新能源汽車的發(fā)展對(duì)電池的要求越來越高，我國《節(jié)能與 新能源汽車技術(shù)路線圖》提出2030 年電池比能量達(dá)到 500 Wh/kg，目前的鋰離子電池都滿足不了此要求。加快新型動(dòng)力 電池的開發(fā)勢在必行，當(dāng)前主要進(jìn)行研發(fā)的新一代動(dòng)力電池 包括固態(tài)鋰離子電池、鋰硫電池、鋰空氣電池等。

1 固態(tài)鋰離子電池

固態(tài)鋰離子電池從 20 世紀(jì) 50 年代就開始研究，但受當(dāng) 時(shí)材料技術(shù)、制造技術(shù)限制，其電性能和安全性不能達(dá)到實(shí)用化要求。智能電子產(chǎn)品、電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)要求配套電池性能不斷提升，使固態(tài)鋰離子電池成為近年來研究的重點(diǎn)。固態(tài)鋰離子 電池安全性好、比能量高(可達(dá)400 Wh/kg 以上)、循環(huán)壽命長、 工作溫度范圍寬、電化學(xué)窗口寬(可達(dá) 5 V)。

固態(tài)鋰離子電池存在的主要問題是倍率性能和低溫性能差，主要原因是固態(tài)電解質(zhì)導(dǎo)電率與液態(tài)電解質(zhì)相比差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，電池內(nèi)阻大；其次固態(tài)電池電化學(xué)反應(yīng)是發(fā)生在固 / 固界面，固 / 固界面浸潤性差，電化學(xué)反應(yīng)離子擴(kuò)散速率低，造 成濃差極化大(過電位高)；再者，電極在充放電過程中通常會(huì)膨脹 / 收縮，導(dǎo)致電極與電解質(zhì)發(fā)生分離，嚴(yán)重時(shí)使電池失效。

解決固態(tài)電解質(zhì)與正負(fù)極界面以及正負(fù)極內(nèi)部等的傳質(zhì) 過慢問題是研究的主要方向，研究內(nèi)容主要包括對(duì)電極 / 電解質(zhì)界面結(jié)構(gòu)解析，新型電解質(zhì)開發(fā)，固態(tài)界面反應(yīng)機(jī)理，電極成型技術(shù)等。目前研究的固態(tài)電解質(zhì)主要分為四種，分別是硫 化物電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)(PEO 類聚合物)、氧化物電解質(zhì)和 無機(jī)有機(jī)復(fù)合物電解質(zhì)，其中氧化物固態(tài)電解質(zhì)是公認(rèn)的最 終發(fā)展方向。

2 鋰硫電池

硫具有高的理論比容量(1675mAh/g)，與金屬鋰構(gòu)建的 鋰 / 硫二次電池理論比能量高達(dá) 2600Wh/kg，是最有前景的 新一代動(dòng)力電池之一。在鋰硫電池走向?qū)嶋H應(yīng)用過程中，存在以下問題：

(1)放電過程中間產(chǎn)物聚硫化鋰易溶于電解液，電池容量衰減快，循環(huán)穩(wěn)定性差；(2)S和硫化鋰都是絕緣體，導(dǎo) 電性差；(3) 充放電過程中正負(fù)極材料體積收縮和膨脹易導(dǎo)致 電池?fù)p壞；(4)聚硫化鋰在正、負(fù)極之間的“穿梭反應(yīng)”，降低充電庫侖效率；(5)金屬鋰電極充放電過程中易形成枝晶與“死 鋰”，體積變化大，SEI 膜反復(fù)形成 - 破裂，消耗電解液，導(dǎo)致電池失效。研究的關(guān)鍵是確保使用 Li2S 作為正極的電池的長期 可靠性以及提高 Li2S 的利用率，并且負(fù)極材料需要與正極材 料相匹配：Li2S 可匹配石墨或硅(Si)的混合材料；S8匹配金屬 Li 或其合金。

研究的主要內(nèi)容包括：(1)通過材料復(fù)合抑制穿 梭效應(yīng)，并減小電極膨脹：如硫 / 碳復(fù)合(包括碳纖維管、石墨 烯等材料)、硫 / 聚合物復(fù)合、硫 / 金屬氧化物復(fù)合等；(2)鋰硫電池的電解質(zhì)的研發(fā)；(3)通過濺射、表面包覆、合金化、鈍化等方法對(duì)鋰金屬負(fù)極進(jìn)行保護(hù)。

3.鋰空氣電池

鋰空氣電池是以Li作負(fù)極、O2為正極的電池，在水溶液體系中放電產(chǎn)物為LiOH，有機(jī)體系中放電產(chǎn)物為Li2O或Li2O2，開路電壓為2.91V。理論上O2是無限供應(yīng)的，金屬鋰比容量為3860mAh/g，電池理論比能量達(dá)到11140Wh/kg，是現(xiàn)有研究電池中比能量最高的，也是鋰離子電池研究的最終方向。空氣電極一般使用多孔碳材料(如活性炭、碳納米管等)，可以產(chǎn)生較多的空氣通道。鋰空氣電池致命缺陷是反應(yīng)生成物L(fēng)i2O或Li2O2不溶于有機(jī)電解液，會(huì)在多孔碳上堆積，阻塞氣流通道，阻止電池放電；在有機(jī)體系中，電池充電電壓遠(yuǎn)大于放電電壓，能量效率低。研究方向和內(nèi)容主要包括：空氣電極的研究和開發(fā)；電化學(xué)反應(yīng)低成本催化劑的開發(fā)；金屬鋰的防護(hù)；水溶液體系、有機(jī)溶液體系以及混合體系的電解液的研究；空氣中其他組分的毒化作用的防治和研究等。

總結(jié)

新能源汽車對(duì)動(dòng)力電池的要求主要包括：高安全性下的高能量密度需求，體現(xiàn)在與燃油車相比較的一次加油續(xù)航里程；快充性能，達(dá)到與常規(guī)車加油時(shí)間相接近；寬溫度范圍的應(yīng)用，全天候條件下電池的性能保障；長循環(huán)壽命，達(dá)到與整車同壽命。新一代鋰離子動(dòng)力電池的研究方向也脫離不了這個(gè)范疇，全固態(tài)電池是最接近實(shí)際應(yīng)用的動(dòng)力電池，除了導(dǎo)電率及界面問題的進(jìn)一步深入研究外，應(yīng)更多地集中于批量化生產(chǎn)工藝及實(shí)車應(yīng)用測試數(shù)據(jù)的分析。而對(duì)于鋰硫電池和鋰空氣電池等，應(yīng)注重于機(jī)理和電池材料方面的深入研究，首先實(shí)現(xiàn)在小型電子設(shè)備上的應(yīng)用，再向動(dòng)力電池領(lǐng)域拓展。隨著技術(shù)的發(fā)展和科研人員的努力，對(duì)新型動(dòng)力電池機(jī)理的深入探索和新材料的不斷涌現(xiàn)，動(dòng)力電池將出現(xiàn)跨越式的發(fā)展。