五、 鋰離子電池的能量密度

　　可以說，能量密度是制約當前鋰離子電池發展的最大瓶頸。不管是手機，還是電動汽車，人們都期待電池的能量密度能夠達到一個全新的量級，使得產品的續航時間或續航里程不再成為困擾產品的主要因素。

　　從鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、再到鋰離子電池，能量密度一直在不斷的提升。可是提升的速度相對于工業規模的發展速度而言，相對于人類對能量的需求程度而言，顯得太慢了。甚至有人戲言，人類的進步都被卡在“電池”這兒了。當然，如果哪一天能夠實現全球電力無線傳輸，到哪兒都能“無線”獲得電能（像手機信號一樣），那么人類也就不再需要電池了，社會發展自然也就不會卡在電池上面。

　　針對能量密度成為瓶頸的現狀，全球各國都制訂了相關的電池產業政策目標，期望引領電池行業在能量密度方面取得顯著的突破。中、美、日等國政府或行業組織所制定的2020年目標，基本上都指向300Wh/kg這一數值，相當于在當前的基礎上提升接近1倍。2030年的遠期目標，則要達到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，電池行業必須要有化學體系的重大突破，才有可能實現這一目標。

　　影響鋰離子電池能量密度的因素有很多，就鋰離子電池現有的化學體系和結構而言，具體都有哪些明顯的限制呢？

　　前面我們分析過，充當電能載體的，其實就是電池當中的鋰元素，其他物質都是“廢物”，可是要獲得穩定的、持續的、安全的電能載體，這些“廢物”又是不可或缺的。舉個例子，一塊鋰離子電池當中，鋰元素的質量占比一般也就在1%多一點，其余99%的成分都是不承擔能量存儲功能的其他物質。愛迪生有句名言，成功是99%的汗水加上 1%的天賦，看來這個道理放之四海皆準啊，1%是紅花，剩下的99%就是綠葉，少了哪個都不行。

　　那么要提高能量密度，我們首先想到的就是提高鋰元素的比例，同時要讓盡可能多的鋰離子從正極跑出來，移動到負極，然后還得從負極原數返回正極（不能變少了），周而復始的搬運能量。

　　1. 提高正極活性物質的占比

　　提高正極活性物質占比，主要是為了提高鋰元素的占比，在同一個電池化學體系中，鋰元素的含量上去了（其他條件不變），能量密度也會有相應的提升。所以在一定的體積和重量限制下，我們希望正極活性物質多一些，再多一些。

　　2. 提高負極活性物質的占比

　　這個其實是為了配合正極活性物質的增加，需要更多的負極活性物質來容納游過來的鋰離子，存儲能量。如果負極活性物質不夠，多出來的鋰離子會沉積在負極表面，而不是嵌入內部，出現不可逆的化學反應和電池容量衰減。

　　3. 提高正極材料的比容量（克容量）

　　正極活性物質的占比是有上限的，不能無限制提升。在正極活性物質總量一定的情況下，只有盡可能多的鋰離子從正極脫嵌，參與化學反應，才能提升能量密度。所以我們希望可脫嵌的鋰離子相對于正極活性物質的質量占比要高，也就是比容量指標要高。

　　這就是我們研究和選擇不同的正極材料的原因，從鈷酸鋰到磷酸鐵鋰，再到三元材料，都是奔著這個目標去的。

　　前面已經分析過，鈷酸鋰可以達到137mAh/g，錳酸鋰和磷酸鐵鋰的實際值都在120mAh/g左右，鎳鈷錳三元則可以達到180mAh/g。如果要再往上提升，就需要研究新的正極材料，并取得產業化進展。

　　4. 提高負極材料的比容量

　　相對而言，負極材料的比容量還不是鋰離子電池能量密度的主要瓶頸，但是如果進一步提升負極的比容量，則意味著以質量更少的負極材料，就可以容納更多的鋰離子，從而達到提升能量密度的目標。

　　以石墨類碳材料做負極，理論比容量在372mAh/g，在此基礎上研究的硬碳材料和納米碳材料，則可以將比容量提高到600mAh/g以上。錫基和硅基負極材料，也可以將負極的比容量提升到一個很高的量級，這些都是當前研究的熱點方向。

　　5. 減重瘦身

　　除了正負極的活性物質之外，電解液、隔離膜、粘結劑、導電劑、集流體、基體、殼體材料等，都是鋰離子電池的“死重”，占整個電池重量的比例在40%左右。如果能夠減輕這些材料的重量，同時不影響電池的性能，那么同樣也可以提升鋰離子電池的能量密度。

　　在這方面做文章，就需要針對電解液、隔離膜、粘結劑、基體和集流體、殼體材料、制造工藝等方面進行詳細的研究和分析，從而找出合理的方案。各個方面都改善一些，就可以將電池的能量密度整體提升一個幅度。

　　從以上的分析可以看出，提升鋰離子電池的能量密度是一個系統工程，要從改善制造工藝、提升現有材料性能、以及開發新材料和新化學體系這幾個方面入手，尋找短期、中期和長期的解決方案。