特斯拉风靡全球，其关键技术锂离子电池发展水平如何？

前哨团贾桂翀供稿——来自新加坡的前沿科技成果和创新创业趋势

贾桂翀在新加坡南洋理工大学读博士，主要研究下一代储能电池——钠离子电池。

他认为当前锂电池发展迅猛，但锂资源有限，一段时间过后，锂离子电池成本将大幅上涨，便宜的钠资源开发出的钠离子电池将在工业界迎来大发展。

最近几年，随着埃隆·马斯克带领的特斯拉电动车(Tesla Motors)风靡全球，这其中的关键技术——锂离子电池在各国受到了前所未有的关注和支持，同时也涌现出越来越多的创新技术和创业公司。

那锂离子电池当前发展到了什么程度？目前遇到的阻碍又有哪些呢？

当前单体锂离子电池的工作电压高达 3.7-3.8 V(磷酸铁锂为 3.2 V)，是镍氢、镍镉电池的 3 倍。

但若从技术发展的方向看，锂离子电池有三大趋势:

第一，开发和使用新的高性能电极材料;

第二，发展电动汽车，用大容量锂离子动力电池;

第三，进一步降低锂离子电池的成本和提高电池的安全性能。

但锂离子电池商业化产品的能量密度发展到当前水平， 也面临着很多问题，比如：

锂离子电池的能量密度仍然较低，不能满足未来发展的需求，如 Model S 电动车的电池板总重高达 900 千克(续航 440 公里)，约占整车质量的 43 %;

锂离子电池的功率密度不能满足未来电动汽车动力电池的要求，如我国动力电池发展目标是 2020 年达到 300 Wh/kg;

锂离子电池的安全性能亟待提高，如锂离子电池起火导致波音 787 飞机停飞，以及特斯拉电动车受碰撞发生爆炸。

硅材料因其能量密度高，而备受电极材料研究者重视

当前，锂离子电池的负极材料主要为石墨，理论能量密度继续提高的难度已经非常大了，开发新的高能量密度负极材料已成定局。

这时，硅材料因其理论能量密度是石墨材料的 24 倍而受到了极大的关注和研究。

斯坦福大学材料系崔屹教授带领的团队很早就介入硅负极材料的研究，在 Nature、Science 等杂志上也发表多篇论文，在科研界处于领先水平。崔屹教授创立的 Amprius 公司已经投入超过 1 亿美元的资金，用于商业化硅负极材料，2013年和2014年就已经推出能够用于手机的锂离子电池。

同时，崔屹团队也致力于研究高能量密度正极材料，硫单质材料因其高能量密度而受到广泛研究，同时这种材料价格便宜，产业化成本低。

据公司介绍，他们目前正在“ 设计销售市场上最高能量的电池”，每单位重量和体积的电能比现有技术电池多15-30％。Nanalyze 称，他们似乎正在转向电动汽车，Amprius 的硅纳米线阳极也可以将锂离子电池的能量密度提高 1.4 倍至 10 倍，非常适合电动汽车。

固态电解质和锂金属电池融合形成的全固态锂离子电池，或将是市场重要方向

当前，大规模商业化的锂二次电池普遍采用的液态电解质，有易泄露、易燃烧、易爆炸等安全问题，限制了该类电解质的进一步应用。固态电解质具有安全性能好、工作温度区间广、循环寿命长等优点，所以在锂金属电池领域也具有十分重要的应用前景。

加州大学伯克利分校材料学院戈尔德·西德(Gerd Ceder)教授是固态电解质研究领域的权威专家，所带领的科研团队在 Nature、Science 等杂志上发表了很多具有里程碑意义的论文。

麻省理工学院博士后胡启朝于 2012 年创立的 Solid Energy Systems 公司，已经研制出了一 种新型的锂金属电池。这种新型电池显著提高了锂离子电池的能量密度，远超当前电池水平。

该公司应用多项新材料发展了一种高电量的“无正极”锂金属电池，这种电池采用锂金属薄膜作为负极，其厚度仅仅是传统锂电池负极材料的五分之一，重量也更轻，使得新型电池的体积缩小了一半，提升了电池的能量密度(即同等体积下，电池具有更多的电能)。

同时， 该电池的新型电解液让电池具备了更强的散热性及阻燃特性，与传统锂离子电池保持同等的安全性与持久性。这种新型电池也可以完全兼容现有的锂离子电池生产设备，因此可以批量生产。

2015 年 10 月 1 日，该公司展示了全球首款双倍电量的可充电式手机用锂金属电池原型，并成功获得超过 1200 万美元的投资。

2015 年，英国富豪 James Dyson 的公司收购了固态电池企业 Sakti3，2016 年 8 月 Dyson 表示将会出资 14 亿美元建电池厂，大量生产固态电池。由此看来，固态电解质和锂金属电池融合形成的全固态锂离子电池，或将是锂离子电池发展的一个重要方向。