2.7　锂离子电池的技术指标及未来发展线路图

作为实际应用的储能器件，技术指标往往是多项指标的综合，如图2-12所示。针对不同储能应用的指标，实际上存在着显著的差异，图2-13显示了指标体系的蜘蛛图，针对各类应用，需要提出各自的技术指标体系，以满足最佳技术经济性。

图2-12　锂离子电池的指标体系

图2-13　锂离子电池多指标体系蜘蛛图

储能应用主要关注的技术指标包括成本、寿命、效率等。降低成本的最有效途径是提高电池的能量密度与功率密度。电池的能量密度由理论能量密度以及实际能量密度利用率决定。

理论能量密度计算的结果表明，在所有计算的封闭体系的化学储能系统中，Li/F₂体系具有6294W·h/kg的最高能量密度，Li/O₂体系按产物为Li₂O计算，能量密度为5217W·h/kg，排名第二，如果按照产物Li₂O₂计算，理论能量密度为3500W·h/kg。这两类电池的理论能量密度较高，是因为反应物的生成能较低，产物的生成能较高。可以理解，化学储能的能量密度是有极限的。由于氟不便于利用，因此产物为Li₂O的Li/O₂电池是理论能量密度最大的电池，从质量能量密度考虑，Li/O₂电池是化学储能器件的终极目标体系。

对于相同正极的体系，金属锂电池相比其他金属电池具有更高的理论能量密度。如果Li/O₂电池的产物是Li₂O₂，则Al/O₂电池成为质量能量密度最高的化学储能体系，其计算值为4311W·h/kg，其次是Mg/O₂电池，能量密度计算值为3924W·h/kg。Na/O₂的理论能量密度为1683W·h/kg，Zn/O₂的能量密度为1094W·h/kg，远高于锂离子电池的理论能量密度360W·h/kg（按石墨/LiCoO₂电池，脱出0.5Li计算）。

从体积能量密度考虑，Al电池的理论体积能量密度最高，为5384W·h/L，高于Mg/MnO₂（4150W·h/L）、Li/MnO₂（2642W·h/L）、Na/MnO₂（709W·h/L）、Zn/MnO₂（1738W·h/L）。

通过过去10年的研究，目前在高能量密度锂离子电池方面，高容量Si负极为首选负极材料，高电压钴酸锂材料、高容量富锂相层状复合结构材料、高电压尖晶石Ni-Mn系材料、层状Ni-Co-Mn、镍钴铝系材料为较有希望的正极材料。采用这些材料体系的锂离子电池的能量密度有望提升到300W·h/kg。虽然上述这些高能量密度材料已被广泛研究，但目前在满足所有指标要求方面仍然存在一些技术障碍，特别是循环性、倍率特性、充放电效率、安全性、体积变化。

目前，含液体电解质的锂离子电池通过多种技术进步和策略，电池的安全性已经显著提升，但并不能从根本上消除隐患。采用聚合物电解质或无机电解质，发展全固态电解质锂电池是公认的解决大容量锂电池安全性的根本办法。此外，采用固体电解质，可以避开液体电解质带来的副反应、泄露、腐蚀问题，从而显著延长服役寿命、降低电池整体制造成本、降低电池制造技术门槛，有利于大规模推广使用。目前全固态电池的研究主要是关键材料的选择优化、固固界面电阻的减小等问题，还没有达到在储能领域的演示验证阶段。但固态电池由于具有潜在的超长寿命的特点，必然会在储能领域获得应用。最近日本NEDO提出了未来电池的发展趋势，认为所有的高能量密度锂电池都要走固态化道路，参见图2-14。

图2-14　日本NEDO公开的技术发展路线图（中文部分为作者注释）

基于上述考虑，未来锂电池的发展趋势可以如图2-15所示。

图2-15　锂电池发展路线图

目前，与锂离子电池竞争与互补的电化学储能电池技术还包括铅酸电池、液流电池、钠硫电池、超级电容器等，这些电化学储能器件的指标参数列在表2-5供参考。

表2-5　液态电解质锂离子电池技术指标和其他商业化电化学储能器件的指标对比

技术的发展主要是需求驱动，同时创造性能新的技术指标，也不断推动技术的进步。图2-16大致列出了目前储能器件的技术指标。这些指标还在不断更新，推动着电化学储能器件基础科学与技术的发展。

图2-16　各类储能技术最高技术指标与锂电池技术指标对比