高能量密度锂电池设计：从液态到全固态

高能量密度锂电池设计：从液态到全固态

随着电动汽车、电动飞机等应用领域对高能量密度锂电池的需求日益增长，研究人员从电池设计的基本原理出发，讨论了正极、负极、电解质等材料的选择及各种因素对实现高能量密度锂电池的影响，并尝试提出一个全面、系统的设计原则和路线图。基于高能量密度锂电池的原型设计，可以实现高达1000 Wh/kg的不同等级的能量密度，其中富锂层状氧化物(LLOs) 和固态电解质起着核心作用，可获得500 Wh/kg以上的高能量密度。以上成果在国际交通电动化杂志eTransportation**上发表。

1. 引言

锂离子电池 (LIB)正逐步应用于不同领域，特别是在动力电池领域，许多国家都提出了发展高能量密度电池的路线图，尤其将开发 500 Wh/kg 级锂电池作为重要目标。高能量密度锂电池的设计涉及许多复杂因素。然而，目前仍没有全面而系统的设计原则，能够涵盖这些因素，并反映锂电池针对不同能量密度级别设计的关键关系。本文详述了正极、负极和电解质对软包电池设计过程的影响，发现理论极限的富锂层状氧化物 (T-LLOs) 正极材料、锂金属负极和固态电解质 (SSE) 的组合有可能实现 1000 Wh/kg 锂金属电池（LMB）。在此基础上，本文尝试勾勒出高能量密度锂电池不同级别的设计原则，初步提出了提升能量密度的技术路线，并概述了不同能量密度的锂电池的对应使用场景。

2. 高能量密度锂电池的设计概述

本章总结了软包电池的基本设计参数，概述了高能量密度锂电池的设计原则，给出了高能量密度电池的发展路线，并对各种正负极材料性能进行了统计对比。其中，主要发展策略主要有以下三个方向：

• 负极：开发高容量、低电位、低膨胀负极以减轻质量；
• 正极：提高正极材料的比容量以增加电池的能量密度；
• 电解质：开发用量减少的电解质，SSE可以显著降低软包电池中电解质的重量百分比，同时保证电池的电化学稳定性。

2.1 软包电池的基本设计参数

介绍了软包电池的组成部分，包括正极、负极、电解质、隔膜、集流体、极耳和包装等。解释了如何根据电池尺寸、面载量、E/C 比率和 N/P 比率等参数计算电池的能量密度。通过图 1 展示了典型软包电池中各个组件的质量百分比和设计参数，并说明了正极材料对电池能量密度的重要性。

图1：展示了软包电池的组成部分、各个组件的质量百分比和设计参数，以及不同正极材料对电池能量密度的影响。

2.2 高能量密度锂离子电池的设计原则

指出了提高电池能量密度的三个主要途径：

• 提高正极材料的能量密度：选择具有高比容量的正极材料，例如 NCM811、N9、LLOs 等。
• 降低负极材料的重量：选择具有高比容量、低电位和低膨胀率的负极材料，例如石墨、Si@C、Li 金属等。
• 减少电解质的用量：使用固态电解质代替液态电解质，可以显著降低电解质的用量，从而提高电池的能量密度。

通过图 2 展示了高能量密度软包电池的设计路线图，并说明了电极活性材料、电解质和隔膜等组件对电池能量密度的影响。

图2：展示了高能量密度软包电池的设计路线图，并说明了电极活性材料、电解质和隔膜等组件对电池能量密度的影响。

2.3 电极活性材料的影响

分析了正极材料对电池能量密度的影响，并总结了目前主流正极材料的比容量和能量密度。分析了负极材料对电池能量密度的影响，并比较了石墨、Si@C、Si 和 Li 金属等材料的比容量、平均电位和膨胀率。重点介绍了 LLOs 材料的特殊性质，例如“双晶畴”结构和不同充电截止电压下的容量差异。通过图 3 展示了不同电极活性材料的性能特点，并说明了 LLOs 材料在实现高能量密度锂离子电池中的重要作用。

图3：展示了不同电极活性材料的性能特点，并说明了 LLOs 材料在实现高能量密度锂离子电池中的重要作用。

3. 高能量密度锂电池的原型设计

本章介绍了高能量密度锂电池的设计过程，给出了设计过程中的统一电池参数，保证了不同设计方法中的变量参数完全由正极和负极的特性决定，并从多角度对高能量密度液体电解质电池（LEB）和固态电解质电池（SSEB）进行了设计和比较。

3.1 软包电池的设计过程

介绍了软包电池的设计流程，包括确定电池尺寸、选择正极和负极材料、计算电池容量、选择电解质和隔膜等。设定了固定的电池尺寸（88 mm × 125 mm × 9 mm），以便比较不同设计方案的能量密度。

3.2 高能量密度液态电解质电池（LEBs）设计

设计了基于液态电解质的高能量密度锂离子电池，并分析了不同正极和负极材料组合的能量密度。通过图 4a 展示了不同正极和负极材料组合的电池设计结果，并指出使用 4.8 V-LLOs 和 Li 金属负极的电池可以达到 550 Wh/kg 的能量密度。通过图 4b 分析了不同负极材料的质量对电池能量密度的影响，并说明了选择高比容量负极材料的重要性。讨论了电解液用量对电池能量密度的影响，并指出降低 E/C 比率可以提高电池的能量密度。

3.3 高能量密度固态电解质电池（SSEBs）设计

设计了基于固态电解质的高能量密度锂离子电池，并分析了 SSE 膜厚度和密度对电池能量密度的影响。通过图 4c 展示了不同正极和负极材料组合的电池设计结果，并指出使用 SSE 可以显著提高电池的能量密度。通过图 4d 对比了 LEBs 和 SSEBs 的质量分布，并说明了 SSE 在降低电池质量方面的优势。通过图 4e 和 4f 展示了超薄 SSE 膜的制备技术，并说明了超薄 SSE 膜在提高电池能量密度方面的潜力。

图4：展示了不同正极和负极材料组合的 LEBs 和 SSEBs 的设计结果，并分析了 SSE 在提高电池能量密度方面的优势。

3.4 极限条件下高能量密度锂离子电池的设计

探讨了在极限条件下实现 1000 Wh/kg 能量密度的锂离子电池的设计方案，包括使用 T-LLOs、超薄锂金属负极和超薄 SSE 膜等。通过图 5 展示了极限条件下高能量密度锂离子电池的设计策略，并说明了各个设计要素对电池能量密度的影响。通过表 6 展示了极限条件下高能量密度 LEBs 和 SSEBs 的设计结果，并指出基于 T-LLOs 的 SSEBs 可以达到 1002 Wh/kg 的能量密度。

图5：展示了极限条件下高能量密度锂电池的设计策略，并说明了各个设计要素对电池能量密度的影响。

4. 锂电池能量密度分类及应用场景

本章对锂电池能量密度等级从200 Wh/kg-1000 Wh/kg进行了全面分类，分析了主要设计原则，并列出了它们对应的应用场景，并进行了细致的分析。

4.1 不同能量密度级别电池的设计原则

• 200 Wh/kg 级别：适用于储能系统，设计原则是低成本和长寿命，主要采用石墨负极和低成本的 LiFePO4 或 4.4 V-LLOs 正极材料。
• 300 Wh/kg 级别：适用于电动摩托车和城市汽车，设计原则是平衡性能和成本，主要采用石墨负极和 NCM811 或 N9 正极材料。
• 400 Wh/kg 级别：适用于续航里程超过 1000 km 的电动汽车，设计原则是高能量密度，主要采用 NCM811、N9 或 4.55 V-LLOs 正极材料和 Si@C 负极材料。
• 500 Wh/kg 级别：适用于无人机和低空运输，设计原则是高能量密度和安全性，主要采用 4.8 V-LLOs 正极材料和 Si@C 负极材料。
• 600 Wh/kg 级别：适用于小型飞机和大型飞机，设计原则是高能量密度，主要采用 LLOs 正极材料和 Si 或 Li 金属负极材料。
• 1000 Wh/kg 级别：适用于超长续航里程的电动飞机，设计原则是超高能量密度，主要采用 T-LLOs 正极材料和 Li 金属负极材料。

4.2 不同能量密度级别电池的应用场景

• 200 Wh/kg 级别：适用于储能系统，例如电网储能、可再生能源储能等。
• 300 Wh/kg 级别：适用于电动摩托车和城市汽车，例如电动自行车、电动三轮车、城市出租车等。
• 400 Wh/kg 级别：适用于续航里程超过 1000 km 的电动汽车，例如家用轿车、长途客车等。
• 500 Wh/kg 级别：适用于无人机和低空运输，例如快递无人机、城市空中出租车等。
• 600 Wh/kg 级别：适用于小型飞机和大型飞机，例如私人飞机、支线客机等。
• 1000 Wh/kg 级别：适用于超长续航里程的电动飞机，例如大型客机、货运飞机等。

图6：展示了不同能量密度级别锂离子电池的设计原则和应用场景，并说明了 LLOs 和 SSE 在实现高能量密度电池中的重要作用。

5. 结论

本文研究了不同能量密度等级锂电池的设计，特别关注电化学活性材料（正极、负极和电解质）。在高能量密度电池设计中，富锂层状氧化物（LLOs）作为正极材料将在提升能量密度方面发挥核心作用，LLO根据充电电压和可用容量可分为低压、中压和高压类型，特别是高压LLO适用于追求极高能量密度的电池。另一方面，固态电解质代替电解液能够显著提高能量密度和安全性。结合高压LLO、固态电解质和高容量负极材料，预期原型锂电池的能量密度可达1002 Wh/kg。尽管许多技术尚未实现，本文提出的设计原则将有助于加速高能量密度锂电池的研发。

论文信息：

Du H, Zhang X, Yu H. Design of high-energy-densitylithiumbatteries: Liquid to all solid state[J]. eTransportation, 2025, 23: 100382.
DIO : 10.1016/j.etran.2024.100382