中科院院士孙世刚：现有锂离子电池的能量密度已接近理论极限
尽管蓬勃发展甚至引领世界，我国锂电产业的发展仍需立足技术创新，居安思危。
11月9日，在中国(遂宁)国际锂电产业大会暨新能源汽车及动力电池国际交流会上，中国科学院院士、厦门大学教授孙世刚表示，我国锂电产业现有的发展面临着资源、能量、安全、使用环境等四方面重大挑战。
首先是资源的消耗。据孙世刚介绍，目前，生产1KW锂离子电池要使用用0.5kg锂，根据美国地质勘探局最新的调查数据，世界金属锂的储量为1350万吨左右（锂资源储量总计约3950万吨），仅可用100多年。我国锂资源在全球排第六，资源以盐湖为主，锂含量低，镁锂比高，提取难度大，70%的锂依赖进口，而预计到2025年我国锂电产能将达到约3900GWh，预计需要约39万吨锂金属。
其次是现有锂离子电池能量密度已经接近理论极限。“电池的能量密度与电池的原理有关，比如锂离子电池的能量密度跟反应电子束、活性物质的重量和密度都有关系，”孙世刚说，“目前的锂离子电池的能量密度是接近了天花板。”
据了解，目前主流的磷酸铁锂电池的能量密度在200Wh/kg以下，三元锂电池的能量密度在200-300Wh/kg之间。锂离子电池的能量密度远不能满足重大发展的需求，限制了多场景的应用。要提高无人机等装备的航速和航程，都需要大幅度提高电池的能量和功率密度。
值得一提的是，就在上月，美国国家航空航天局（NASA）宣布其研发成功了硫硒纯固态电池，电解质材料利用廉价并易获得的硫，不含液体，电池能量密度达到了500Wh/kg，是目前特斯拉4680圆柱形锂离子电池的约两倍。NASA宣布，该技术未来将在电动飞机上推广。 ·
孙世刚指出，现有锂离子电池面对的挑战还包括安全事故多发。锂离子电池容易发生电池热失控，通常的原因包括过充诱发电池正极材料产气使得电池胀裂，快充导致电池负极析锂诱发短路，以及快充快速升温从而使电解质液体燃烧。
最后是电池使用环境受限，在低温环境中，锂离子电池的电解液黏度会变大，离子迁移速度变慢，充放电能量急剧衰减。高温状态下，电池正负极界面膜不稳定，导致材料结构破坏，产气易爆。而在深空、深海等应用场景，都需要电池具有更高更宽的温度范围。
因此，针对资源、能量、安全、极端环境的四大挑战，孙世刚表示，从技术创新的角度，需要在材料、界面、传输、系统等四个层面予以解决。
首先提升电池体系的能量密度，包括构建高容量高电压正极，高容量低电压负极。正极材料的选择上，将由钴酸锂到磷酸铁锂，到高镍三元材料，最终往硫、氧元素方向发展。在负极材料的选择上，由现有的石墨，到硅，最终往锂金属发展。不过，使用锂金属负极和高电压正极也会带来安全性的问题。
“以锂金属负极来说，锂的理论比容量很高，能够达到3000mAh/g，但是使用中容易形成锂枝晶刺穿电池隔膜，形成电池短路。而正极的高压高比容量材料不稳定，高电压电极材料结构容易破坏，同时造成电解液分解。
孙世刚说，对于锂金属，不光是基础研究领域，业界也做了很多试验性尝试，例如构筑人工SEI膜，构筑三维结构金属负极，调控锂金属电极和电解液的界面，从而提高电池的循环寿命。“终极目标是加入添加剂，调控材料生长的过程，使它不长成枝晶，但这方面的研发非常难，需要大力发展下去。”而在正极材料方面，则需要通过调控层状正极材料的表面结构，强化锂离子传输过程，从而显著提升锂离子电池的能量密度和功率密度。
而为了进一步地提高电池安全性能，目前的研究还包括强化锂离子电池中的“三传”过程，包括强化锂离子传输通道，维持材料在微观尺度下的结构稳定；强化电子传输通道，维持电极和电池的导电网络；强化电池热传出，抑制电池热失控。
在下一代锂电池的路线上，孙世刚介绍了锂硫电池，锂-空气电池、锂-氟碳电池等技术，而在对下一代非锂电池的展望中，钠离子电池也被孙世刚看好。钠在地球上储量排在第六位，具有与锂相似的化学性质，但由于钠原子半径更大，电化学势比较低，钠离子电池能量密度上与锂离子电池相比有先天劣势。钠离子电池的发展需要在储钠新材料、新型电解液方面有所突破。
“目前一些传统的负极硬碳材料已经实现产业化，正极的层状氧化物、普鲁士蓝材料也进入市场。但钠离子电池要进一步提高性能，降低成本，要能够像锂离子电池一样实现大规模利用。”孙世刚说。
能量密度全球最高，这个锂电池技术将迎来第二春？
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锂电池赛道又有大消息。
据外媒最新报道，美国Amprius公司宣布，已经生产了第一批超高能量密度的锂电池，能量密度达到450Wh/kg，是目前可用电池中能量密度最高的，比目前最先进的特斯拉Model 3电池还有高出73%，而且体积还减少了37%。
据Amprius公司表示，这款电池能够实现如此高能量密度的主要原因是，其采用了硅纳米线技术。
趁此机会，我们来和大家聊一聊这个硅纳米线技术到底是个什么东西？有哪些优劣势等等问题。
什么是硅纳米线技术？
据华宝证券研报，硅纳米线指的是宽度在10纳米左右、长度无限制的材料，是一种新型的一维半导体纳米材料。
硅纳米线作为一种已知技术，可取代传统锂离子电池中的负极材料石墨，减轻电池重量和体积，从而提高电池效率，有助于制造能量密度更高、使用寿命更长的电池。
中信建投也指出，将硅纳米线应用于锂电负极，体现出了若干理论优势：具备离子、电子通路；适应嵌锂前后的体积变化；利于电解液渗透和储存；具备较高活性物质利用率。
资料显示，硅纳米线技术的研发方向早在Amprius公司成立之初便已确定，利用纳米技术，能够在微小的硅纳米线中存储锂，这些纳米线的厚度约为一张纸的千分之一，硅纳米线吸收锂后仍会膨胀，但纳米技术可防止硅破裂，可以实现市场上最高的能量/功率比。
据Amprius介绍，由于硅是能量密度的最佳材料，因此纳米线技术使用100％的硅意味着可以提供当今世界上能量密度最高的电池。
该技术曾因“特斯拉电池日”引发市场关注
事实上，硅纳米线电池此前就曾因特斯拉电池日而引起广泛关注。
Amprius与特斯拉的关系非常紧密，其选址的附近就是特斯拉的电池制造工厂和秘密电池实验室，其甚至将办公室都搬到了特斯拉电池实验室。
2020年8月，在特斯拉电池日召开之前，马斯克在推特上表示特斯拉会在3-4年内批量生产寿命更长、而且能量密度提高50%也就是达到400wh/kg的电池，目前Model 3的松下2170电池电芯能量密度为260wh/kg。
随着特斯拉电池日临近，2020年9月19日，特斯拉发布了电池日活动的注册页面，页面背景图片是一种新电池材料――硅纳米线的结构图。
结合马斯克的言论，当时就有媒体猜测，特斯拉电池日即将发布的新技术可能会涉及硅纳米线负极，Amprius正是这款动力电池的幕后“大脑”。
但后来的特斯拉电池日，这一技术并未亮相。
此前硅纳米线技术存在哪些问题？
中信建投指出，Amprius实用化的负极产品是“核-壳”结构硅碳负极，估计该硅纳米线距离较低成本量产并制得高性能全电池还需要相当长的时间。未来随着正负极、电解液、隔膜和电池单体共同发力，才可能实现它的性能目标。再考虑到成本问题，实际局面更复杂。
华宝证券也指出，按照Amprius的预期，将硅负极容量提升到1000mAh/g测算，此时电池质量能量密度达到334Wh/kg，距离400Wh/kg仍有约20%。为了实现目标，需要对正极、电解液乃至整个体系继续进行大幅改良。
其指出，在石墨负极相对成熟度较高的条件下，仅高镍三元正极的规模化应用历时就不止3-4年，而获得量产400Wh/kg能量密度电池所难度要远高于研发、生产高镍三元正极。和中信建投一样，华宝证券也认为Amprius的硅纳米线距离较低成本量产并制得高性能全电池预计还需要时间。
不过随着此次Amprius宣布首批锂电池生产成功，相关产业化节奏有望加快。来源：华尔街见闻；作者：尹洪昌；原标题：能量密度全球最高，这个锂电池技术将迎来第二春？
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