～180 W·h/kg。以北汽EV200电动汽车百公里能耗14 kW·h为依据，目前量产动力锂离子电池室温下一次充电续驶里程为200公里。不改变乘用车级别、自重及单位里程能耗，如果动力电池单体能量密度达到300 W·h/kg，一次充电续驶里程可以达到470公里，基本上解决了消费者里程焦虑的问题；当动力电池单体能量密度达到400 W·h/kg时，一次充电续驶里程可达628公里，将超过目前大多数燃油汽车单次行驶最高里程，对于乘用车而言平均充电频次也可以大大下降。如果百公里电耗能进一步降低，续航里程还可以进一步延长。因此，开发高能量密度动力锂电池意义重大，影响深远。

目前全世界十分重视动力电池的研究开发，并纷纷制定国家研发计划，提出动力电池中长期技术发展路线图[1-2]。2012年，美国能源部提出“EV Everywhere”计划，计划到2015年能量密度达到150 W·h/kg。到2022年，电池质量能量密度能够达到250 W·h/kg，体积能量密度为400 W·h/L，而且电池成本降低至现在的1/4。美国2012年启动的储能联合研究中心计划（Joint Center for Energy Storage Research）还提出5年内动力电池能量密度达到400 W·h/kg的目标。日本新能源和产业技术发展组织（NEDO）在《NEDO下一代汽车用蓄电池技术开发路线图2008》中指出，到2015年能量型动力电池的能量密度从100 W·h/kg提高至150 W·h/kg。预期到2020年，能量密度进一步提高至250。2030年以后，开发新型电池体系，将能量密度提高至500～700 W·h/kg。2015年，中国政府在《中国制造2025》中提出“节能与新能源汽车”作为重点发展领域，建议加速开发下一代锂离子动力电池和新体系动力电池，并提出了动力电池单体能量密度中期达到300 W·h/kg、远期达到400 W·h/kg的目标[3]。

2013年11月15日，中国科学院启动了战略先导A类项目“变革性纳米产业技术聚焦”，其中包括“长续航动力锂电池”项目，目标是研制可实用化的300 W·h/kg的锂电池，主要研究内容包括基于纳米材料和技术的锂离子电池、固态锂电池、锂硫电池、锂空气电池、电池高水平诊断与失效分析技术等。该项目采取竞争评测、动态调整的管理机制，强调综合技术指标的实现和考核，以应用为导向，对标商品材料和电池，最终开发能替代现有锂离子动力电池的技术，并为我国动力电池产业长远发展储备先进电池技术。2016年1月24日，第二届中国“电动汽车百人会论坛”在北京钓鱼台国宾馆召开，以“构建竞争-创新-可持续的产业生态”为主题。中国科学院物理研究所李泓研究员代表陈立泉院士及先导团队，简单介绍了先导项目的部分最新进展工作，本研究快报就先导项目中对高能量密度锂电池的研究探索进行初步介绍，后续将分别报道其它进展。

1 第三代锂离子电池

第一代商业化应用的锂离子电池是索尼在1990年推向市场的以石墨为负极、以钴酸锂为正极的锂离子电池，随后在消费类产品中得到大规模应用。然而，由于钴酸锂的成本偏高，难以在动力电池领域大规模普及，所以钴酸锂逐渐被磷酸铁锂和三元正极取代，一般这种电池的单体能量密度在130～250 W·h/kg。第三代锂离子电池将现有锂离子电池的负极石墨碳材料更换为硅基负极，单体电池比能量有望达到300～350 W·h/kg，2014年11月日立公司在日本电池讨论会上报道了高镍正极、硅合金负极的30 A·h锂离子电池能量密度达到了 335 W·h/kg，通过进一步提高负极中硅基材料的 含量，能量密度可达到350 W·h/kg左右。近几年 来，具有放电比容量达300 mA·h/g富锂锰基正极 材料的出现，为研制出第三代具有350～400 W·h/kg高能量密度锂离子电池带来了曙光。中国科学院 宁波材料技术与工程研究所夏永高研究员及其团队联合中国科学院物理研究所李泓研究员及其团队以及其它团队合作研制了一款软包锂离子电池（图1），采用纳米硅碳材料作为负极、富锂材料作为正极，5 V电解液，耐高电压隔膜，单体锂离子电池容量为24 A·h，其质量能量密度达到374 W·h/kg，体积能量密度达到577 W·h/L，其电池的详细参数见表1。

表1 先导动力锂电池项目组研制的各类电池技术参数列表

2 固体金属锂电池

从长远考虑，虽然锂离子电池的能量密度有望达到400 W·h/kg，但是采用金属锂负极电池能量密度会更高，而且金属锂负极的使用，有可能采用不含锂的正极材料，因此电池成本有望显著下降。需要指出的是，金属锂负极研究已经历时50余年，在非水电解质溶液中应用时主要面临的问题是在充放电过程中容易产生锂枝晶、粉化，导致循环性下降，内部短路，安全性降低。1989年Moli公司就因为可充放金属锂电池的安全性而决定永远放弃金属锂电池。因此，金属锂负极的安全性、循环性是发展可充放金属锂电池必须认真面对的问题。目前看来，基于固态电解质的固态锂电池成为解决金属锂负极问题的较有希望的技术路线。

中国科学院青岛生物能源与过程研究所的崔光磊研究员及其团队针对聚环氧乙烷（PEO）室温离子导电率较低、电位窗口窄的瓶颈问题，从能提高离子电导率的分子结构出发，结合离子传输机理与动力学传输的多尺度机制，设计出一款新型固态聚合物电解质，该电解质室温电导率可达到4.3×10-4S/cm，具有较宽的电化学窗口。在此基础上，该团队以“刚柔并济”的理念发展综合性能优异的复合聚合物固态电解质，并分别以三元材料和金属锂为正负极，组装了8 A·h大容量固态聚合物锂电池，能量密度达到240 W·h/kg，60 ℃条件下，0.2 C，400次循环后容量保持率大于86%[图2(a)]，其电池的详细参数见表1。该聚合物固态电池显示出了较好的安全性能，经4次针刺后，固态锂电池不起火，不爆炸，这是传统的液态锂电池所无法比拟的[图2(b)]。

中国科学院宁波材料技术与工程研究所许晓雄研究员及其团队采用复合型无机材料作为固体电解质，分别以过渡金属氧化物锂盐和金属锂为正负极，研制出1～8 A·h系列容量的固态电池单体。图3(a)显示的8 A·h固态锂电池单体借助界面润湿剂的创新方法，有效提升了固态电池的循环寿命，该电池单体室温下的能量密度可以达到240 W·h/kg，500次循环后容量保持率大于80%，其电池的详细参数见表1。另外，如图3(b)所示，2 A·h固态电池单体在90 ℃、0.5 C倍率下都能够表现出良好的循环工作稳定性，从而清晰地展现了固态电池在高温环境下的安全特征。目前，基于无机固体电解质的固态锂电池距离实用还有一段距离。

3 锂硫电池

中国科学院大连化学物理研究所陈剑研究员及其团队开发了纳米结构碳硫复合材料、高硫担载量硫正极极片和大容量锂硫电池技术。团队研制的额定容量37 A·h的锂硫电池单体室温质量比能量达到566 W·h/kg，50 ℃测试质量比能量可达616 W·h/kg，并通过了第三方的安全性测试，这也是迄今所见报道的额定容量和能量密度最高的锂硫电池。同时，该研究团队在锂硫电池成组技术方面也取得新进展，研制的1 kW·h锂硫电池组经第三方测试比能量达到330 W·h/kg。现在锂硫电池的难点在于循环次数还很低，这种高能量密度、大容量的锂硫电池单体的循环次数是20～30次。在实现锂硫电池大规模实际应用之前，仍需进一步攻克电池循环寿命、功率密度和安全性等技术瓶颈。图4为该团队研制的30 A·h锂硫电池单体，其电池的详细参数见表1。

4 锂空气电池

中国科学院长春应用化学研究所张新波研究员及其团队采用纳米孔道结构金属氧化物/碳复合材料为正极、表面修饰锂金属作负极，配合自主研发的空气管理系统，研制出5 A·h和51 A·h系列容量的锂空气电池单体[图5(a)]。团队研制的额定容量为5 A·h的全封装锂空气电池单体室温质量能量密度达到526 W·h/kg[图5(b)]，其电池的参数见表1。研制的额定容量51 A·h的锂空气电池模块，经过第三方测试，能量密度达360 W·h/kg。目前，锂空气电池的难点在于循环次数和倍率性能过低，仍需进一步攻克放电产物堆积、碳正极及电解液分解、负极腐蚀等关键科学和技术难题。

5 展 望

上述报道的高能量密度锂电池的研究进展说明，开发300 W·h/kg以上的锂离子电池及锂电池不仅仅从原理上是可行的。上述研究采用了大量纳米结构的电极材料、隔膜材料、导电添加剂，并在控制界面特性方面采用了多种纳米层修饰技术、电解液添加剂。但需要指出的是，上述研制的新型高能量密度原型电池在循环性、倍率、高低温特性、自放电、电池形变、安全性、量产技术方面还需要显著提高，全面优化，仍需大量深入细致的研究工作。

致谢：中国科学院“长续航动力锂电池”项目组参与单位包括：中国科学院物理研究所、中国科学院化学研究所、中国科学院宁波材料技术与工程研究所、中国科学院过程工程研究所、中国科学院福建物质结构研究所、中国科学院金属研究所、中国科学院青岛生物能源与过程研究所、中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、中国科学院大连化学物理研究所、中国科学院上海硅酸盐研究所、中国科学院长春应用化学研究所等。

感谢中国科学院、财政部、科学与技术部、国家自然科学基金委员会、工业与信息化部、国家知识产权局对本项目各方面的支持和帮助；感谢中国科学院先导项目总体组、监理组、专家委员会及有关材料、电池合作企业给予的指导和帮助，感谢北汽新能源提供的数据与技术支持。

[1] 彭佳悦，祖晨曦，李泓. 锂离子电池基础科学问题（I）——化学储能电池理论能量密度的计算[J]. 储能科学与技术，2013，2（1）： 55-62.

PENG Jiayue，ZU Chenxi，LI Hong. Fundamental scientific aspects of lithium batteries（I）—Thermodynamic calculations of theoretical energy densities of chemical energy storage systems[J].，2013，2（1）：55-62.

[2] 李泓. 锂离子电池基础科学问题（XV）——总结和展望[J]. 储能科学与技术，2015，4（3）：306-318.

LI Hong. Fundamental scientific aspects of lithium ion batteries (XV)——Summary and outlook[J]. Energy Storage Science and Technology，2015，4（3）：306-318.

[3] 国家制造强国建设战略咨询委员会. 《中国制造2025》重点领域技术路线图[EB/OL]. 2015-10-08. http://www.100ec.cn/detail--6282305.html.National Manufacturing Powerhouse Construetion Strategy Advisory Committee. The roadmap of the key technology field in “Made in China 2025” plan[EB/OL]. 2015-10-08. http://www.100ec.cn/detail--6282305.html.

Progress on high energy density lithium batteries by CAS battery research group

(Chinese Academic of Science, 100864, Beijing, China)

Increasing energy density of battery will dramatically extend the driving range of electric vehicles. “Strategic Priority Research Program” of the Chinese Academy of Sciences was initiated at the November 15, 2013. In this program, the lithium-ion battery of the 3rd generation, solid-state metallic lithium battery, lithium-sulphur battery and lithium-air battery have been investigated. The mass and volume energy density of 24 A·h Li-ion single cell, with nano-silicon carbon material as negative electrode and lithium-rich material as positive electrode is achieved as 374 W·h/kg and 577 W·h/L, respectively. The energy density of 8 A·h solid lithium battery using the polymer solid electrolyte at 60 ℃ is 240 W·h/kg, while the energy density of solid-state lithium battery based on the inorganic ceramic solid electrolyte is also 240 W·h/kg. The energy density of 37 A·h lithium-sulphur battery reaches 566 W·h/kg at room temperature and 616 W·h/kg at 50 ℃. The energy density of 5 A·h lithium-air battery is 526 W·h/kg. However, these batteries are still far away from practical applications in view of satisfying all required performances. Further comprehensive researches on fundamental science and key technology are needed. In addition, the increase of the energy density of batteries will also increase the safety concerns. Therefore, all lithium batteries containing solid electrolytes could become the final solutions for EV batteries.

lithium ion battery; solid state lithium battery; lithium-sulphur battery; lithium-air battery; high energy density; EV

10.3969/j.issn.2095-4239.2016.02.007

TQ 028.8

A

2095-4239（2016）02-172-05

2016-02-10；修改稿日期：2016-02-15。

中国科学院战略先导A类项目（长续航动力锂电池）。

中国科学院长续航动力锂电池项目组；稿件整理：黄祯，E-mail：huangzhen@nimte.ac.cn；通讯联系人：冯国星，E-mail：fengguoxing@iphg.ac.cn。