在《為什么鋰硫/鋰空電池不具備動(dòng)力電池應(yīng)用前景》一文中，武漢大學(xué)教授艾新平已經(jīng)認(rèn)可了近期、中期目標(biāo)的可行性，并詳細(xì)討論了鋰硫/鋰空電池不具備動(dòng)力電池應(yīng)用前景的原因;在《鋰電核心材料革新的出路究竟在哪里?》一文中，也論述了下一代鋰電材料的解決方案。

　　但事實(shí)上，除了某些核心材料的革新，鋰電池開發(fā)還存在許多技術(shù)問(wèn)題。比如電池安全性問(wèn)題、高載量電極的設(shè)計(jì)技術(shù)等等。

　　1、電池安全性問(wèn)題。

　　2016年承擔(dān)300Wh/kg電池項(xiàng)目開發(fā)的三家單位，電池安全性都還不能滿足考核要求，而300Wh/kg電池2020年能不能真正裝車其實(shí)并不是性能問(wèn)題，而是安全性問(wèn)題。

　　其中，正極的分解放熱是導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐囊粋€(gè)重要誘因。以三原材料為例，不管是高鎳三元還是一般的三元，它們的熱穩(wěn)定性都比磷酸鐵鋰差很多，不僅放熱量大，而且分解溫度低，這就會(huì)導(dǎo)致我們未來(lái)電池的安全問(wèn)題會(huì)更加嚴(yán)重。當(dāng)然解決安全性問(wèn)題，要從三個(gè)方面，材料、單體、系統(tǒng)全方位的開展工作。

　　艾新平認(rèn)為從安全性整個(gè)解決思路來(lái)講，材料是基礎(chǔ)，什么材料就決定了什么樣的安全性;單體是關(guān)鍵，好和壞由單體決定的;系統(tǒng)是保障，鋰離子單體發(fā)生了熱失控也不至于把其他的都引發(fā)。

　　這里僅討論從單體層面上的幾個(gè)解決思路。

　　第一種思路，發(fā)展電池自激發(fā)熱保護(hù)技術(shù)。

　　鋰電池是沒(méi)有溫度敏感特征的，溫度一高就可能引發(fā)熱失控。如果在電池中存在一種溫度敏感材料，在溫度高時(shí)能有效地切斷電子和離子的傳輸，那么在濫用條件下電池就會(huì)自動(dòng)關(guān)閉其反應(yīng)，避免溫度的進(jìn)一步升高。

　　最簡(jiǎn)單的辦法，就是將PTC材料用于電池中，實(shí)現(xiàn)溫度敏感。其實(shí)很多領(lǐng)域都在用PTC材料，只不過(guò)沒(méi)用到電池上面。PTC材料主要特點(diǎn)是，在常溫下電導(dǎo)很好;當(dāng)達(dá)到某一個(gè)轉(zhuǎn)化溫度時(shí)，電阻急劇上升，從一個(gè)導(dǎo)體變成一個(gè)絕緣體，這樣就切斷了電極上的電子傳輸。

　　研究還發(fā)現(xiàn)，一些導(dǎo)電聚合物，具有PTC效應(yīng)，而且可溶。利用這種材料可以制備非常薄的涂層。比如：P3OT這種聚合物，在30—80度的時(shí)候電導(dǎo)率是比較高的，但是90—110度的時(shí)候馬上有三個(gè)數(shù)量級(jí)的變化，這個(gè)涂層不到1個(gè)微米，600納米左右，這樣不會(huì)影響電池的能量密度。這個(gè)材料在120度的時(shí)候展出熱關(guān)閉的性質(zhì)，顯著改善了電池在過(guò)充、熱箱、針刺等條件下的安全性。

　　此外，熱關(guān)閉隔膜，也是一種可行的辦法?，F(xiàn)有的三層隔膜都具有熱關(guān)閉功能。常規(guī)的隔膜，它的閉孔溫度是由PE熔點(diǎn)決定的，大約135度左右;熔化溫度是由PP熔點(diǎn)決定的，大約165度。由于閉孔溫度過(guò)高，熱關(guān)閉后，熱慣性極易使電池溫度繼續(xù)上升到165度，造成隔膜熔化和電池短路，因此常規(guī)隔膜的熱保護(hù)作用有限。

　　如果在隔膜表面涂敷一層塑料微孔，那么達(dá)到微球熔點(diǎn)的溫度時(shí)，表面微球?qū)泳腿刍?。球熔化以后就把這個(gè)隔膜的孔給堵上。其結(jié)果是，微球朝向哪一面電極，哪一面電極表面的孔就被堵死，效果非常明顯，由于離子傳輸被切斷了，電池反應(yīng)就停止了，電池就安全了。

　　解決安全性問(wèn)題的第二個(gè)思路是，發(fā)展全固態(tài)電池。

　　實(shí)際上從提高體積能量密度來(lái)講，全固態(tài)電池非常有前景。隨著電池密度提高，體積能量密度對(duì)乘用車來(lái)說(shuō)越來(lái)越顯得重要。從第57屆日本電池會(huì)議上反饋的信息來(lái)看，韓國(guó)、日本的一些研發(fā)機(jī)構(gòu)都在開展固態(tài)電池的研究，國(guó)內(nèi)的ATL等一些大的電池企業(yè)也在做這方面的研究。

　　全固態(tài)和液體比較，主要優(yōu)勢(shì)是高安全性，另一個(gè)特點(diǎn)就是能夠?qū)崿F(xiàn)內(nèi)串聯(lián)，有利于模塊和系統(tǒng)能量密度的提升。但是它的界面應(yīng)力大、穩(wěn)定性差，固體電解質(zhì)必須跟活性材料顆粒充分接觸，否則無(wú)法實(shí)現(xiàn)鋰離子的傳輸。但是任何電極材料，不管是石墨還是三元材料，充放電過(guò)程中都會(huì)出現(xiàn)體積變化。一旦體積變化引起固/固分離，鋰離子的傳導(dǎo)就會(huì)受阻，電池性能就會(huì)急速下降。

　　所以固體電池整個(gè)研發(fā)的重點(diǎn)之一是固體電解質(zhì)的選擇，現(xiàn)在來(lái)看，硫化物是比較適合的，因?yàn)榱蚧锵鄬?duì)軟一些;二是固/固界面的構(gòu)筑技術(shù)和穩(wěn)定化技術(shù)，這里面就有訣竅了，如果用純粹的固體電解質(zhì)做肯定做不到，最好的辦法就是無(wú)機(jī)和高分子的雜化體;三是生產(chǎn)工藝和專用設(shè)備的開發(fā)。固態(tài)電池的生產(chǎn)過(guò)程肯定跟我們現(xiàn)在的業(yè)態(tài)不一樣。

　　2、高載量電極的設(shè)計(jì)技術(shù)。

　　能量密度提高以后，電極設(shè)計(jì)問(wèn)題更突出?；钚晕镔|(zhì)在電池中的占比是影響電池比能量的一個(gè)重要因素。同樣正負(fù)極材料，同樣的克容量，如果一個(gè)電池里面活性物質(zhì)質(zhì)量占比較小的話，電池的能量密度就低。所以要提高能量密度，一定要從相同重量的電池里面盡量多地填充活性物質(zhì)。活性物質(zhì)多一定是輔助材料少，銅箔要減少、鋁箔要減少;其實(shí)最主要的是將電極做厚，電極厚了，集流體和隔膜的用量也就減少了。

　　但是，鋰離子電極不能做厚，厚了之后電極表面極化就變大了，電極在厚度方向的利用率就降低，而且會(huì)造成充電過(guò)程中負(fù)極析鋰、正極分解等問(wèn)題。從提高能量密度來(lái)講，希望越厚越好;但是極化理論告訴我們，電極越薄越好，這兩者是完全矛盾的。隨著能量密度提高，比如一個(gè)單體100wh/kg，現(xiàn)在變成300wh/kg，意味著單位重量的材料所承擔(dān)的電流同步提高，因此對(duì)于今后的高能量密度電池，保持功率性能是非常難的，所以高載量的電極設(shè)計(jì)技術(shù)越來(lái)越重要。

　　而解決的這種矛盾的辦法其實(shí)是有的。越靠近隔膜的時(shí)候液相電流是越大的，這個(gè)電流就是外部電流;沿著極片厚度方向，液相電流慢慢減少，固相電流逐漸增加。所以越靠近隔膜電極孔隙應(yīng)該越高，越靠近電極的極流體，電極孔隙可以越低。所以，既要保證高能量密度、又要保證功率性能，一定要設(shè)計(jì)一種梯度孔隙分布的電極，至于怎么做大家想辦法。隨著新材料的應(yīng)用、電池能量密度的提高，梯度孔隙電極的設(shè)計(jì)越發(fā)重要。至于梯度達(dá)到什么程度，不是靠試驗(yàn)摸索，試驗(yàn)摸索很難的，要建立極化模型。

　　最后是武漢大學(xué)教授艾新平的總結(jié)：

　　1)鋰離子電池仍然是動(dòng)力電池發(fā)展的重點(diǎn)，解決硅負(fù)極的循環(huán)庫(kù)倫效率低和富鋰錳基的電壓衰減問(wèn)題，有望發(fā)展出比能量突破400wh/kg的先進(jìn)鋰離子動(dòng)力電池。

　　2)從遠(yuǎn)期來(lái)看，革新型鋰離子電池較鋰硫、鋰空更具現(xiàn)實(shí)可行性。開發(fā)基于陰離子電荷補(bǔ)償機(jī)制的高容量富鋰氧化物正極，可以發(fā)展出比能量大于500wh/kg的動(dòng)力電池。

　　3)安全性決定了高比能電池裝車應(yīng)用的前景，發(fā)展自發(fā)熱控制技術(shù)和全固態(tài)電池是可行的解決方案，需加緊攻關(guān)。

　　4)高載量電極是實(shí)現(xiàn)電池高比能的基礎(chǔ)，根據(jù)極化末新，開發(fā)梯度孔率電極，對(duì)于高比能量電池發(fā)展具有重要作用和意義。