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作者：劉通 1,3 楊瑰婷 1畢輝 4梅悅旎 1劉碩 1宮勇吉 3羅文雷 2
單位：1. 空間電源全國重點實驗室，上海空間電源研討所； 2. 軍事科學院國防科技創新研討院； 3. 北京航空航天年包養夜學資料科學與工程學院； 4. 中國科學院上海硅酸鹽研討所
援用： 劉通,楊瑰婷,畢輝,等.高能量密度與高功率密度兼顧型鋰離子電池研討現狀與瞻望[J].儲能科學與技術, 2025, 14(1): 54-76.
DOI：10.19799/j.cnki.2095-4239.2024.0611
摘 要 鋰離子電池已成為當前應用最廣泛的儲能器件，能量密度、功率密度是評價其機能的兩個主要參數。但是，高能量密度與高功率密度存在牴觸，有著“此消彼長”的現象。發展高能量密度和高功率密度兼顧型鋰離子電池(簡稱雙高型鋰離子電池)對于進一個步驟滿足高效能、現代化裝備(如特種裝備、電動無人機等)具有主要意義。關鍵新資料是決定雙高型鋰離子電池機能的基礎和焦點原因，電池機能的躍升需求從儲能機制、新資料制備技術出發。本文起首介紹了雙高型鋰離子電池的定義及關鍵機能指標，隨后綜述了雙高型鋰離子電池關鍵正極、負極資料及其改性戰略等方面的研討進展，以及分歧類型的電解質對鋰離子電池機能的影響，并對雙高型鋰離子電池的設計和研發進行了討論，總結了研討現狀、面臨的挑戰和未來發展趨勢，為下一代雙高型鋰離子電池的設計開發供給了新思緒。
關鍵詞 雙高型鋰離子電池；高能量密度；高功率密度；高容量高倍率電極資料；高電壓高導電電解質；電池設計
鋰離子電池因具有高能量密度、長循環壽命、低自放電率、無記憶效應等優點，已在便攜式電子設備、新動力汽車、智能電網等領域獲得了廣泛應用。傳統鋰離子電池能量存儲密度高，但無法年夜功率輸出，難以滿足年夜功率裝備對高效能電源系統的需求。而雙高型鋰離子電池能同時發揮高比能量和高比功任性能，滿足電動飛行平臺、航空航天、特種裝備等領域對長續航、高機動性、年夜功率輸出的應用需求。但是，若何均衡電極資料的容量、電壓、離子電子傳輸、界面穩定性和機械應力變化等，以及若何優化電池結構設計，兼顧整體能量、功任性能和平安性，還是雙高型鋰離子電池當後面臨的重要挑戰。
鋰離子電池的能量密度重要取決于正負極資料的比容量、均勻任務電壓以及活性資料面載量。而鋰離子電池的功率密度重要取決于正負極資料的“三傳”(離子傳輸、電子傳輸和熱量傳出)。在低電流密度下，電荷轉移過程安排著電化學動力學；隨著電甜心寶貝包養網流密度的增添，離子擴散起著重要感化。離子電子傳輸依賴于電池各組分(包含電解質、集流體、黏接劑、隔閡等)的內阻，此中內阻又分為歐姆阻抗、極化阻抗和濃差阻抗。是以，雙高型鋰離子電池的設計開發應重點圍繞以下戰略：①選擇具有較高比容量的正負極資料，并優化其結構描摹以進步其應用率；②選擇高電壓正極資料和低電壓負極資料；③通過微納化、構筑導電網絡、孔道結構設計、梯度設計和取向設計等進步厚電極的導電性和導離子性以下降其內阻；④通過溶劑、鋰鹽和添加劑的成分調控，設計耐高壓抗氧化、高離子導通及熱穩定的電解質；⑤優化正極、負極資料和電解質之間的婚配關系包養網dcard以進步電池整體效力。
雙高型鋰離子電池和通俗鋰離子電池的對比表示圖如圖1所示。
本文圍繞雙高型鋰離子電池的關鍵機能指標、關鍵資料(正極資料、負極資料、電解質)、電極結構設計與電池整體研發，總結了近年來鋰離子電池在能量密度和功率密度同步晉陞方面獲得的研討進展，并對未來面臨的挑戰和發展趨勢進行了瞻望。
1 雙高型鋰離子電池關鍵機能指標與定義
1.1 雙高型鋰離子電池關鍵機能指標
鋰離子電池能量密度是指電池單位質量或體積所釋放出的電能，用Wh/kg或Wh/L表現。電池能量(
)可以解釋為其比容量(C)相對于其電壓(V)的積分，是以，晉陞正負極資料的容量和電池任務電壓有助于晉陞電池能量密度。
鋰離子電池功率密度是指電池單位質量或體積所釋放出的功率，用W/kg或W/L表現。鋰離子電池功率密度
取決于電池的電壓(V)、內阻(R)和質量(m)。從微觀角度剖析，鋰離子電池的功任性能與動力學過程親密相關。在實際的鋰離子電池電極中，多孔電極內部的離子擴散阻力在決定電化學動力學方面起著關鍵感化；并且雙高型鋰離子電池隨著充放電時間的縮短或電極厚度的增添，極化變得愈發嚴重。是以，通過改變多孔電極的孔結構或調整電極成分(如導電添加劑)可以減少傳輸阻力，制備功任性能更佳的鋰離子電池。
此外，電池質量是電池各組件(包含電解質、集流體、隔閡、封裝、連接件等非活性部門)的總和，制造工藝中若何有用減重也是一年夜挑戰。
1.2 雙高型鋰離子台灣包養網電池定義
鋰離子電池根據任務特徵分歧可以分為能量型、功率型和雙高型。
能量型電池，單位質量或體積能儲存的電能多，關注高比能量密度。晉陞能量密度一向是電池技術發展的焦點目標，典範鋰電池體系的能量密度發展如圖2所示。根據工信部《鋰離子電池行業規范條件(2021年本)》請求，三元鋰電池的電芯能量密度應年夜于210 Wh/kg，磷酸鐵鋰電池的電芯能量密度應年夜于160 Wh/到了樓下，正要提上台階，耳邊傳來一聲微弱的「喵」kg。今朝，商業化的動力電池的質量能量密度為150~300 Wh/kg。為了進一個步驟進步電池的能量密度需求，各國當局和機構設定了高比能鋰電池的目標。例如，american動力部(DOE)啟動了“電池500聯盟”，以達到500 Wh/kg的電池能量密度為目標；japan(日本)新動力產業技術綜合開發機構(NEDO)也發布了“新一代電池科技創新研討開發計劃”(RISING Ⅱ)項目，目標是在2030年實現500 Wh/kg；我國在“十四五”國家重點研發計劃——“新動力汽車”重點專項中提出電池能量密度達到600 Wh/kg的目標。
功率型電池，重要任務特徵是支撐年夜倍率充放電，尤其是供給瞬時年夜電流供電，關注高比功率密度。根據《鋰離子電池行業規范條件(2021年本)》請求，功率型單體電池功率密度應年夜于500 W/kg。
雙高型鋰離子電池則是指同時兼顧較高能量密度和功率密度的鋰離子電池，可以顯著增添電源系統的任務時間、下降電源系統的份量，實現年夜功率裝備的高效能與輕小型化，適用于航空航天、軌道路況、高技術裝備同等時對能量密度和功率密度有請求的領域。在航空航天(如電動飛機)應用中，為了實現更長時間和更疾速度的飛行，需求能量密度≥500 Wh/kg和功率密度≥1 kW/kg的鋰離子電池；在軌道路況領域，為了實現更疾速和更遠程的運輸後果，需求能量密度≥300 Wh/kg和功率密度≥1 kW/kg的鋰離子電池；而在高技術特種裝備領域，為了實現更強年夜的應用效能，需求具有能量密度≥500 Wh/kg和功率密度≥10 kW/kg的鋰離子電池。
能量密度和功率密度兩者之間的關系可以通過Ragone圖反應，三種常見體系的鋰離子電池的Ragone圖如圖3所示。雙高型鋰離子電池能量密度和功率密度的數值界定標準始終是依賴具體應用場景的，也會因分歧的研討者或機構而有所差異。
2 雙高型鋰離子電池正極資料
鋰離子電池的電化學機能取決于正負極資料的選擇和婚配。正極資料作為鋰離子電池中重要的Li+供體，對于進步鋰離子電池的能量密度起著至關主要的感化，其比容量和任務電壓決定了電池的理論能量密度。為了實現雙高型鋰離子電池，需求開發具有高比容量、高電壓、高電導率和低極化的正極資料。
當前鋰離子電池仍采用Goodenough等在20世紀70~80年月開發的磷酸鐵鋰(LiFePO4，LFP)、鈷酸鋰(LiCoO2，LCO)及其衍生的三元資料。傳統商用LFP長期包養電池能量密度僅為150~200 Wh/kg，三元正極鋰離子電池具有更高的能量密度250~300 Wh/kg。若進步其應用下限電壓則能進一個步驟進步能量密度，但嚴重的資料不成逆結構破壞和電解液界面副反應導致電池循環穩定性和平安性降落，是以高壓正極的實際應用問題亟待解決。
2.1 高壓聚陰離子型正極
以LFP(3.4 V vs. Li/Li+)為代表的聚陰離子資料具有高平安、循環穩定性好、低本錢的優點；高電壓聚陰離子正極資料的任務電壓能夠超過4 V(vs. Li/Li+)，高平臺電壓進步了電池的能量密度。今朝，已經發現了一些具有高電壓特徵的正極資料，如LiCoPO4、LiNiPO4、LiMnPO4等。
LiCoPO4是一種橄欖石結構的正極資料，平臺電壓為4.8 V (vs. Li/Li+)，理論比容量為167 mAh/g。該資料具有優異的循環穩定性和平安性，但也存在首效低、離子電導和電子電導率差等問題。為此，研討人員通過分解路線、概況改性、等價和非等價摻雜等多種戰略來晉陞LiCoPO4的機能，此外，合適的電解液和添加劑也同樣主要，以克制高電壓下的電解液氧化。
2.2 三元層狀正極
三元層狀正極資料如LiNixCoyAl1-x–yO2(NCA)和LiNixCoyMn1-x–yO2，(NCM，x≥0.6)等，該類資料具有高的比容量(約200 mAh/g)和高的任務電壓(約4 V vs. Li/Li+)，是今朝商業化鋰離子電池的主流正極資料之一。但是三元資料存在初次庫侖效力不高(凡是小于90%)，本征離子電導率較低，高電壓、熱穩定性較低，循環穩定性待晉陞等問題。通過摻雜或包覆其他元素等方式，改變正極資料的概況或界面特徵，進步其電子離子傳輸才能、循環穩定性和平安性，可以用來優化NCA和NCM正極資料的機能。
較高價態的過渡金屬元素(如Mg、Ti、Zr、Cr等)可以通過替換部門Ni離子，克制相變和結構掉序。Cheng等通過將2%(摩爾分數)的Ti作為改性資料摻雜到NCM622中，在4.5 V的高截止電壓下，NCM622-Ti在150次循環后的容量堅持率高達91.8%，并且在10C時具有更高的倍率容量(118 vs. 105 mAh/g)；石墨||NCM-Ti全電池展現出高能量密度(240 Wh/kg)。優越的電化學行為歸因于強Ti—O鍵和無未成對電子，進步了電極-電解液界面的穩定性。較低價態的過渡金屬元素(如Fe、Zn等)可以通過替換部門Co離子，進步正極資料的電子導電性和離子擴散性，從而進步電池的功率密度。
由于F比O更具電負性，它可以替換三元層狀資料中的O并與金屬構成更強的M—F鍵，增強晶格的穩定性，保護正極資料不受氫氟酸或氮的侵蝕。Zhao等提出了一種干燥且低溫(350 ℃)的氟化方式，用1%(摩爾分數)F氟化的NCA80樣品在1C下循環100圈，顯示了更高的容量堅持率(93.9% vs. 86.2%)；能夠的緣由是F在顆粒概況天生了非晶態的LiF涂層，從而克制了金屬元素的消融。Lee等對LiNi0.8Co0.15Al0.05O2(NCA80)進行AlF3包覆，從而進步其循環穩定性。Qiu等通過F與Zr共摻雜改性NCA80， 1 C下經過200個循環后容量堅持率進步到90.5%。MgF2包覆的NCA80在0.1 C低倍率下比容量小于原始NCA80，但在2 C高倍率下機能比原始NCA80更好。
NCA和NCM兩種三元資料的結構穩定性比較中，有研討指出，NCA的穩定性高于NCM，反應了Mn—O鍵的穩定性低于Al—O鍵。NCA8515和NCM811的包養條件長期循環機能如圖4所示。
以上三元正極資料的機能都是在實驗室條件下得出，極片上活性物質的載量較低(11 mg/cm2)，此時需求構建多孔結構才幹發揮資料的電化學活性。Kim等指出，由于在電極實際生產輥壓過程中顆粒的塌陷，實際獲得的比容量將會下降，這是三元資料用于雙高型鋰離子電池過程中不成忽視的實際原因。
2.3 富鋰錳基包養網心得正極
富鋰錳基層狀氧化物[xLi2MnO3·(1-x)LiMO2，M=Mn，Ni，Co等]可視為Li2MnO3和LiMO2的復合體，具有較高的截止電壓(約4.5 V vs. Li/Li+)、極高的理論容量(>350 mAh/g)和較高的可逆容量(>250 mAh/g)。在富鋰資料中，起首研討的資料是Li2MnO3，盡管其理論容量高達459 mAh/g，但由于其較差的電子電導，以及氧陰離子氧化還原反應的動力學惰性，實際可發揮的容量僅為兩位數；當資料的顆粒尺寸下降至10~50 nm時，其容量可逐漸晉陞至約300 mAh/g，但納米化工藝并不實用。通過調節Mn元素的占比即可對富鋰量的數值進行調控，凡是隨著富鋰量的進步，資料容量也降低，但同時容量及甜心花園電壓的衰減同步加強，是以，富鋰量需求尋求均衡。今朝能夠發揮出較高容量的富鋰錳基正極凡是為LiMO2與Li2MnO3以1∶2以上的比例固溶的復合體，如具有經典比例的Li1.2Ni0.2Mn0.6O2在0.1 C下能表現出超過290 mAh/g的容量。
Zuo等制備了O2相具有單層Li2MnO3超結構的富鋰資料，可供給400 mAh/g的可逆容量，能量密度高達1360 Wh/kg；但是，該機能僅在極低放電倍率0.025 C下實現，且循環穩定性和倍任性能表現欠安。進一個步驟，該研討團隊制備了O2型全錳基Li0.78[Li0.24Mn0.76]O2納米線，激活穩定的陰離子氧化還包養網VIP原反應，禁止氧氣釋放和層狀到尖晶石的轉變，在15 C的高倍率下仍可供給200 mAh/g的可逆容量。Cai等通過獨創的拓撲“滲鑭”戰略制備出O3相改性富鋰錳正極，2~4.8 V的電壓范圍內比容量最高可達290 mAh/g@0.2 C，0.5 C下仍表現出約250 mAh/g的容量，倍任性能較O2相顯著進步，循環150周后的容量電壓幾乎無衰減。
富鋰錳基正極資料具有高容量、高電壓和無鈷低本錢的優點，被認為是最具前程的正極資料之一，但其倍任性能和循環壽命尚待進一個步驟晉陞，距離其在雙高型鋰離子電池中的實際應用還有較長的路要走。
2.4 鎳錳酸鋰正極
鎳錳酸鋰(LiNi0.5Mn1.5O4，LNMO)是一種尖晶石結構的正極資料，具有重要的平臺電壓為4.7 V(vs. Li/Li+)，歸因于Ni2+/Ni4+的氧化還原反應(Mn4+不反應)，理論比容量為147 mAh/g，實際比容量可達130 mAh/g。LNMO具有面心立方結構(Fd3̄m)的無序相和原始立方結構(P4332)的有序相，無序相的LNMO表現出更好的電化學機能。
可是，LNMO的循環壽命欠安、容量疾速衰減限制了它的廣泛應用和商業化。為清楚決這些問題，研討人員通過顆粒形態調控、元素摻雜、概況包覆和電解液優化等途徑來對LNMO進行改性。例如，Hwang等采用機械融會法在LNMO上涂覆了一層氧化碳納米管(OCNT包養網s)涂層，OCNT涂層的LNMO有用改良了離子擴散動力學和結構穩定性。經過在3.5~4.9 V電壓范圍內1 C充放電80次循環后，放電容量130 mAh/g(堅持率95.5%，庫侖效力99.9%)；4 C的高倍率放電下，容量堅持在130 mAh/g(1 C下137 mAh/g)。此外，對于LNMO正極，開發高電化學電位下穩定的包養條件電解液也很主要，需求特別關注CEI膜構成。
LNMO具有宏大的潛力，今朝為止，與LNMO正極資料共同構建全電池的負極資料包含石墨、鈦酸鋰(Li4Ti5O12，LTO)、鈦鈮氧化物(TiNb2O7)、二氧化鈦(TiO2)等。
2.5 高壓鈷酸鋰正極
LCO是鋰電池正極資料中應用范圍最廣、研討最早的資料之一，其理論比容量高達274 mAh/g(理論體積容量高達1363 mAh/cm3)，自放電率低，循環穩定性傑出。傳統的LCO充電下限至4.2 V，穩定脫嵌約50%的Li+，實際可逆容量約140 mAh/g，平臺電壓為3.7~3.9 V(vs. Li/Li+)。為 TC:sugarpopular900
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