【热文回顾】《储能科学与技术》2020年第2期最受关注论文TOP10

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高能量密度锂电池开发策略

李泓等，中国科学院物理研究所

近年来各国政府对锂电池的发展都提出了阶段性的目标，要在满足安全性和其他综合技术指标的前提下，不断提高锂电池的能量密度，其基本思路是不断开发高比能电池材料的组合，并优化电芯设计及制造工艺。本文从材料筛选和电芯设计两方面出发，介绍了高能量密度锂电池的主要开发策略和未来发展趋势。在活性材料方面，总结了高比能锂电池正负极活性材料的研究现状，综合考虑了材料本身的性能和工程化、商业化前景，提出了富锂锰基正极材料和复合金属锂负极材料是高能量密度电池最具发展前景的活性材料；在非活性材料方面，总结了电解液、固态电解质、隔膜在不断提高能量密度的电池体系中可能面临的问题以及解决思路，提出
了原位固态化技术是可行的技术路线之一；在电芯设计方面，评估了辅材选择和结构设计对电芯能量密度的影响，提出了高能量密度电芯设计的具体思路。最后，本文对高能量密度锂电池的开发做了全面的展望，提出锂
电池的开发应从高能量、高安全、长寿命、快充放、低成本、耐高低温六个维度进行综合考虑，在保障其特定应用场景的使用要求下，不断提升能量密度是用户的终极需求。

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黄 晓等，浙江锋锂新能源科技有限公司

锂离子固体电解质是发展高安全性固态锂电池的关键材料，其性能与全电池的性能表现密切相关。离子电导率、电子电导率、化学窗口和对锂界面稳定性是锂离子固体电解质的基础电化学性能。对这些基础性能的准确测试有助于分析锂离子固体电解质材料的特性与功能，指导固态电池的构建。本文详细介绍交流阻抗谱法测试锂离子固体电解质的离子电导率的原理，并结合实例分析了仪器设备、阻塞电极、电极引线和测试偏压对测量结果的影响。针对氧化物、硫化物和聚合物三类锂离子固体电解质体系，本文介绍对称电池的制作方法并结合实测得到的典型阻抗谱曲线分析不同种类电解质材料的差异。此外，本文详细阐述了基于离子阻塞电极的直流极化方法测量电解质的电子电导率、基于改进的Hebb-Wagner电池构型的循环伏安法测量电解质的电化学窗口和基于金属锂对称电池的电化学循环方法测量电解质与锂的界面稳定性，并结合具体案例阐述数据的分析。 

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陆盈盈等，浙江大学

层状三元材料LiNixCoyMn1-x-yO2（以下简称NCM）具有较高的比容量和工作电压平台及良好的倍率性能，在电动汽车领域占据重要地位。为满足电动汽车续航里程的需求，提高工作电压被视为提升三元锂离子电池能量密度的一种有效手段。然而现存电解液电化学窗口窄，无法实现高电压下的稳定循环。本综述对高工作电压下的NCM电池电解质进行探讨，从电解液在高工作电压下分解相关的前线轨道理论及电极与电解液界面反应出发，指出了提高三元正极材料锂离子电池高压工作性能的关键，总结了近年来高工作电压下三元正极材料锂离子电池非水系电解质在溶剂、锂盐、添加剂等方面的设计进展以及固态电解质和离子液体在高工作电压下CM电池中的应用。最后对电解液在高工作电压下的实际应用提出改进方案，对未来固态电解质的发展趋势提出展望。

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黄学杰等，中国科学院物理研究所

锂离子电池是一种新型的二次能源，担负着未来电池发展的新方向，广泛应用于人们的生产生活中，但商品化锂离子电池的能量密度和循环性能目前还难以满足生产力发展的需求。人们在探寻性能更优的锂离子电池电极材料时，发现具有多孔以及大比表面积特性的金属有机骨架材料（MOFs）及其相应的衍生物相比传统电极材料，在提高锂离子扩散速率、缓解体积变化和保证循环稳定性方面具备更好的优势，因此，MOFs及其衍生物是一种非常有潜力的锂离子电池电极材料。为此，本文主要通过对近期相关文献的探讨，对MIL、MOF、IF和普鲁士蓝系列MOFs及其衍生物作为锂电池负极和正极的研究进行详细综述，着重介绍了上述材料的制备方法以及锂离子电池容量提高的影响机理，得出MOFs及其衍生物较好的电荷负载能力和多孔结构的特点，是相对于传统锂离子电池电极性能更优的原因。最后指出针对目前MOFs类电极材料遇到的最大问题，未来应在与其他导电材料复合，机械化学合成方法和不依赖昂贵材料三个发展方向进行努力，有望实现MOFs类锂离子电池电极材料的商业化发展。 

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卢侠等，中山大学

高安全、高能量密度以及长寿命全固态电池被视为下一代最重要的储能技术之一，而开发高性能固态电池的核心之一就是制备性能匹配的固态电解质。石榴石型的Li7La3Zr2O12 （LLZO）固态电解质因其高离子电导室温下约10-3 S/cm）、高电化学稳定性和对正极材料及锂金属负极良好的化学稳定性，自2007年被发现之后，便被认为是颇具前景的一类固态电解质材料。本文系统地综述了LLZO在结构调控、掺杂策略、离子输运机制认识以及界面稳定策略等最新进展；总结了对富锂石榴石结构、快离子输运行为的认识过程；并系统介绍了优化正极/负极与石榴石型固体电解质界面结构，改善界面润湿性的解决思路及LLZO基固态电解质材料构筑固态电池的进展，以期为探索全固态锂离子电池的实际应用提供借鉴。

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胡勇胜等，中国科学院物理研究所

近年来，对低成本储能技术日益增长的需求促使越来越多的科研人员和工程师加入到钠离子电池基础研究和工程化探索的事业中来，钠离子电池以可观的速度在近10年内快速成长。本文首先分析了全球锂资源形势，尤其是我国锂资源存在的潜在风险；随后回顾了钠离子电池的前世今生，并着重介绍了近些年全球钠离子电池的产业化现状。根据本领域最新的研究进展，提炼出了钠离子电池在成本、性能等方面的7大优势，这些优势使钠离子电池具有巨大的发展潜力。最后重点介绍了本研究团队在铜基层状氧化物正极和无定形碳负极等低成本电极材料研发及其工程化放大，以及钠离子电池研制和示范应用方面的工作。钠离子电池的成功示范证明了其实际应用的可行性。通过对电极材料、电解液、制造和成组工艺以及电池管理等方面进行优化，有望进一步提升钠离子电池的综合性能，尽快实现在低速电动车、数据中心后备电源、通讯基站、家庭/工业储能、大规模储能等领域的应用。

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姚霞银等，中国科学院宁波材料技术与工程研究所

        采用不可燃的无机固体电解质代替液体有机电解质的全固态锂电池，被认为是解决锂电池燃烧和泄漏等安全问题的终极解决方案之一。同时，锂金属负极的应用可以进一步提高电池的能量密度。近年来，得益于无机固体电解质锂离子电导率方面的突破，硫化物固体电解质被认为是最有前途的锂离子导体之一。然而，在该领域仍有许多挑战亟待解决，主要包括硫化物固体电解质的稳定性、硫化物固体电解质与电极之间的不稳定界面以及锂枝晶的形成与生长。因此，构建稳定的电极/固体电解质界面是实现高性能全固态锂电池的关键。本文针对当前基于硫化物固体电解质全固态锂电池面临的挑战和机遇，总结了目前存在的各种界面问题以及界面调控策略，最后探讨了全固态锂电池可能的研究方向和发展趋势。

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王保国等，清华大学

锂离子电池（LIBs）由于具有较高的能量密度和良好循环稳定性而成为应用最广泛的储能设备之一。但是，其安全问题极大的限制了LIBs的生产及应用。LIBs的安全问题主要是由电池系统的热失控引起的，近年来，科学家们针对引起电池热失控的原因进行了研究，表明固体电解质界面（SEI）膜的分解是电池热失控的起点，随后电解液会与正负极材料发生反应，而目前使用的电解液具有闪点低、高度可燃等特点，存在着较大的安全隐患。因此，使用高安全性电解液可以有效提高LIBs的安全性。本文从可替代易燃的有机电解液角度，阐述了提高电解液安全的理论方法与技术途径，包括阻燃电解液、自身不易燃电解液、智能电解液以及水系电解液等方面。这些技术方法，还有望应用于有机液流电池体系，为高安全性大容量储能系统研究提供借鉴。

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张强等，清华大学

全固态锂硫电池可抑制锂枝晶生长，且可避免多硫化物穿梭等问题，被认为是极具前景的下一代储能体系。固态正极中活性物质硫的绝缘性，使得电化学氧化还原需要离子传输和电子传递网络的双连通。而如何平衡固态正极中离子输运与电子传递路径是实现电池稳定运行的关键。面向未来高比能储能体系，本文在 40%质量分数，下同） 的高硫含量复合正极中，通过调控复合正极中电子导体碳纳米管 （CNT） 与离子导体Li0GeP2S12（LGPS）相对含量，借助扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）与拉曼测试以及电化学测试与表征等，考察不同CNT与LGPS比例下硫正极的电子导率与离子导率，并通过对比硫正极的首圈放电容量以及在第二圈的容量保持率，从而探索正极设计的离子通路与电子通路的最优平衡条件。结果表明，硫正极中GPS电解质含量低时，锂离子传输受阻；当LGPS电解质含量高时，电子传递阻力大且反应活性界面有限。因此，综合对比放电容量与容量保持率，可以得出40%高硫含量正极中，离子输运与电子传递的最优平衡条件是NT和LGPS的含量分别为15%和45%，此时全固态锂硫电池首圈放电比容量621 mA·h/g，容量衰减率为3%。

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管赵如鑫等，北京化工大学

本文针对锂硫电池产业化进展缓慢的现状，从实用化层面分析了制约锂硫电池发展的基本问题：正极面容量低，电解液用量高，电池倍率性能差及锂负极的不稳定性，并结合自身工作，提出了解决方案。

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