那么未來(lái)可能會(huì)有其它的新型化學(xué)電源體系取代現(xiàn)有的鋰離子電池體系嗎？其實(shí)，二次電池實(shí)質(zhì)上是以帶電荷的離子(H+、Li+、Na+、Al3+、Zn2+等)作為電能儲(chǔ)存載體，離子的荷質(zhì)比(Q/M)在某種程度上就決定了該電池體系的理論能量密度。在這些離子當(dāng)中，H+的荷質(zhì)比最高(1.0)，其次是Li+(0.144),Al3+(0.111),Mg2+(0.083)，Na+(0.0455)。
因此從這個(gè)角度而言，化學(xué)電源的比能量是有限的，受到體系理論容量和工作電壓的限制而不可能遵循莫爾定律。鋰在已知的金屬中具有最負(fù)的標(biāo)準(zhǔn)電極電勢(shì)和僅次于氫的理論比容量，使得鋰系電池在所有二次電池體系中理論能量密度最高。因此，非水體系高能二次電池必然是以鋰系電池為主，其它電化學(xué)體系(鈉離子、鎂離子電池等)為輔。那么很多讀者關(guān)心的問(wèn)題，鋰系二次電池將會(huì)朝什么方向發(fā)展？
從電化學(xué)的角度而言，現(xiàn)有的鋰離子電池其實(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，目前使用的過(guò)渡金屬氧化物正極材料不管是工作電壓還是比容量都跟水系二次電池的正極材料相差不大。
因此，要想使鋰離子電成為“真正”的高能電池，只有兩條道路：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。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。
如果OLO和高容量硅基負(fù)極搭配，能量密度可以達(dá)到350Wh/Kg的水平。而更具實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的高鎳NMC正極與Si/C復(fù)合負(fù)極材料搭配體系，實(shí)際能量密度在300Wh/Kg略高的水平，這個(gè)能量密度指標(biāo)幾乎是實(shí)用化的常規(guī)液態(tài)鋰離子電池能量密度的極限。
鋰電池廠商要想進(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?span>(GIC)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！
那么有沒(méi)有辦法解決金屬鋰的問(wèn)題呢？理論上，采用固體/聚合物電解質(zhì)或者在液態(tài)電解液添加無(wú)機(jī)添加劑都有可能緩解鋰枝晶問(wèn)題，但是在電芯的實(shí)際生產(chǎn)和使用上會(huì)面臨諸多技術(shù)困難，并且限制了工作電壓的進(jìn)一步提升空間。
只有采用無(wú)機(jī)固體電解質(zhì)的全固態(tài)鋰離子電池(All-solid-stateLi-ionbattery)才有可能讓基于金屬鋰負(fù)極的高能(高電壓)二次電池體系產(chǎn)業(yè)化成為可能。日本Toyota(豐田汽車)是國(guó)際上全固態(tài)電池的領(lǐng)頭羊，Toyota在該領(lǐng)域已經(jīng)有近20年的研發(fā)積累，目前其發(fā)展出的原型電池在技術(shù)水平上大幅領(lǐng)先其它企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)。使用金屬鋰負(fù)極的全固態(tài)二次電池自然是“終極鋰電池”，產(chǎn)業(yè)化難度極大。在筆者看來(lái)，如果基于金屬鋰負(fù)極的全固態(tài)鋰電池未來(lái)能夠產(chǎn)業(yè)化，那將是可以跟常規(guī)液體電解質(zhì)鋰離子電池產(chǎn)業(yè)化相提并論的革命性突破。
當(dāng)下研究得很熱門(mén)的鋰硫和鋰空電池是鋰離子電池下一個(gè)突破點(diǎn)呢？其實(shí)Li-S和Li-Air電池都是老掉牙的體系，只是近些年又被重新包裝熱了起來(lái)。對(duì)S正極的研究衍生出了兩個(gè)方向，一個(gè)是高溫的Na-S電池(日本NGK已經(jīng)有數(shù)十年的產(chǎn)業(yè)化經(jīng)驗(yàn))，另外一個(gè)方向就是目前研究得比較熱門(mén)的常溫Li-S電池。
