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     鋰離子電池是能量密度高、綜合性能最好的電化學(xué)儲(chǔ)能體系，提升能量密度是鋰電池研發(fā)的主要目標(biāo)，中國(guó)、美國(guó)、歐洲和日韓等國(guó)家和組織都將開發(fā)400-600Wh/kg鋰電池作為鋰電池發(fā)展的中長(zhǎng)期規(guī)劃。自1991年索尼公司首次實(shí)現(xiàn)鋰離子電池商業(yè)應(yīng)用以來，商業(yè)化的鋰離子電池能量密度從90Wh/kg逐漸提升到目前的360Wh/kg（北京衛(wèi)藍(lán)新能源），已廣泛應(yīng)用于消費(fèi)電子和電動(dòng)汽車等領(lǐng)域。從實(shí)用化的角度，進(jìn)一步提升鋰電池能量密度需要采用新電極材料和電池設(shè)計(jì)來平衡能量密度、功率密度、循環(huán)壽命、安全性等綜合性能，仍有諸多材料基礎(chǔ)科學(xué)問題和工程技術(shù)問題需要解決。與此同時(shí)，就能量密度單一指標(biāo)而言，研究人員也在持續(xù)不斷進(jìn)行研發(fā)，挑戰(zhàn)鋰電池的設(shè)計(jì)極限。目前，公開報(bào)導(dǎo)的基于嵌入反應(yīng)正極材料鋰電池（傳統(tǒng)意義上的鋰離子電池）能量密度最高為Jeff Dahn教授研究團(tuán)隊(duì)研制的無負(fù)極軟包電池（575Wh/kg, 1414 Wh/L，J. Electrochem. Soc., 2020, 167, 080514）。在此基礎(chǔ)上更進(jìn)一步提升能量密度存在巨大挑戰(zhàn)。一方面，需要開發(fā)新型電極材料提高材料儲(chǔ)能的能量密度；另一方面，需要采用極限的電池設(shè)計(jì)，比如增加電極厚度、減少電解液等非活性材料的質(zhì)量和體積占比等。這兩方面均會(huì)導(dǎo)致電池充放電可逆性急劇變差，直至不能放電（非二次電池）。

　　最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心HE01組李泉博士、博士研究生楊旸在李泓研究員和禹習(xí)謙研究員的指導(dǎo)下，研制了一種基于高容量富鋰錳基氧化物正極和超薄金屬鋰負(fù)極的具有超高質(zhì)量能量密度和體積能量密度的10Ah級(jí)軟包鋰二次電池，經(jīng)中國(guó)北方車輛研究所（201所）北方汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)鑒定試驗(yàn)所的第三方測(cè)試，首次放電質(zhì)量能量密度達(dá)到711.30 Wh/kg、體積能量密度達(dá)到1653.65 Wh/L。研究人員通過拓寬富鋰錳基氧化物的充放電電位獲得更高材料儲(chǔ)鋰容量、采用隔膜涂層技術(shù)解決超薄鋰大面容量沉積可逆性、并探索厚電極、貧電解液、超薄集流體的匹配性應(yīng)用等綜合策略，最終實(shí)現(xiàn)了超高能量密度電池的可逆充放電。該數(shù)據(jù)為目前已公開報(bào)道的鋰二次電池的能量密度最高值。

　　超高能量密度電池技術(shù)的研制將為我國(guó)在高空、深空等特殊應(yīng)用場(chǎng)景和未來電動(dòng)航空領(lǐng)域?qū)Ω咝阅茈娫醇夹g(shù)的迫切需求提供可能的解決方案。但值得指出的是，仍需大量的研發(fā)工作解決電池安全、壽命等諸多問題，超高比能電池技術(shù)距離實(shí)際應(yīng)用還有相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間。此外，鋰電池能量密度仍有提升空間。接近理論極限電池能量密度的探索性研究也將進(jìn)一步豐富固態(tài)離子學(xué)和固態(tài)電化學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)體系，促進(jìn)新材料和新電池體系的技術(shù)創(chuàng)新。

　　相關(guān)成果以“A 700Wh kg-1 rechargeable pouch-type lithium battery”為題以Express Letter發(fā)表在Chinese Physics Letters上，并已申請(qǐng)中國(guó)專利（申請(qǐng)?zhí)枺?02310178078.1）。上述研究工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(Grant No. 2021YFB2500300), 國(guó)家自然科學(xué)基金 (Grant No. 22239003), 中國(guó)科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃 (Grant No. YSBR-058) 、中國(guó)工程院戰(zhàn)略研究與咨詢項(xiàng)目 (No. 2022-XZ-15)和先進(jìn)固態(tài)電池北京市工程研究中心（籌）的支持。

圖1. 目前商業(yè)化鋰離子電池和700Wh/kg級(jí)超高能量密度電池的設(shè)計(jì)方案

圖2. 高比能富鋰正極能量密度及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性研究

圖3. 大面容量金屬鋰負(fù)極研究

圖4. 700Wh/kg 超高能量密度10Ah級(jí)軟包鋰二次電池