高能量密度電池是現(xiàn)代儲(chǔ)能解決方案的前沿技術(shù)，在為電動(dòng)汽車(chē)、無(wú)人機(jī)以及便攜式電子產(chǎn)品等各種設(shè)備供電方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。這些電池以能夠在緊湊、輕便的形態(tài)下存儲(chǔ)大量能量為特點(diǎn)，非常適合空間和重量受限的應(yīng)用場(chǎng)景。在本文中，我們將探討電池高能量的成因，識(shí)別該領(lǐng)域的當(dāng)前領(lǐng)先者，并討論其高性能背后的科學(xué)原理，重點(diǎn)關(guān)注實(shí)現(xiàn)如此驚人的儲(chǔ)能能力的材料和技術(shù)。

什么是高能量密度電池?

高能量密度電池是指相對(duì)于其重量(重量能量密度)或體積(體積能量密度)能夠存儲(chǔ)大量能量的電池。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，高能量密度電池能夠在更小或更輕的包裝中提供更長(zhǎng)時(shí)間的電力或存儲(chǔ)更多能量。這在電動(dòng)汽車(chē)(EV)、無(wú)人機(jī)和便攜式電子產(chǎn)品等應(yīng)用中尤為重要，因?yàn)檫@些應(yīng)用需要最大限度地提高能量存儲(chǔ)能力，同時(shí)盡可能減小尺寸和重量。

哪種電池的能量密度最高?

目前，能量密度最高的電池是鋰金屬電池(尤其是固態(tài)鋰離子或鋰硫(Li-S)電池)。這些電池仍處于研發(fā)階段，商業(yè)可行性仍在探索中，但它們已展現(xiàn)出巨大潛力。

在已商業(yè)化的電池中，鋰離子電池(Li-ion)是當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)，與其他商業(yè)選項(xiàng)相比，它提供了高能量密度。鋰離子電池中的鎳鈷錳(NCM)和鎳鈷鋁(NCA)化學(xué)成分特別以高能量密度而聞名。最好的鋰離子電池的能量密度可達(dá)250–300瓦時(shí)/千克(Wh/kg)。

能量密度最高的商用電池是固態(tài)鋰離子電池，由于使用了鋰金屬正極和固態(tài)電解質(zhì)，其能量密度預(yù)計(jì)比傳統(tǒng)鋰離子電池高出約50%–100%(高達(dá)500瓦時(shí)/千克)。

為什么鋰離子電池具有高能量密度?

鋰離子電池通過(guò)鋰離子(Li?)在充電和放電期間在正極和負(fù)極之間的移動(dòng)來(lái)工作。這種離子移動(dòng)以及電子的流動(dòng)產(chǎn)生和儲(chǔ)存電能。充電時(shí)，鋰離子從正極材料(通常是石墨)中提取出來(lái)，通過(guò)電解質(zhì)移動(dòng)到負(fù)極。這些離子被插入到負(fù)極材料(如鋰鈷氧化物，LCO)中儲(chǔ)存能量。同時(shí)，電子通過(guò)外部電路流向正極。放電時(shí)，鋰離子通過(guò)電解質(zhì)從負(fù)極移回正極。離子的這種移動(dòng)產(chǎn)生電流，為設(shè)備供電。

基于鋰離子電池的工作原理，我們可以看出其高能量密度主要來(lái)自于鋰離子本身的獨(dú)特性質(zhì)、高容量的正極和負(fù)極材料，以及促進(jìn)離子傳輸?shù)母咝щ娊赓|(zhì)材料。

1、鋰的高比能量

鋰是最輕的金屬，其原子尺寸小，使得每單位質(zhì)量能夠儲(chǔ)存更多能量(高重量能量密度)。這意味著與其他電池類(lèi)型中使用的金屬(如鉛酸電池中的鉛或堿性電池中的鋅)相比，基于鋰的電池能夠以更少的重量?jī)?chǔ)存更多能量。

2、高容量電極材料

鋰離子電池中使用的負(fù)極和正極材料經(jīng)過(guò)優(yōu)化，以在不損害電池循環(huán)壽命或安全性的情況下最大化能夠儲(chǔ)存的鋰離子數(shù)量。

石墨是最常見(jiàn)的正極材料，它能夠有效地儲(chǔ)存鋰離子。硅基正極的容量甚至比石墨更高，但它們往往存在體積膨脹問(wèn)題。對(duì)于負(fù)極，鋰離子電池通常采用高容量負(fù)極材料，如鋰鈷氧化物(LCO)和鋰鎳錳鈷氧化物(NMC)。這些材料能夠儲(chǔ)存大量能量。

3、高離子電導(dǎo)率(電解質(zhì))

具有高離子電導(dǎo)率的電解質(zhì)可促進(jìn)離子在正極和負(fù)極之間的移動(dòng)，從而提高能量密度。

鋰離子電池通常使用促進(jìn)鋰離子在電極之間快速移動(dòng)的液態(tài)電解質(zhì)。這種高效的離子傳輸最大限度地減少了充電和放電期間的能量損失。鋰離子電池中使用的固態(tài)電解質(zhì)比許多其他電池類(lèi)型中使用的液態(tài)電解質(zhì)更高效，允許在給定體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的能量存儲(chǔ)密度(體積能量密度)。

如何提高鋰離子電池的能量密度?

提高鋰離子電池(Li-ion)的能量密度是研究的關(guān)鍵領(lǐng)域，因?yàn)樗苯佑绊戨姵氐娜萘俊⑦\(yùn)行時(shí)間和尺寸方面的性能。鋰離子電池的能量密度主要由負(fù)極、正極和電解質(zhì)中使用的材料決定。以下是從這三個(gè)角度提高能量密度的策略：

1、負(fù)極改進(jìn)

負(fù)極材料在決定鋰離子電池的整體容量方面起著至關(guān)重要的作用。負(fù)極的能量密度取決于其高效存儲(chǔ)和釋放鋰離子的能力。

高鎳負(fù)極：在層狀氧化物負(fù)極(如NMC、NCA)中增加鎳含量，可以顯著提升能量密度，因?yàn)殒嚹軌虼鎯?chǔ)比鈷更多的鋰離子。

NMC：由于其能量密度、成本和安全性之間的良好平衡，NMC成為受歡迎的選擇。對(duì)其成分和結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步優(yōu)化可以帶來(lái)性能提升。鎳含量更高的材料(例如含有80%鎳的NCM 811)能夠提高能量密度。

2、正極改進(jìn)

正極材料在決定電池的儲(chǔ)能能力方面同樣重要。傳統(tǒng)上，石墨被用作正極材料，但有多種方法可以改進(jìn)正極，從而提高能量密度。

硅基正極：硅的理論容量遠(yuǎn)高于石墨(約為4,200 mAh/g，而石墨為372 mAh/g)，這意味著硅能夠存儲(chǔ)更多的鋰離子。然而，硅正極在充放電循環(huán)中容易發(fā)生體積膨脹和機(jī)械退化，這會(huì)降低電池的循環(huán)壽命。解決這一問(wèn)題的方法包括使用硅碳復(fù)合材料、納米結(jié)構(gòu)硅或硅氧化物來(lái)減輕膨脹問(wèn)題。

鋰金屬正極：鋰金屬正極的理論容量甚至高于硅(約為3,860 mAh/g)，但在循環(huán)過(guò)程中形成的枝晶會(huì)導(dǎo)致安全風(fēng)險(xiǎn)并縮短循環(huán)壽命。固體電解質(zhì)和先進(jìn)的表面涂層是潛在的解決方案。

3、電解質(zhì)改進(jìn)

鋰離子電池中的電解質(zhì)促進(jìn)鋰離子在正極和負(fù)極之間的流動(dòng)。其成分可以影響電池的能量密度、穩(wěn)定性和安全性。

固體電解質(zhì)：固體電解質(zhì)(如陶瓷或硫化物基電解質(zhì))可以替代液體電解質(zhì)。它們具有高離子傳導(dǎo)性、更高的安全性(不可燃)以及可能使用鋰金屬正極的潛力，從而實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。

離子液體和聚合物電解質(zhì)：離子液體是不可燃、耐高溫的電解質(zhì)，有助于提高電池的安全性和穩(wěn)定性，同時(shí)可能實(shí)現(xiàn)更高的能量密度。聚合物電解質(zhì)具有柔韌性，可根據(jù)固體應(yīng)用的需求進(jìn)行定制，有助于提高安全性，并可能提高體積能量密度。

隨著對(duì)更高效、更持久的能源需求持續(xù)增長(zhǎng)，開(kāi)發(fā)高能量密度電池仍然是創(chuàng)新的關(guān)鍵領(lǐng)域。從負(fù)極和正極材料的進(jìn)步到固體電解質(zhì)的潛力，研究人員正在不斷突破極限，以提高電池性能。格瑞普的高能量密度半固態(tài)電池采用先進(jìn)的高鎳NMC負(fù)極材料、硅碳正極材料和涂層隔膜技術(shù)，最大能量密度高達(dá)350 Wh/kg。這使得它成為無(wú)人機(jī)、仿人機(jī)器人和消費(fèi)電子產(chǎn)品等需要輕便且高性能電源的應(yīng)用領(lǐng)域的理想選擇，其中重量是一個(gè)關(guān)鍵因素。