當(dāng)前，純電動(dòng)汽車(chē)大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化所面臨的第一大障礙，就是“里程焦慮”的問(wèn)題。對(duì)于純電動(dòng)汽車(chē)而言，其續(xù)航里程是由動(dòng)力電池系統(tǒng)所能存儲(chǔ)的電能決定的，因此動(dòng)力系統(tǒng)的能量密度就成了制約電動(dòng)車(chē)?yán)m(xù)航里程的決定性因素。

　　鋰電池的能量密度是否還有進(jìn)一步提升的空間？

　　BMW的計(jì)算表明，消費(fèi)者對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)可接受的最低實(shí)際行駛里程是300Km（大約是目前普通轎車(chē)油箱滿油續(xù)航里程的三分之一），如果在保持動(dòng)力電池系統(tǒng)的重量與現(xiàn)有普通家庭轎車(chē)的動(dòng)力總成(Powertrain)相差不大的情況下，動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度要達(dá)到250Wh/Kg的水平，也就是說(shuō)單體電芯的能量密度要達(dá)到300Wh/Kg。

　　那么目前的鋰電體系，在滿足安全性、循環(huán)性和其它技術(shù)指標(biāo)的前提下，其能量密度能否達(dá)到300Wh/Kg呢？

　　對(duì)于鋰離子電池而言，其理論能量密度可以通過(guò)正負(fù)極材料比容量和工作電壓進(jìn)行估算。這里，筆者暫且拋開(kāi)復(fù)雜的電化學(xué)和結(jié)構(gòu)化學(xué)的概念，做些通俗易懂的分析。

　　現(xiàn)有的鋰電體系，其實(shí)只能算是“半個(gè)”高能電池，因?yàn)樗母弑饶芰恐饕墙⒃谪?fù)極極低的電極電勢(shì)基礎(chǔ)之上，而目前商業(yè)化的幾種過(guò)渡金屬氧化物正極材料（LCO、LMO、LFP和NMC）不管是工作電壓還是比容量都并不明顯優(yōu)于水系二次電池的正極材料。

　　因此，要想使鋰電成為“真正”的高能電池僅有兩條道路：提高電池工作電壓或者提高正負(fù)極材料的比容量。因?yàn)樨?fù)極工作電壓已經(jīng)沒(méi)有降低的可能，那么高壓就必須著眼于正極材料。鎳錳尖晶石和富鋰錳基固溶體正極材料（OLO）的充電電壓分別為5V和4.8V，必須采用全新的高壓電解液體系。

　　5V鎳錳尖晶石由于容量較低，實(shí)際上并不能有效提升電池的能量密度。目前OLO的實(shí)際容量可以達(dá)到250mAh/g以上，已經(jīng)很接近層狀過(guò)渡金屬氧化物正極的理論容量。

　　Si/C復(fù)合負(fù)極材料以及硅基合金負(fù)極材料的比容量已經(jīng)達(dá)到600-800mAh/g，這個(gè)容量范圍幾乎是其實(shí)用化（保證適當(dāng)循環(huán)性并抑制體積變化）的極限。如果OLO和硅基高容量負(fù)極搭配，其能量密度大約在350Wh/Kg左右的水平。

　　筆者這里要強(qiáng)調(diào)的是對(duì)3C小電池而言，體積能量密度比質(zhì)量能量密度更為重要。也就是說(shuō)，層狀正極材料（LCO和NMC）向更高電壓或者更高Ni含量發(fā)展，比目前炒作得很熱門(mén)的富鋰錳基固溶體正極更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

　　隨著更高電壓LCO技術(shù)和更高鎳含量NMC三元材料的日益成熟，未來(lái)采用更高壓或者更高鎳含量的層狀正極材料搭配高容量Si/C復(fù)合負(fù)極或者合金負(fù)極材料，小型3C鋰電的能量密度有可能進(jìn)一步提升到300Wh/Kg的水平。

　　要想進(jìn)一步提高鋰電的比能量，那么就必須打破現(xiàn)在的嵌入反應(yīng)機(jī)理的束縛,跟其它常規(guī)化學(xué)電源一樣采用異相氧化還原機(jī)理，也就是采用金屬鋰做負(fù)極。但是鋰枝晶容易導(dǎo)致短路以及高活性枝晶與液體有機(jī)電解液的強(qiáng)烈反應(yīng)，使問(wèn)題又回到了鋰離子電池的起始點(diǎn)。

　　其實(shí)，鋰離子電池采用石墨負(fù)極的根本原因，正是因?yàn)槭朵嚮衔铮℅IC）避免了金屬鋰枝晶的形成，并且GIC降低了金屬鋰的高活性使得穩(wěn)定的SEI界面成為可能。所以，基于嵌入反應(yīng)的鋰離子電池其實(shí)是不得已的折衷辦法！

　　近兩年，國(guó)際上關(guān)于金屬鋰負(fù)極的研究掀起了一陣小高潮，比如最近炒作的很熱門(mén)的美國(guó)SolidEnergy。其實(shí)從基礎(chǔ)研究的角度而言是很好理解的，正如筆者前面提到的，正極材料的容量已經(jīng)沒(méi)有多少提高的余地，電解質(zhì)無(wú)助于能量密度的提升，那么剩下的也就只能從負(fù)極這塊著手了，使用金屬鋰負(fù)極的電池自然是“終極鋰電池”。

　　理論上，采用無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)、聚合物電解質(zhì)或者液態(tài)電解液添加特殊添加劑都有可能緩解鋰枝晶的形成，但是在電芯的實(shí)際生產(chǎn)上會(huì)面臨諸多技術(shù)困難。正如筆者在安全性章節(jié)里討論過(guò)的，以金屬鋰做負(fù)極的“終極鋰電池”能否實(shí)現(xiàn)，安全性問(wèn)題將是第一決定性因素。

　　筆者個(gè)人認(rèn)為，基于無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的全固態(tài)鋰離子電池（All-solid-stateLi-ionbattery）才有可能讓金屬鋰負(fù)極的實(shí)際應(yīng)用成為可能。日本Toyota（豐田汽車(chē)）是國(guó)際上全固態(tài)電池的領(lǐng)頭羊，目前其發(fā)展出的原型電池在技術(shù)水平上遙遙領(lǐng)先其它企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)，而Toyota在該領(lǐng)域已經(jīng)有近20年的研發(fā)積累。

　　但是大型動(dòng)力電池由于諸多技術(shù)指標(biāo)的嚴(yán)格限制，在電極材料的選擇、體系搭配、極片工藝和電芯結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面跟3C小電池有很大不同。這些因素使得即便是相同正負(fù)極搭配體系，大型動(dòng)力電池的能量密度要比小型容量型電池低不少。

　　比如，基于安全性還有循環(huán)性等多方面因素的考量，動(dòng)力電池需要盡量維持在較低的電壓（4.2/4.3V）水平，也就是說(shuō)3C小電池的高電壓策略在動(dòng)力電池上或許不適合。

　　目前LG的大型三元材料動(dòng)力單體電池的能量密度已經(jīng)超過(guò)220Wh/Kg的水平。筆者個(gè)人認(rèn)為在技術(shù)上仍然有進(jìn)一步提升的空間,未來(lái)單體三元?jiǎng)恿﹄姵?/a>應(yīng)該可以達(dá)到250Wh/Kg的水平。

　　但是，要在滿足安全性還有循環(huán)性溫度性能以及成本等多方面要求的前提下再進(jìn)一步提升常規(guī)液態(tài)鋰離子電池的單體能量密度，在技術(shù)上就非常困難了。電芯成組以后能量密度一般會(huì)損失20%左右（TeslaModelS損失高達(dá)45%），也就是說(shuō)200Wh/Kg有可能是常規(guī)鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)的能量密度的一個(gè)瓶頸。