可以說(shuō)，能量密度是制約當(dāng)前鋰離子電池發(fā)展的最大瓶頸。不管是手機(jī)，還是電動(dòng)汽車，人們都期待電池的能量密度能夠達(dá)到一個(gè)全新的量級(jí)，使得產(chǎn)品的續(xù)航時(shí)間或續(xù)航里程不再成為困擾產(chǎn)品的主要因素。

　　從鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、再到鋰離子電池，能量密度一直在不斷的提升。可是提升的速度相對(duì)于工業(yè)規(guī)模的發(fā)展速度而言，相對(duì)于人類對(duì)能量的需求程度而言，顯得太慢了。甚至有人戲言，人類的進(jìn)步都被卡在“電池”這兒了。當(dāng)然，如果哪一天能夠?qū)崿F(xiàn)全球電力無(wú)線傳輸，到哪兒都能“無(wú)線”獲得電能（像手機(jī)信號(hào)一樣），那么人類也就不再需要電池了，社會(huì)發(fā)展自然也就不會(huì)卡在電池上面。

　　針對(duì)能量密度成為瓶頸的現(xiàn)狀，全球各國(guó)都制訂了相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)政策目標(biāo)，期望引領(lǐng)電池行業(yè)在能量密度方面取得顯著的突破。中、美、日等國(guó)政府或行業(yè)組織所制定的2020年目標(biāo)，基本上都指向300Wh/kg這一數(shù)值，相當(dāng)于在當(dāng)前的基礎(chǔ)上提升接近1倍。2030年的遠(yuǎn)期目標(biāo)，則要達(dá)到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，電池行業(yè)必須要有化學(xué)體系的重大突破，才有可能實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

　　影響鋰離子電池能量密度的因素有很多，就鋰離子電池現(xiàn)有的化學(xué)體系和結(jié)構(gòu)而言，具體都有哪些明顯的限制呢？

　　前面我們分析過(guò)，充當(dāng)電能載體的，其實(shí)就是電池當(dāng)中的鋰元素，其他物質(zhì)都是“廢物”，可是要獲得穩(wěn)定的、持續(xù)的、安全的電能載體，這些“廢物”又是不可或缺的。舉個(gè)例子，一塊鋰離子電池當(dāng)中，鋰元素的質(zhì)量占比一般也就在1%多一點(diǎn)，其余99%的成分都是不承擔(dān)能量存儲(chǔ)功能的其他物質(zhì)。愛(ài)迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天賦，看來(lái)這個(gè)道理放之四海皆準(zhǔn)啊，1%是紅花，剩下的99%就是綠葉，少了哪個(gè)都不行。

　　那么要提高能量密度，我們首先想到的就是提高鋰元素的比例，同時(shí)要讓盡可能多的鋰離子從正極跑出來(lái)，移動(dòng)到負(fù)極，然后還得從負(fù)極原數(shù)返回正極（不能變少了），周而復(fù)始的搬運(yùn)能量。

　　1.提高正極活性物質(zhì)的占比

　　提高正極活性物質(zhì)占比，主要是為了提高鋰元素的占比，在同一個(gè)電池化學(xué)體系中，鋰元素的含量上去了（其他條件不變），能量密度也會(huì)有相應(yīng)的提升。所以在一定的體積和重量限制下，我們希望正極活性物質(zhì)多一些，再多一些。

　　2.提高負(fù)極活性物質(zhì)的占比

　　這個(gè)其實(shí)是為了配合正極活性物質(zhì)的增加，需要更多的負(fù)極活性物質(zhì)來(lái)容納游過(guò)來(lái)的鋰離子，存儲(chǔ)能量。如果負(fù)極活性物質(zhì)不夠，多出來(lái)的鋰離子會(huì)沉積在負(fù)極表面，而不是嵌入內(nèi)部，出現(xiàn)不可逆的化學(xué)反應(yīng)和電池容量衰減。

　　3.提高正極材料的比容量（克容量）

　　正極活性物質(zhì)的占比是有上限的，不能無(wú)限制提升。在正極活性物質(zhì)總量一定的情況下，只有盡可能多的鋰離子從正極脫嵌，參與化學(xué)反應(yīng)，才能提升能量密度。所以我們希望可脫嵌的鋰離子相對(duì)于正極活性物質(zhì)的質(zhì)量占比要高，也就是比容量指標(biāo)要高。

　　這就是我們研究和選擇不同的正極材料的原因，從鈷酸鋰到磷酸鐵鋰，再到三元材料，都是奔著這個(gè)目標(biāo)去的。

　　前面已經(jīng)分析過(guò)，鈷酸鋰可以達(dá)到137mAh/g，錳酸鋰和磷酸鐵鋰的實(shí)際值都在120mAh/g左右，鎳鈷錳三元?jiǎng)t可以達(dá)到180mAh/g。如果要再往上提升，就需要研究新的正極材料，并取得產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。

　　4.提高負(fù)極材料的比容量

　　相對(duì)而言，負(fù)極材料的比容量還不是鋰離子電池能量密度的主要瓶頸，但是如果進(jìn)一步提升負(fù)極的比容量，則意味著以質(zhì)量更少的負(fù)極材料，就可以容納更多的鋰離子，從而達(dá)到提升能量密度的目標(biāo)。

　　以石墨類碳材料做負(fù)極，理論比容量在372mAh/g，在此基礎(chǔ)上研究的硬碳材料和納米碳材料，則可以將比容量提高到600mAh/g以上。錫基和硅基負(fù)極材料，也可以將負(fù)極的比容量提升到一個(gè)很高的量級(jí)，這些都是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向。

　　5.減重瘦身

　　除了正負(fù)極的活性物質(zhì)之外，電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑、集流體、基體、殼體材料等，都是鋰離子電池的“死重”，占整個(gè)電池重量的比例在40%左右。如果能夠減輕這些材料的重量，同時(shí)不影響電池的性能，那么同樣也可以提升鋰離子電池的能量密度。

　　在這方面做文章，就需要針對(duì)電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、基體和集流體、殼體材料、制造工藝等方面進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析，從而找出合理的方案。各個(gè)方面都改善一些，就可以將電池的能量密度整體提升一個(gè)幅度。

　　從以上的分析可以看出，提升鋰離子電池的能量密度是一個(gè)系統(tǒng)工程，要從改善制造工藝、提升現(xiàn)有材料性能、以及開(kāi)發(fā)新材料和新化學(xué)體系這幾個(gè)方面入手，尋找短期、中期和長(zhǎng)期的解決方案。
1.正極材料

　　首先，我們來(lái)看看正極材料，正極材料的選擇，主要基于以下幾個(gè)因素考慮：

　　1）具有較高的氧化還原反應(yīng)電位，使鋰離子電池達(dá)到較高的輸出電壓；

　　2）鋰元素含量高，材料堆積密度高，使得鋰離子電池具有較高的能量密度；

　　3）化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要好，使得鋰離子電池具有長(zhǎng)循環(huán)壽命；

　　4）電導(dǎo)率要高，使得鋰離子電池具有良好的充放電倍率性能；

　　5）化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性要好，不易分解和發(fā)熱，使得鋰離子電池具有良好的安全性；

　　6）價(jià)格便宜，使得鋰離子電池的成本足夠低；

　　7）制造工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模生產(chǎn)；

　　8）對(duì)環(huán)境的污染低，易于回收利用。

　　當(dāng)前，鋰離子電池的能量密度、充放電倍率、安全性等一些關(guān)鍵指標(biāo)，主要受制于正極材料。
　2.負(fù)極材料

　　相對(duì)而言，針對(duì)鋰離子電池負(fù)極材料的研究，沒(méi)有正極材料那么多，但是負(fù)極材料對(duì)鋰離子電池性能的提高仍起著至關(guān)重要的作用，鋰離子電池負(fù)極材料的選擇應(yīng)主要考慮以下幾個(gè)條件：

　　1）應(yīng)為層狀或隧道結(jié)構(gòu)，以利于鋰離子的脫嵌；

　　2）在鋰離子脫嵌時(shí)無(wú)結(jié)構(gòu)上的變化，具有良好的充放電可逆性和循環(huán)壽命；

　　3）鋰離子在其中應(yīng)盡可能多的嵌入和脫出，以使電極具有較高的可逆容量；

　　4）氧化還原反應(yīng)的電位要低，與正極材料配合，使電池具有較高的輸出電壓；

　　5）首次不可逆放電比容量較?。?br style="box-sizing: border-box;" />
　　6）與電解質(zhì)溶劑相容性好；

　　7）資源豐富、價(jià)格低廉；

　　8）安全性好；

　　9）環(huán)境友好。

　　鋰離子電池負(fù)極材料的種類繁多，根據(jù)化學(xué)組成可以分為金屬類負(fù)極材料（包括合金）、無(wú)機(jī)非金屬類負(fù)極材料及金屬氧化物類負(fù)極材料。
　能量密度，是單位體積或重量可以存儲(chǔ)的能量多少，這個(gè)指標(biāo)當(dāng)然是越高越好，凡是濃縮的都是精華嘛。充放電倍率，是能量存儲(chǔ)和釋放的速度，最好是秒速，瞬間存滿或釋放，召之即來(lái)?yè)]之即去。

　　當(dāng)然，這些都是理想，實(shí)際上受制于各種各樣的現(xiàn)實(shí)因素，我們既不可能獲得無(wú)限的能量，也不可能實(shí)現(xiàn)能量的瞬間轉(zhuǎn)移。如何不斷的突破這些限制，達(dá)到更高的等級(jí)，就是需要我們?nèi)ソ鉀Q的難題。