锂离子电池凭借着出色的性能和具有竞争力的价格等优势，在过去的三十年中在消费电子和储能等领域取得了巨大的成功，但是目前锂离子电池的能量密度已经接近极限，继续提升的空间有限，因此科学界和产业界开始将目光转向下一代的储能电池。

目前研究较多的新型储能电池主要包括金属锂全固态、Li-S、Li-空等，近日德国明斯特大学的Fabian Duffner（第一作者，通讯作者）和Richard Schmuch（通讯作者）等人对于新型储能电池的技术特点和制造过程进行了分析，并与锂离子电池进行了对比。

锂离子电池经过三十年的发展，在技术上得到了长足的发展，成本大幅降低，2019年锂离子电池的产能已经达到160GWh/年，并且预计到2030年将进一步增加至1500GWh/年。

近年来为了满足对于高能量密度的进一步需求，人们开发了多种新型的储能电池，这些电池能量密度最高可达1200Wh/kg以上，体积能量密度可达800Wh/L以上，同时这些电池还通过采用低成本的原材料（如Na、S和O等）获得了低成本的优势，下表中作者对比了主要的几种新型储能电池的优劣势。

下图中作者将几种主要的新型电池的材料和电池结构与锂离子电池进行了对比，之所以选择这几种电池主要是因为由于锂资源的限制Na离子电池被认为是一种取代锂离子电池的选择，而Li-S电池的理论能量密度可达2510Wh/kg以上，远高于传统的锂离子电池，全固态电池被认为是解决锂枝晶生长和改善电池安全性的有效方法，因此近年来得到了广泛的关注。Li-空电池由于正极直接来自空气中的O2，因此理论能量密度可达3400Wh/kg，是目前能量密度最高的电化学体系。

锂离子电池

锂离子电池的主要构成要素包括正极材料、负极材料，以及隔膜和电解液等，其中正极材料主要是层状结构的含锂金属氧化物（LiMO2），负极一侧主要是人造和天然石墨，电解液主要是碳酸酯类电解液，隔膜主要是多孔聚烯烃隔膜，正极集流体为Al箔（12um），负极集流体为铜箔（8um）。

钠离子电池

钠离子电池的工作原理与锂离子电池类似，但是钠离子电池的载流子为Na+，与锂离子电池不同的是Na在常温下不会与Al形成合金，因此在钠离子电池中我们可以采用Al箔作为负极集流体，从而降低电池成本和电池重量。但是由于Na+的离子半径较大，常规的石墨负极储Na能力较差，因此需要采用硬碳类材料作为负极，因此增加了钠离子电池的成本。除此之外，正极材料和电解液设计均与锂离子电池类似。

Li-S电池

在Li-S电池一般采用纳米结构的S-碳复合材料作为正极，已改善S的正极导电能力，采用金属锂作为负极，S正极的理论比容量为1675mAh/g，因此理论上Li-S电池具有极高的比能量，但是由于其工作依赖于反应生成的多硫化物在电解液中的溶解，从而将新鲜的正极裸漏出来，因此需要较高的电解液注液量，限制了电池能量密度的提升。

金属锂负极的全固态电池

金属锂负极的理论比容量可达3860mAh/g，是一种的理想的负极材料，但是金属锂在反复的充放电过程中由于局部极化的存在，会引起枝晶生长的问题，导致电池循环性能和安全性能的劣化。而固态电解质具有较高的机械强度，被认为是解决金属锂负极锂枝晶生长的有效方法，因此通过全固态电解质的采用，可以使得锂离子电池的能量密度达到350Wh/kg以上，但是目前固态电解质还存在氧化物、硫化物类电解质接触电阻大，聚合物电解质离子电导率低等问题，此外全固态电池的生产工艺也是一项非常大的考验。

Li-空电池

Li-空电池包含多孔的空气正极，可以从空气中直接获取正极材料O2，负极材料则选择金属锂。但是目前Li-空电池还存在较多的问题有待解决，例如空气中除了O2外还存在较多的其他气体（如N2、CO2和H2O等），反应过程会产生Li3N、Li2CO3和LiOH等副产物，影响空气电极的可逆性。因此为了实现Li-空电池的应用，还需要对电池结构设计等进行较多的研究。

文章来源：《下一代英才》 网址: http://www.xydbjb.cn/zonghexinwen/2021/0307/1398.html