刘通 等：高能量密度与高功率密度兼顾型锂离子电池研究现状与展望

摘 要 锂离子电池已成为当前应用最广泛的储能器件，能量密度、功率密度是评价其性能的两个重要参数。然而，高能量密度与高功率密度存在矛盾，有着“此消彼长”的现象。发展高能量密度和高功率密度兼顾型锂离子电池(简称双高型锂离子电池)对于进一步满足高效能、现代化装备(如特种装备、电动无人机等)具有重要意义。关键新材料是决定双高型锂离子电池性能的基本和核心因素，电池性能的跃升需要从储能机制、新材料制备技术出发。本文首先介绍了双高型锂离子电池的定义及关键性能指标，随后综述了双高型锂离子电池关键正极、负极材料及其改性策略等方面的研究进展，以及不同类型的电解质对锂离子电池性能的影响，并对双高型锂离子电池的设计和研发进行了讨论，总结了研究现状、面临的挑战和未来发展趋势，为下一代双高型锂离子电池的设计开发提供了新思路。

关键词 双高型锂离子电池；高能量密度；高功率密度；高容量高倍率电极材料；高电压高导电电解质；电池设计

锂离子电池因具有高能量密度、长循环寿命、低自放电率、无记忆效应等优点，已在便携式电子设备、新能源汽车、智能电网等领域得到了广泛应用。传统锂离子电池能量存储密度高，但无法大功率输出，难以满足大功率装备对高效能电源系统的需求。而双高型锂离子电池能同时发挥高比能量和高比功率性能，满足电动飞行平台、航空航天、特种装备等领域对长续航、高机动性、大功率输出的应用需求。然而，如何平衡电极材料的容量、电压、离子电子传输、界面稳定性和机械应力变化等，以及如何优化电池结构设计，兼顾整体能量、功率性能和安全性，仍是双高型锂离子电池当前面临的主要挑战。

锂离子电池的能量密度主要取决于正负极材料的比容量、平均工作电压以及活性材料面载量。而锂离子电池的功率密度主要取决于正负极材料的“三传”(离子传输、电子传输和热量传出)。在低电流密度下，电荷转移过程支配着电化学动力学；随着电流密度的增加，离子扩散起着主要作用。离子电子传输依赖于电池各组分(包括电解质、集流体、黏接剂、隔膜等)的内阻，其中内阻又分为欧姆阻抗、极化阻抗和浓差阻抗。因此，双高型锂离子电池的设计开发应重点围绕以下策略：①选择具有较高比容量的正负极材料，并优化其结构形貌以提高其利用率；②选择高电压正极材料和低电压负极材料；③通过微纳化、构筑导电网络、孔道结构设计、梯度设计和取向设计等提高厚电极的导电性和导离子性以降低其内阻；④通过溶剂、锂盐和添加剂的成分调控，设计耐高压抗氧化、高离子导通及热稳定的电解质；⑤优化正极、负极材料和电解质之间的匹配关系以提高电池整体效率。

双高型锂离子电池和普通锂离子电池的对比示意图如图1所示。

本文围绕双高型锂离子电池的关键性能指标、关键材料(正极材料、负极材料、电解质)、电极结构设计与电池整体研发，总结了近年来锂离子电池在能量密度和功率密度同步提升方面取得的研究进展，并对未来面临的挑战和发展趋势进行了展望。

1 双高型锂离子电池关键性能指标与定义

1.1 双高型锂离子电池关键性能指标

锂离子电池能量密度是指电池单位质量或体积所释放出的电能，用Wh/kg或Wh/L表示。电池能量()可以解释为其比容量(C)相对于其电压(V)的积分，因此，提升正负极材料的容量和电池工作电压有助于提升电池能量密度。

锂离子电池功率密度是指电池单位质量或体积所释放出的功率，用W/kg或W/L表示。锂离子电池功率密度取决于电池的电压(V)、内阻(R)和质量(m)。从微观角度分析，锂离子电池的功率性能与动力学过程密切相关。在实际的锂离子电池电极中，多孔电极内部的离子扩散阻力在决定电化学动力学方面起着关键作用；并且双高型锂离子电池随着充放电时间的缩短或电极厚度的增加，极化变得愈发严重。因此，通过改变多孔电极的孔结构或调整电极成分(如导电添加剂)可以减少传输阻力，制备功率性能更佳的锂离子电池。

此外，电池质量是电池各组件(包括电解质、集流体、隔膜、封装、连接件等非活性部分)的总和，制造工艺中如何有效减重也是一大挑战。

1.2 双高型锂离子电池定义

锂离子电池根据工作特性不同可以分为能量型、功率型和双高型。

能量型电池，单位质量或体积能储存的电能多，关注高比能量密度。提升能量密度一直是电池技术发展的核心目标，典型锂电池体系的能量密度发展如图2所示。根据工信部《锂离子电池行业规范条件(2021年本)》要求，三元锂电池的电芯能量密度应大于210 Wh/kg，磷酸铁锂电池的电芯能量密度应大于160 Wh/kg。目前，商业化的动力电池的质量能量密度为150~300 Wh/kg。为了进一步提高电池的能量密度需求，各国政府和机构设定了高比能锂电池的目标。例如，美国能源部(DOE)启动了“电池500联盟”，以达到500 Wh/kg的电池能量密度为目标；日本新能源产业技术综合开发机构(NEDO)也发布了“新一代电池科技创新研究开发计划”(RISING Ⅱ)项目，目标是在2030年实现500 Wh/kg；我国在“十四五”国家重点研发计划——“新能源汽车”重点专项中提出电池能量密度达到600 Wh/kg的目标。

功率型电池，主要工作特性是支持大倍率充放电，尤其是提供瞬时大电流供电，关注高比功率密度。根据《锂离子电池行业规范条件(2021年本)》要求，功率型单体电池功率密度应大于500 W/kg。

双高型锂离子电池则是指同时兼顾较高能量密度和功率密度的锂离子电池，可以显著增加电源系统的工作时间、降低电源系统的重量，实现大功率装备的高效能与轻小型化，适用于航空航天、轨道交通、高技术装备等同时对能量密度和功率密度有要求的领域。在航空航天(如电动飞机)应用中，为了实现更长时间和更快速度的飞行，需要能量密度≥500 Wh/kg和功率密度≥1 kW/kg的锂离子电池；在轨道交通领域，为了实现更快速和更远程的运输效果，需要能量密度≥300 Wh/kg和功率密度≥1 kW/kg的锂离子电池；而在高技术特种装备领域，为了实现更强大的应用效能，需要具有能量密度≥500 Wh/kg和功率密度≥10 kW/kg的锂离子电池。

能量密度和功率密度两者之间的关系可以通过Ragone图反映，三种常见体系的锂离子电池的Ragone图如图3所示。双高型锂离子电池能量密度和功率密度的数值界定标准始终是依赖具体应用场景的，也会因不同的研究者或机构而有所差异。

2 双高型锂离子电池正极材料

锂离子电池的电化学性能取决于正负极材料的选择和匹配。正极材料作为锂离子电池中主要的Li+供体，对于提高锂离子电池的能量密度起着至关重要的作用，其比容量和工作电压决定了电池的理论能量密度。为了实现双高型锂离子电池，需要开发具有高比容量、高电压、高电导率和低极化的正极材料。

当前锂离子电池仍采用Goodenough等在20世纪70~80年代开发的磷酸铁锂(LiFePO4，LFP)、钴酸锂(LiCoO2，LCO)及其衍生的三元材料。传统商用LFP电池能量密度仅为150~200 Wh/kg，三元正极锂离子电池具有更高的能量密度250~300 Wh/kg。若提高其应用上限电压则能进一步提高能量密度，但严重的材料不可逆结构破坏和电解液界面副反应导致电池循环稳定性和安全性下降，因此高压正极的实际应用问题亟待解决。

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