中科院院士孙世刚：现有锂离子电池能量密度已接近理论极限

尽管中国锂电池行业蓬勃发展，甚至领先世界，但中国锂电池产业的发展仍需要以技术创新为基础，居安思危。

11月9日，在中国（遂宁）国际锂电池产业大会和新能源汽车与动力电池国际交流大会上，中国科学院院士、厦门大学教授孙世刚表示，当前中国锂电池产业发展面临资源、能源、安全、，以及使用环境。

首先是资源消耗。据孙世刚介绍，目前，0.5kg锂用于生产1KW锂离子电池。根据美国地质调查局的最新调查数据，全球金属锂储量约为1350万吨（总锂储量约3950万吨），只能使用100多年。中国的锂资源位居世界第六。资源以盐湖为主。锂含量低，镁锂比高，难以提取。70%的锂依赖进口。预计到2025年，中国的锂电容量将达到约3900GWh，预计需要39万吨锂金属。

其次，现有锂离子电池的能量密度已接近理论极限。孙世刚说：“电池的能量密度与电池的原理有关。例如，锂离子电池的能量浓度与反应电子束和活性材料的重量和密度有关。”。“锂离子电池的当前能量密度接近上限。”

据了解，主流的磷酸铁锂电池能量密度在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远不能满足重大发展的要求，这限制了多场景的应用。要提高无人机和其他设备的速度和航程，需要大幅提高电池的能量和功率密度。

值得一提的是，就在上个月，美国国家航空航天局（NASA）宣布成功开发了一种硫硒纯固态电池。电解质材料使用廉价且容易获得的硫，并且不含液体。电池能量密度达到了500Wh/kg，大约是目前特斯拉4680圆柱形锂离子电池的两倍。美国宇航局宣布，这项技术未来将在电动飞机上推广·

孙世刚指出，现有锂离子电池面临的挑战还包括安全事故频发。锂离子电池容易发生电池热失控。常见的原因包括过度充电导致电池正极材料中产生气体，导致电池爆裂，快速充电导致电池负极中的锂沉淀，引发短路，以及快速充电导致温度快速升高，导致电解液燃烧。

最后，电池使用环境受到限制。在低温环境下，锂离子电池的电解质粘度会变大，离子迁移速度会变慢，充放电能量会迅速下降。在高温下，电池正负极边界处的面膜不稳定，导致材料结构损坏和爆炸性气体产生。在深空、深海等应用场景中，要求电池具有更高、更宽的温度范围。

因此，针对资源、能源、安全和极端环境四大挑战，孙世刚表示，从技术创新的角度来看，需要从材料、接口、传输和系统四个层面解决。

首先，提高电池系统的能量密度，包括建设高容量高压正极和高容量低压负极。阴极材料的选择将从钴酸锂到磷酸铁锂，再到高镍三元材料，最后是硫和氧。在阳极材料的选择方面，目前的石墨、硅以及最终的锂金属都得到了发展。然而，使用锂金属负极和高压正极也会带来安全问题。

“对于锂金属阳极，锂的理论比容量非常高，可以达到3000mAh/g，但很容易形成锂枝晶