金色巨焰，映透山河。问天逐火新征程，我们的目标是——星辰大海。

一、序

电动小课堂，技术大世界！电动技术推动世界发展，BatteryPowertheWorld！WeCreatetheFuture！

中国航天全面赶超，火星探索不曾停歇。

与地球相邻的火星，一天是24小时多，重力是地球的38%，两者有几乎相同的昼夜长短、非常相近的公转轨道面和赤道面夹角。因此，二者有相似的季节变化。

“嫦娥之父”欧阳自远就表明，改造火星并非天方夜谭，通过技术手段可以提高火星表面温度、增加火星大气浓度等，进一步建立火星表面生态环境，转变成为适合人类居住新的家园。虽然要经过一个多世纪甚至更多的探索，但天问一号代表了我们又迈出了新的一步。“我们要飞得更远，我们也有能力飞得更远。”

惊艳亮相的火星探测车将分三步着落，具有六大科学目标：

1、火星全球和着陆区地形地貌、物质成分、的探测与研究；

2、火星全球和着陆区土壤厚度、成分及其分布；

3、火星全球与着陆区次表层地下水体的分布；

4、火星重点地区（着陆候选区）的详查；

5、火星磁层、电离层、大气层及其气候特征；

6、火星物理场（磁场、重力场以及内部结构）探测。

电动技术征战火星，星际移民指日可待。其中，火星探测车就应用到了太阳能电池。那么都具备了太空探索的能力，中国的电池领域发展又如何呢？

今天就给大家带来一篇来自NationalScienceReview的综述性的文章：Aforumonbatteries:fromlithium-iontothenextgeneration。

二、背景介绍

Nationalsciencereview（NSR），《国家科学评论》英文版是 份英文版综述性期刊。为了适应我国科学研究国际地位快速提升，而创办了NSR，并致力于展示国内外各科学领域的代表性研究成果，追踪报道重大科技事件，深度解读热点研究和科技*策等。

在此次由NSR论坛中，成会明主持，请来了陈*、孙世刚、*云辉、张宏立、李泓五位中国电池领域相关专家。

三、核心论点

1、锂离子电池：极限未至

2、研究新方向：综合需求

3、新一代电池：基础突破

4、储能新方式：发散思维

5、建立新标签：基础创新

四、原文中英对译

前言：

年，诺贝尔化学奖授予了三位锂离子电池（LIBs）领域的先驱者：美国德克萨斯大学奥斯汀分校的约翰·古迪纳夫（JohnB.Goodenough）教授、美国纽约州立大学宾汉姆顿分校的斯坦利·惠廷厄姆（StanleyWhittlingham）教授，以及日本旭化成公司的吉野彰（AkiraYoshino）先生。

经过几十年的发展，锂离子电池能量密度的提升速度已明显放缓，并逐渐接近理论极限。与此同时，固态电池、钠离子电池、锂硫电池、燃料电池等新型储电和发电体系快速发展，开始为各种应用场景提供更多选项。

在此次由NSR编委成会明主持的论坛中，几位电池领域的专家对锂离子电池面临的瓶颈和发展方向进行了充分探讨，分析和畅想了下一代电池的前景与应用，并对我国电池研究与产业的现状进行了梳理。

1、锂离子电池：极限未至

成会明：

有观点认为，锂离子电池的发展已接近极限，大家认同这种说法吗？

李泓：

我个人不认同这种看法。锂离子电池的性能包括多个方面：质量能量密度、体积能量密度、循环性、充放电速率、高低温适应性、安全性等。在这些性能中，只有质量能量密度和体积能量密度存在可以定量的理论极限。

仅以这两个指标而论，我认为也至少还需要十年的研究，才有可能达到极限。具体来说，锂离子电池的正极材料目前主要有四大类：钴酸锂（LiCoO2）、三元材料（Li(NiCoMn)O2）、 铁锂（LiFePO4）和锰酸锂（LiMn2O4）。

其中 铁锂和锰酸锂的实际能量密度已经接近理论极限，而钴酸锂和三元材料还有发展空间。

钴酸锂和三元材料的理论容量极限是mAh/g，而目前已经达到的 水平，分别达到了mAh/g和mAh/g左右。通过优化，比如开发高镍、低钴或者无钴的三元材料，还可以进一步提升性能、降低成本。

在这四大类之外，还有富锂锰基正极材料，如xLiMO2-(1-x)Li2MnO3等。它的理论容量极限更高，在x=0时可以达到mAh/g。北京大学夏定国团队的研究结果已达到mAh/g，在工业上则可以做到mAh/g，都还可以进一步提升。

负极也同样还有发展空间。目前常用的是石墨负极，此外还有硅负极、纳米硅碳负极等。众所周知，硅负极的理论容量很高，可以达到mAh/g，但它存在一个主要问题，就是体积膨胀较大。如果能适度控制体积膨胀，硅负极将进一步发展并获得更多的实际应用。

此外，如果开发出含锂的负极，那么正极就可以不含锂，正极材料的选择范围就会更宽，又可以创造出新的发展空间。

对于锂离子电池的其他指标，如循环性、充放电动力学性质、高低温适应性、安全性等，我们或者还不知道极限在哪里，或者现有水平距离极限还十分遥远，所以更不能说已经接近极限。

总之，锂离子电池是一个开放可拓展的体系，我们可以不断探索和优化新的材料、电极设计和加工工艺，从而不断提升它的能量密度和其它各项性能。这其中需要解决的问题还有很多，仍需要创造性的深入细致的研究。

陈*：

锂离子电池是一个相对复杂的体系，主要由正极、负极、电解液、隔膜构成。其中部分商业化的正负极活性材料，如钴酸锂正极、石墨负极等在容量、倍率性能等方面都已接近发展极限。但随着新型电极材料的开发和发展，材料的更新换代将为锂离子电池提供更大的发展空间。

目前，锂离子电池发展的主要方向是正极、负极材料容量的提升和电池综合性能的提高。其中，决定电池容量等性能的高容量正极是核心，与之相匹配的负极、电解液及电池制备工艺技术是关键。

综合来看，近期的具体目标应该是：能量密度达到~Wh/kg、较快速的充放电、满足-30~60℃的使用要求、常温循环寿命超过次、成本0.6元/Wh（Pack）。

孙世刚：

多年以来，钴酸锂、三元材料等体系不断发展，已经相当成熟。但是应该注意到，在这些体系逐渐接近极限的过程中，其性能提高的速度其实是越来越慢的，也就是说，我们遇到的问题是越来越难的。

要解决目前面临的问题，我们或许应该回过头来，重新对这些体系中的基本科学问题和科学规律进行梳理和研究。如果能够更好地用数学、物理模型来描述电池的运行机制，将有助于我们解决这些问题，进一步接近极限。

同时在工业上，电池是一个系统性的产品。有了更好的基本理论，就可以更好地预测能量密度的提升会对整个系统，包括电池的其他性能以及电池的成本，带来怎样的影响。

成会明：

我也同意锂离子电池还有很多发展和完善的空间。进一步的发展可以从三个层面来展开：

首先，不断改进已有的材料；

其次，不断发现新的材料；

第三，还可以开发新的体系，从传统的液态电池，逐渐向半固态、固态，甚至其他的电池体系发展。

2、研究新方向：综合需求

成会明：

实验室中的研究成果常常无法在工业上顺利实现，所以从工业应用的角度来看，锂离子电池的发展空间还会更大一些。

张宏立：

确实如此。从工业生产角度看，现有体系中还有很多需要解决的实际问题。

首先，是刚才李泓老师提到的硅基负极的膨胀问题。硅基负极在循环过程中的膨胀会导致在电池的生命周期中，模组的预紧力会越来越大，如果预紧力最终突破了模组的设计强度，将会给产品带来灾难性的后果，这是电动汽车厂商和电池企业所不希望看到的。

第二，是高镍三元体系的安全性问题。高镍材料具有很高的能量密度和综合性能，但是它不如 铁锂或低镍三元材料稳定，其安全性是急需解决的重大挑战。

第三，是 铁锂技术的进一步突破。过去，很多人都认为 铁锂的性能不够高，但是作为一种无钴的正极材料， 铁锂具有低成本、高安全性、长寿命等优点，而且其发展尚未达到极限，所以最近它重新得到了整个产业链的