4． 2025 年富锂正极＋全固态电解质＋硅碳／锂金属负极电池实现 400 Wh／Kg

技术原理

富锂锰基固溶体正极材料的化学式为 xLi2MnO3·（1－x）LiMO2，其中 M 为过渡金属Mn（锰）、Ni（镍）、Co（钴）、Ni－Mn（镍－锰）等，其比容量高达 300 mAh／g，且热稳定性高，远高于目前三元的 200 mAh／g。

全固态电解质采用硫化物、氧化物、聚合物等固态电解质替代当前有机电解液和隔膜，由于不存在易燃的液态电解液，安全性能得以大幅提升，可提升电压平台，内部串联可提高系统能量密度。

优势

高比容量：富锂材料比容量高达 300 mAh／g，且热稳定性高，远高于目前三元的 200 mAh／g；

成本低：锰元素价格远低于三元中的钴、镍元素；

高电压：固态电解质比有机电解液普遍具有更宽的电化学窗口，有可能达到 5 V，适应于高电压型电极材料；

安全性高：液态电解质易燃易爆，锂枝晶容易刺破隔膜，引起电池短路，固态电解质不可燃、无腐蚀、不挥发、不存在漏液问题，克服了锂枝晶现象。

技术难点

首次库伦效率低：首次使用的过程中为了发挥出富锂材料的高容量，要采用高电压活化，在充电过程中Li2O从正极材料中脱出，大量的金属离子从表面迁移至体相中占据Li＋和O2－留下的空位，导致晶格中空位消失，材料结构破坏，以至放电过程中Li＋嵌锂不能正常进入晶格中，从而造成较高的不可逆容量。

循环性能差：富锂材料在循环过程中还存在着层状结构向尖晶石结构转变的趋势，这也导致富锂材料的电压平台在循环过程中会持续的下降，容量不断衰减。

固态电解质电导率较低，电极／电解质固固界面问题等。

目前进展

富锂材料经过多年的研究，人们对于其电化学反应机理认识逐渐深入，通过材料结构调整、元素掺杂和表面包覆等手段，显著改善了富锂材料的结构和表面稳定性，配合活化制度的研究，目前富锂材料循环稳定性和倍率性能都已经得到极大的提升，预计 2025 年开始规模化应用。

5． 2030 年燃料／锂硫／空气电池实现 500 Wh／Kg

燃料电池

燃料电池（Fuel cell），是一种通过氧化还原反应将燃料（氢气）转换成电力的装置，技术原理是使用纯氢气与氧气反应，这样在保证电池有较高能量密度的同时，还不会对环境有任何危害，电池反应式：2H2＋O2→2H2O

燃料电池严格意义上不是电池，类似于传统发动机，只要源源不绝地供给燃料，就可以源源不绝地产生电能，其放电特性是连续进行的，不可以充电。

主要优势

能量转换效率高；

真正清洁无污染；

安静无噪声；

能量密度高，功率输出平稳；

燃料补充方便。

主要问题

成本过高：质子交换膜与铂催化剂成本较高，近几年开发出了新型的无铂催化剂，使得电池成本有了明显的降低，但是仍然没有降到可以进行大规模普及的程度；

配套设施建设成本高：主要是加氢站建设、氢气运输、存储成本较高，存储主要包括高压气态储存、固态氢化物储存、低温液氢储存等方式，运输主要包括车船运输和管道运输等；

氢气制备成本高：现在仍然不能以较低成本的大量制取氢气，现在主要主要包括煤气化制氢、水电解制氢、天然气重整气制氢、甲醇裂解制氢等工艺。

总体而言，燃料电池汽车正处在由技术研发向商业化推广过渡的阶段，燃料电池汽车的推广，实际上是氢能在汽车产业大规模应用的问题，唯有对整个氢能产业链和汽车产业链进行综合评估和系统规划，方能在实现推广目标的同时真正满足社会的多元需求，预计 2030 年实现规模化替代。

关于燃料电池的详细分析，请持续关注我的个人公众号。

锂硫电池

技术原理：单质硫完全得电子后的克容量高达 1675 mAh／g，以金属锂做电极的能量密度高达 3860 mAh／g，将二者结合：正极为硫单质、负极为金属锂，就形成了锂硫电池。其充放电进行的是金属锂与硫的氧化与还原反应。

两大优势

能量密度极高：锂的理论比容量为3860mAh／g，硫的理论容量是1673 mAh／g，当硫与锂完全反应生成硫化锂（Li2S）时，对应锂硫电池的理论质量比能量为2600 Wh／kg；

成本低：硫在全球储量颇丰，因而硫锂电池相对于锂离子电池而言有着很高的成本优势。

主要问题

穿梭效应：充放电过程中产生的中间产物多硫化锂可溶解于电解液，到达锂负极以化学方式还原，并形成低价态化合物，部分低价化合物能够再次回到硫正极，并被再一次氧化，多硫化物在正负极之间来回穿梭，在循环期间降低降低库伦效率使电池容量迅速衰减，在静置期间导致严重自放电。

目前锂硫电池产业化研发尚处于起步阶段，除电池正极材料的比容量和稳定性需要进一步提高外，电池安全性等关键问题也亟待解决，预计在 2030 年可大规模商业化。

锂／铝空气电池

技术原理：以纯氧气为正极，以金属锂／铝为负极，放电及充电时分别发生金属锂的氧化及还原反应，具有高达 11500 Wh／kg 的理论能量密度。

两大优点

高能量密度；

价格低廉。

问题点

一系列副反应：空气中广泛存在的各种其它成分，除了惰性气体，几乎都会与锂产生不利的化学反应，金属Li单质比较活泼，如何在空气中使用防止空气中的水与二氧化碳进入电池；

正极蓄积固体反应生成物：阻隔了电解液与空气的接触，导致停止放电等问题；

催化剂问题：氧气在空气电极的还原非常缓慢，为降低正极反应过程的电化学极化，可添加催化剂，目前的催化剂主要为酞靑钴、铂金，价格比较昂贵；

电解质材料：电解质容易挥发从而影响离子电导率、氧溶解性；

金属锂负极：也就是业内一直研究的锂枝晶问题。

锂／铝空气电池从概念提出到现在已有二十多年的历史，但目前的研究工作依旧主要集中于高校及少数企业，副反应的抑制及高昂材料成本的控制实在过于勉为其难，预计 2030 年能实现规模化量产。