锂离子电池是新能源储能器件及关键技术

苏方远，我国科学院炭材料重点实验室、我国科学院山西煤炭化学研究所副研究员，重要研究领域包括新型电化学储能器件体系及工艺开发、碳材料电化学过程模拟、基于多孔电极理论的储能器件仿真、机器学习在储能器件开发中的应用等。作为负责人及执行负责人完成和主持国家、山西省和国内外公司委托项目十余项，涉及锂离子电池、超级电容器、锂离子电容器、锂硫电池等多种电化学储能器件。

4核心提示新能源储能器件之锂离子电池（一）

锂离子电池以碳素材料为负极，以含锂的化合物作正极，没有金属锂存在，只有锂离子，是一种二次电池（充电电池），它重要依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作。在充放电过程中，Li+在两个电极之间往返嵌入和脱嵌：充电时，Li+从正极脱嵌，经过电解质嵌入负极，负极处于富锂状态；放电时则相反。当对电池进行充电时，电池的正极上有锂离子生成，生成的锂离子经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。

锂离子电池优势明显，电压高单体电池的工作电压高达3.7-3.8V；能量大，能达到的实际比能量为555Wh/kg左右；循环寿命长，一般均可达到500次以上，甚至1000次以上；安全性能好；自放电小，室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为2%左右；可快速充电。但与其它充电电池不同，锂离子电池的容量会缓慢衰退。

5 核心提示新能源储能器件之锂离子电池（二）

在全球电动汽车市场快速上升带动下，全球锂离子电池快速上升。2018年，全球锂离子电池产业达到412亿美元，按容量计算达到200GWh。2018年，我国锂离子电池市场1700亿元，动力锂电池890亿元，消费类电池750亿元，储能电池占3-4%。从2017年开始，动力锂电池超过消费类电池。

关于动力锂离子电池行业来说，2018年全球新能源汽车销售210万辆，其中69%为纯电动，31%为插电式混动。根据2017年工业和信息化部、发展改革委和科技部联合公布有关印发《汽车产业中长期发展规划》，到2020年，新能源汽车年产销达到200万辆，2025年，新能源汽车占汽车产销 20%以上。

6核心提示新能源储能器件之锂硫电池（一）

锂硫电池是锂离子电池的一种，是以硫元素作为电池正极,金属锂作为负极的一种锂离子电池。锂硫电池以硫为正极反应物质，以锂为负极。放电时负极反应为锂失去电子变为锂离子，正极反应为硫与锂离子及电子反应生成硫化物，正极和负极反应的电势差即为锂硫电池所供应的放电电压。在外加电压用途下，锂硫电池的正极和负极反应逆向进行，即为充电过程。单质硫在地球中储量丰富，具有价格低廉、环境友好等特点。除了能量密度非常高外，锂硫电池生产成本比较低，在使用后低毒，对环境基本没有污染，回收利用的能耗较小，是一种非常有前景的锂离子电池。但最大的劣势在于其循环利用次数比较低，极大地新增了锂硫电池的使用成本。

国外锂硫电池研发较早，处于产业化初期。美国Sion Power公司，2016研发制作的锂硫电池，20Ah，400Wh/kg，1C循环350次；英国OXIS，2018年研发制作的锂硫电池能量密度425-500Wh/kg，循环低于100次。

目前，国内已有部分研究机构制作出锂硫电池样品，但距离成为工业化产品还有很长的路要走。2018年，中科院大连化物所研发制作的锂硫电池，能量密度为609Wh/kg。2019年，北京理工大学研发制作的锂硫电池，能量密度545Wh/kg。但由于锂硫电池极片载硫量低，体积比能量低，不能满足工业化需求；循环寿命、功率输出、充电时间等未能满足要求；金属锂负极的安全性和长循环寿命还未得到很好的解决（锂枝晶生长，金属锂粉化），其产业化遇到了瓶颈。

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原标题:能源革命对外开放百家论坛之一五六