鋰離子電池的誕生可以說是儲能范疇的一場革命，鋰離子電池的廣泛應(yīng)用徹底的轉(zhuǎn)變了我們的生存，簡便的手機、條記本電腦，長續(xù)航的電動汽車等等，我們的生存已經(jīng)與鋰離子電池牢牢的捆綁在了一起，很難信賴要是我們失去了像鋰離子電池如許便捷、高效的儲能電池后我們的生存會釀成什么樣。

隨著鋰離子電池技能的不停生長，我們也對鋰離子電池的性能提出了更高的要求，我們盼望鋰離子電池更小、更簡便、儲能更多，這些訴求也在推動著鋰離子電池研究事情不停進步。從電池布局和新質(zhì)料、新體系的接納，可愛的鋰離子電池研究者們不停實驗種種要領(lǐng)進步鋰離子電池能量密度的要領(lǐng)。

1.布局計劃

進步鋰離子電池的比能量從布局上講，要進步正負(fù)極活性物質(zhì)在鋰離子電池中所占的比例。鋰離子電池重要由正負(fù)極活性物質(zhì)、隔閡、銅箔、鋁箔和殼體及布局件等部門構(gòu)成，此中真正可以大概為鋰離子電池提供容量的只有活性物質(zhì)，因此進步活性物質(zhì)在鋰離子電池中所占的比重才是最有用的進步鋰離子電池本領(lǐng)。比方近來特斯拉在鼎力大肆推動的21700電池，便是通過利用直徑更大的電芯(21mm)，增長電芯的高度(70mm)進步活性物質(zhì)占比，淘汰布局件等非活性質(zhì)料的比重，進步鋰離子電池的比能量，低落單元瓦時本錢。別的軟包電池也是淘汰布局件重量的有用要領(lǐng)，通過利用鋁塑膜代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼制外殼，可以極大的淘汰布局件在鋰離子電池中所占的比重。

除了增大鋰離子電池的直徑，別的一個有用進步鋰離子電池比能量的要領(lǐng)是淘汰隔閡的厚度，現(xiàn)在常見的PP-PE-PP三層復(fù)合隔閡的厚度一樣通常到達30um以上，到達正負(fù)極極片的厚度的20%左右，這也造成了嚴(yán)峻的空間浪費，為了淘汰隔閡所占的空間，現(xiàn)在寬大鋰離子電池廠家廣泛接納帶有涂層的薄隔閡，這些隔閡的厚度可到達20um以下，可以在包管鋰離子電池寧靜的條件下，明顯的淘汰隔閡所占的體積比例，進步活性物質(zhì)占比，進步鋰離子電池比能量。

別的的一種增長活性物質(zhì)比例的要領(lǐng)是從電池的生產(chǎn)工藝的角度入手，起首是增長活性物質(zhì)在電極中占比。一樣通常鋰離子電池的電綦重要由四大部門構(gòu)成，活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑和集流體構(gòu)成，為了進步活性物質(zhì)比例，就必要低落其他部門的比例，通過接納新型導(dǎo)電劑、粘結(jié)劑從而淘汰導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的比例，接納更薄的集流體來淘汰非活性物質(zhì)的所占的比例。其次，必要進步正負(fù)極的涂布量，但是進步電極的涂布量還面對的一個題目：當(dāng)電極過厚時會造成電極的Li+擴散動力學(xué)條件變差，影響鋰離子電池的倍率和循環(huán)性能，為相識決這一題目德國卡爾斯魯厄理工學(xué)院的BorisBitsch等[1]利用毛細(xì)懸濁液和多層電極工藝制備了具有梯度孔隙率的高性能厚電極。在靠近銅箔的低層，BorisBitsch等接納了平凡漿料，使得其具有較低的孔隙率和精良的導(dǎo)電性，而在闊別銅箔的表層，BorisBitsch則接納了毛細(xì)懸濁液漿料，并向此中添加了1-辛醇，使其孔隙率明顯增長，改進了電極的動力學(xué)條件，從而使得該電極的孔隙率自下而上出現(xiàn)出漸漸增長的特性，明顯改進了厚電極的動力學(xué)條件，進步了厚電極的電化學(xué)性能，從而實現(xiàn)了在進步電池重量和體積比能量的同時不低落電池的循環(huán)性能。

進步鋰離子電池比能量的別的一個重要的要領(lǐng)便是控制電解液的數(shù)目，淘汰電解液的數(shù)目可以有用的進步鋰離子電池的能量密度。電解液在鋰離子電池內(nèi)部起到一個前言的作用，正負(fù)極的Li+通過電解液舉行擴散，因此電解液理論上來講是一種“非斲喪品”，只要有少量的電解液包管Li+在正負(fù)極之間自由擴散就行了，但是現(xiàn)實上由于在化成歷程中SEI膜的形成導(dǎo)致電解液剖析，以及在循環(huán)歷程中SEI膜粉碎和正極氧化等緣故原由造成的電解液剖析，導(dǎo)致電解液在現(xiàn)實上是連續(xù)斲喪的，因此電池內(nèi)的電解液一樣通常而言都是過量的，這也是導(dǎo)致鋰離子電池比能量低的一個重要緣故原由，為了淘汰電解液量，同時包管電池的性能，必要我們對電解液溶劑體系和電解液添加劑體系舉行改進，進步電解液的穩(wěn)固性。為了改進電解液在三元質(zhì)料NMC電池中的穩(wěn)固性，德國明斯特大學(xué)的YunxianQian等[2]向傳統(tǒng)的EC和EMC(重量比為3:7)為溶劑的電解液中添加了少量的FEC添加劑，發(fā)明FEC添加劑可以大概有用的淘汰電解液的剖析，進步NMC電池的初次庫倫服從，并明顯改進電池的循環(huán)穩(wěn)固性。

2.正負(fù)極活性物質(zhì)的選擇

隨著我們對鋰離子電池能量密度的要求不停進步，傳統(tǒng)的LiCoO2質(zhì)料已經(jīng)物法滿意高比能鋰離子電池的需求，為了進一步提拔鋰離子電池的能量密度，我們有兩個大偏向可以選擇：1)進步鋰離子電池的事情電壓；2)進步正負(fù)極質(zhì)料的容量。起首我們從第1)方面來闡發(fā)一下進步鋰離子電池能量密度的可行性，鋰離子電池的事情電壓取決于正負(fù)極質(zhì)料之間的電壓差，現(xiàn)在負(fù)極質(zhì)料石墨的電壓已經(jīng)很低(約0.1VvsLi+/Li)，進一步低落的空間并不大，提拔鋰離子電池電壓重要從正極質(zhì)料方面進舉措手，現(xiàn)在可供選擇的高電壓質(zhì)料重要有以下幾類：

(1)高電壓的尖晶石鎳錳酸鋰LiNi0.5Mn1.5O4質(zhì)料，其事情電壓可達5.0V，電壓平臺在4.7V左右，理論容量為147mAh/g，現(xiàn)實容量可達138mAh/g以上。(2)橄欖石類的高電壓質(zhì)料，比方LiMnPO4和LiCoPO4質(zhì)料等，此中LiMnPO4質(zhì)料的電壓平臺可以到達4.1V左右，LiCoPO4質(zhì)料的更是可以到達4.8V左右。(3)富鋰質(zhì)料，富鋰質(zhì)料的理論容量可達200mAh/g以上，乃至是300mAh/g，但是為了發(fā)揮出富鋰質(zhì)料高容量的上風(fēng)，必要將其事情電壓進步，乃至到達4.8V左右。

這些高電壓質(zhì)料除了要辦理自身存在的題目外，還面對著一個同樣的題目：高電壓下電解液不穩(wěn)固的題目，現(xiàn)在商用的鋰離子電池電解液一樣通常是基于碳酸酯類的有機電解液，溶劑鹽為LiPF6，這也導(dǎo)致在高電勢下，電解液極易被氧化剖析，導(dǎo)致電池的性能嚴(yán)峻降落，乃至產(chǎn)生寧靜題目。為了降服這一困難，我們可以從兩個方面進舉措手，起首是從電解液溶劑體系方面，為了進步電解液的電化學(xué)穩(wěn)固窗口，可以接納更為穩(wěn)固的離子液體電解液和新型的電解質(zhì)鹽。另一方面，為了淘汰高電壓質(zhì)料對電解液的氧化，可以對高電壓質(zhì)料舉行外貌的包覆處置處罰，從而斷絕電解液與活性物質(zhì)。華南師范的大學(xué)的DongruiChen等[3]利用Li3PO4對富鋰層狀質(zhì)料舉行了外貌包覆處置處罰，Li3PO4包覆明顯改進了富鋰質(zhì)料的循環(huán)性能，淘汰了過渡金屬元素的溶解，克制了層狀布局向尖晶石布局的變化。

進步鋰離子電池比能量的別的一個重要的方面便是進步正負(fù)極活性物質(zhì)的比容量，這必要從正極質(zhì)料和負(fù)極質(zhì)料配合動手。正極質(zhì)料方面可供我們選擇的高容量的正極質(zhì)料重要有以下兩大類：1)三元質(zhì)料NCM和NCA；2)富鋰質(zhì)料。

三元質(zhì)料是現(xiàn)在最為成熟的高容量的正極質(zhì)料，并且隨著Ni含量的進步，三元質(zhì)料的比容量也會相應(yīng)的進步，比方高鎳的NCM811質(zhì)料，比容量可達200mAh/g左右，高鎳NCA質(zhì)料比容量也可以到達190mAh/g左右，要遠高于LiCoO2質(zhì)料。富鋰質(zhì)料是比年來新生長起來的高容量正極質(zhì)料，其比容量可以到達200mAh/g以上，乃至是300mAh/g，但是現(xiàn)在富鋰質(zhì)料在市場上還較為少見，究其緣故原由重要有以下幾點：1.不行逆容量高；2.電壓衰降；3.循環(huán)性能差。改進其性能必要從元素?fù)诫s和外貌包覆，以及質(zhì)料布局計劃等方面進舉措手。

高容量的負(fù)極質(zhì)料方面，我們重要有以下幾個選項：1)硅基質(zhì)料；2)N摻雜石墨類質(zhì)料；3)過分金屬S化物類質(zhì)料；4)金屬鋰負(fù)極。硅負(fù)極質(zhì)料不需多說，這也是現(xiàn)在市場上最為成熟可靠的高容量負(fù)極質(zhì)料，晶體Si的比容量可達4200mAh/g以上，但是膨脹大、循環(huán)性能差，SiOX固然容量稍低(1500mAh/g左右)，但是循環(huán)性能優(yōu)秀，缺點是初次服從低。N摻雜石墨質(zhì)料是比年來高容量負(fù)極質(zhì)料的一個研究熱門，N原子的電負(fù)性為3.5左右，在石墨中摻入N元素后，可以明顯的進步石墨負(fù)極的比容量，武漢大學(xué)的KaifuHuo等[4]利用模版法制備了N摻雜介孔碳中空球質(zhì)料，其在0.1A/g的電流密度下，比容量可達931mAh/g，0.5A/g的電流密度下，循環(huán)1100此，仍舊可以大概連結(jié)485.7mAh/g的比容量。

金屬硫化物重要指的是MoS2，其可逆容量可達1290mAh/g，遠高于石墨質(zhì)料，但是離子擴散速率低、電子電導(dǎo)率低影響其性能發(fā)揮，為了降服之一題目，JieShao等[5]以N摻雜石墨質(zhì)料為基體，在上面生長MoS2納米片，該質(zhì)料體現(xiàn)出了精良的電化學(xué)性能，在10A/g的超大電流密度下，比容量仍舊可達915mAh/g。

金屬Li負(fù)極比容量可達3860mAh/g，電勢低，導(dǎo)電性好，是一種抱負(fù)的鋰離子電池負(fù)極質(zhì)料，早期由于寧靜性題目而被石墨質(zhì)料所代替，而比年來隨著Li-S電池和Li-O2電池的快速生長，對金屬Li負(fù)極的研究漸漸深入，已經(jīng)有多種本領(lǐng)可以克制鋰枝晶的生長，降服金屬Li充放電歷程中的體積膨脹，進步金屬Li負(fù)極的寧靜性，改進循環(huán)性能，金屬Li負(fù)極在鋰離子電池中應(yīng)用的機遇已經(jīng)成熟，據(jù)估算將鋰離子電池的負(fù)極更換為金屬鋰，可以將鋰離子電池的能量密度進步到440Wh/kg左右[6]。

進步鋰離子電池的比能量是一個龐大而困難的工程，必要我們可愛的科研事情者們支付巨大的高興，才氣推動鋰離子電池能量密度一點點的進步.