为了减轻全球碳排放，不少人都期待着锂电池能够更经济、持续、安全。但事实上受到物理原理的限制，电池本身的性能很难取得突破——需要提一下的是，性能并不仅仅指能量密度，同时也包含了功率、循环次数、安全性等等。因此电池想要获得认可及重用，这些都是需要改进的地方。

首先来看一下不同正极材料的测试统计图，直观地了解它们对电池造成的影响。蓝色区域表示所有测试结果中的最高值，而黑色不规则圈则代表该类正极材料的测试结果。

左：钴酸锂  右：镍钴锰酸锂（NMC)

左：锰酸锂  中：磷酸铁锂  右：镍钴铝酸锂（NCA）

可以看出，每种正极材料都有自己比较擅长的地方，这决定了它们更适用于什么领域。但是即便如此，对于更富挑战的应用来说，它们之中的佼佼者一样还是会有所不足，而这些就是科学家们想要取得突破的方向。

一、功率

“Energy”代表“能量”，“Power”则代表“能量的释放速度”也就是“功率”。功率对于电池的影响，直观一点说就像龟兔赛跑里的兔子，加速快，可以瞬间提供很高的电流，保证汽车加速性能好。

若你给一台工作电流较大的设备配上小功率电池，那这台设备只能罢工了，这就是为什么锂电池到目前为止都无法用于飞机动力的原因，因为飞机飞行需要动力源在非常短的时间内释放足够大的能量。结论很直接，提高电池的功率性能确实可以增大电池的应用范围，但实现起来却没那么容易。

怎么做？

锂电池在工作时，锂离子会在正极负极之间来回移动工作，而从本质上讲，电池的功率是由处理速度的快慢决定的，但如果想加快这个过程，电极层就会容易受损。正因如此，手机、笔记本、电动汽车使用时间越长，电池寿命就越短，每一次充电放电，都会让电极变得更脆弱。

科研人员在这一难关上，提出了一种构想：用结构更坚固的物质替代电极层。例如，瑞士电池公司Leclanché正在开发一种技术，它以拥有橄榄石型结构的磷酸铁锂（LFP）为正极，以拥有尖晶石型结构的锂钛氧化物（LTO）为负极来制作电池，使得锂离子流动效率更高。目前这种电池已被装入无人叉车里使用，只需要9分钟就能充满100%的电。

二、能量密度

能量密度这一点应该是电池领域中被讨论得最多的了。毕竟电池充电时间长不会造成很直接的危害，但是汽车跑到一半突然罢工了才最是要命。

正极

在商用材料中，能量密度最高的阴极是NMC 811。不过这种电极仍然有不完美的地方，譬如它的充放电循环次数相对较少。不过专家预测在未来5年内这个问题有望得到解决，而且 电池能量密度还能提高10%甚至更多。

负极

相比正极材料，负极材料才是如今行业研究人员最看好的方向。便宜又可靠的石墨仍然是最受欢迎的负极材料，但是它的潜力似乎已经被挖掘尽了，现在“硅”这种从理论上讲吸收锂离子能力更佳的材料才是人们关注的重点。

不过完全用硅来制造负极难度极大，因为当石墨吸收锂离子时，体积不会有太大变化，但如果是硅负极在相同的条件下会膨胀到原来的四倍，而且还会破坏硅负极的“固体电解质膜（SEI）”。于是让它与石墨复合形成一种新的硅碳负极材料，被公认为是最有希望实现产业化的方式。

硅碳复合微球负极材料

不过，硅碳负极更易实现，不代表“纯硅”方向就无人研究了。Sila Nano公司 找到一种方法，它将硅原子封装在纳米壳内，里面有许多的“空房间”。这样一来SEI就会在壳外形成，硅原子膨胀是在内部发生的，每次充放电循环时不会破坏SEI，Sila Nano曾说该技术最快 2020 年就会用于设备。

三、安全性能

前段时间的电动汽车自燃、爆炸事故频频发生，搞到人人自危，深怕遭受池鱼之殃。无论如何，安全问题总是要重视的，但当你想把更多的能量塞进电池里时，就很难保证里面能稳如泰山。

锂离子电池之所以存在起火隐患，因为它们大多都用更易于搬运离子的易燃液体作为电解质。有一种解决办法就是使用具备不可燃烧性的固态电解质，不过它的问题在于固固之间无润湿性，界面接触电阻严重影响了离子的传输。目前固体电解质的研究主要集中在三大类材料：聚合物、氧化物和硫化物。

表：三类固体电解质主要体系与性能

聚合物：在高温条件下，聚合物拥有很高的离子电导率，容易成膜，最先实现了小规模商业化生产，目前应用较为成熟的是PEO基聚合物电解质。虽然聚合物固态电池具有安全性高、循环寿命长等优点，但是由于它们只能在较高的温度下工作，因此需要专门的热管理系统，成本较高。目前美国 SEEO和法国 Bollor都在用高温聚合物作为电解质开发新固态电池。

氧化物：氧化物固体电解质按照物质结构可以分为晶态和非晶态两类。晶态电解质化学稳定性高、安全性好，但其低室温电导率是主要障碍，只有部分样品可以在50℃下工作，主要的改善方法是元素替换和异价元素掺杂，目前尚未有量产和大容量电池的报道；非晶态电解质方面，LiPON是全固态薄膜电池的标准电解质材料，并且已经得到了商业化应用，主要研发公司机构为美国Sakti3公司。

柔性薄膜全固态锂二次电池

硫化物：硫化物电解质电导率最高，被认为是未来的主要方向。主要包括 thio-LISICON、LiGPS、LiSnPS、LiSiPS、Li₂S-P₂S₅、Li₂S-SiS₂、Li₂S-B₂S₃等，室温离子电导率可以达到10^-3~10^-2 S/cm，接近甚至超过有机电解液，同时具有热稳定高、安全性能好、电化学稳定窗口宽的特点，在高功率以及高低温固态电池方面优势突出，目前日本丰田是主要的开发机构。

来自丰田的固态电池

结语

随着科技水平的提高，锂电池的进步人人可见，但人们对它在应用上的诟病还是颇多，想要取得大突破也还有众多的难题静待解决。不过既然全世界都在为锂电池的研发而狂热，那么相信这些问题的解决最终也只是时间问题而已。

资料来源：

36氪《电池大突破到底何时到来？三大难题难倒科学家》

史晨星《2020准固态，2025全固态：盘点固态电池的破茧成蝶之路》

粉体圈 小榆整理