锂离子电池能量密度及其提升方式

锂离子电池是目前便携移动设备的主要动力电源，在ITC（通讯信息电子）产业的飞速发展背景下，其需求量也呈稳步增长态势。这两年来，各国政府发展新能源和低碳经济的政策更是使得锂离子电池的市场容量出现激增。然而，伴随更大功率锂电池需求增长的问题是：如何使锂电池在现有体积下释放出更多的能量，或者说，释放同样的能量而可以做到体积更小。这涉及到锂离子电池下一步能有多大的发展空间。也可以把这个问题转化为如何提高锂电池的能量密度。
    锂离子电池的能量密度在数值上等于锂电池放电电压和容量的乘积，但这只是个约数，实用中的锂离子电池能量密度取决于正极材料的能量密度和负极材料的能量密度以及它们之间的匹配程度。
    现有的锂离子电池负极材料多以石墨为主，石墨的单位容量为400mAh/g，相对于石墨，锂电池正极材料的单位容量则少得多，如钴酸锂正极材料为140mAh/g；磷酸铁锂正极材料高些，为160mAh/g。根据木桶理论，水位的高低决定于木桶最短处，那么，锂电池的能量密度也更多地决定于负极材料。这就是锂离子电池是以正极材料而不是负极材料分类的原因。那么，又如何提高正极材料的能量密度呢？
    由前述锂离子电池能量密度的导出可知，要么提高容量（制作大容量锂电池仍是目前锂离子电池研发的主要方向），要么提高放电电压，或者二者同时提高。又因为正极材料的容量更低，因此，在正极材料上着手提高放电电压成为提高容量之外的又一个途径。
    对于插电式混合动力车和纯电动汽车而言，后者要求锂离子动力电池能够储存和释放更高的能量，具有更长的循环寿命。从目前最好的锂动力电池来看，丰田普瑞斯的混合动力车使用锂电池作为辅助动力，每加仑汽油可以行驶约50英里，而IBM发起的“电池500”项目则要求电池一次充电后的续航能力要达到500英里，折算成所需电量为125KWh。纯电动汽车对一次充电续航能力的要求必然呼唤新一代电池正极材料的出现。
    目前，通过改善电压的方式所能选择的锂电池正极材料有两类。一类是类尖晶石晶体结构LiNi0.5Mn1.5O4；另一类是类橄榄石晶体结构LiCoPO4。这两类材料都具有开发出5V高电压正极材料的潜力。目前的钴酸锂材料相对锂离子电极的放电电压约为4V，若电压提高到5V，则可以使电池能量密度提高25%；而磷酸铁锂电池正极材料相对于锂离子电极的放电电压更低，约为3.6V，如果电压提高到5V，则能量密度的提升将更为可观。