鋰離子電池憑借著出色的性能和具有競爭力的價格等優勢，在過去的三十年中在消費電子和儲能等領域取得了巨大的成功，但是目前鋰離子電池的能量密度已經接近極限，繼續提升的空間有限，因此科學界和產業界開始將目光轉向下一代的儲能電池。

目前研究較多的新型儲能電池重要包括金屬鋰全固態、Li-S、Li-空等，近日德國明斯特大學的FabianDuffner（第一作者，通訊作者）和RichardSchmuch（通訊作者）等人有關新型儲能電池的技術特點和制造過程進行了分析，并與鋰離子電池進行了比較。

鋰離子電池經過三十年的發展，在技術上得到了長足的發展，成本大幅降低，2019年鋰離子電池的產量已經達到160GWh/年，并且預計到2030年將進一步新增至1500GWh/年。

近年來為了滿足有關高能量密度的進一步需求，人們開發了多種新型的儲能電池，這些電池能量密度最高可達1200Wh/kg以上，體積能量密度可達800Wh/L以上，同時這些電池還通過采用低成本的原材料（如Na、S和O等）獲得了低成本的優勢，下表中作者比較了重要的幾種新型儲能電池的優劣勢。

下圖中作者將幾種重要的新型電池的材料和電池結構與鋰離子電池進行了比較，之所以選擇這幾種電池重要是因為由于鋰資源的限制Na離子電池被認為是一種取代鋰離子電池的選擇，而Li-S電池的理論能量密度可達2510Wh/kg以上，遠高于傳統的鋰離子電池，全固態電池被認為是解決鋰枝晶生長和改善電池安全性的有效方法，因此近年來得到了廣泛的關注。Li-空電池由于正極直接來自空氣中的O2，因此理論能量密度可達3400Wh/kg，是目前能量密度最高的電化學體系。

鋰離子電池

鋰離子電池的重要構成要素包括正極材料、負極材料，以及隔膜和電解液等，其中正極材料重要是層狀結構的含鋰金屬氧化物（LiMO2），負極一側重要是人造和天然石墨，電解液重要是碳酸酯類電解液，隔膜重要是多孔聚烯烴隔膜，正極集流體為Al箔（12um），負極集流體為銅箔（8um）。

鈉離子電池

鈉離子電池的工作原理與鋰離子電池類似，但是鈉離子電池的載流子為Na+，與鋰離子電池不同的是Na在常溫下不會與Al形成合金，因此在鈉離子電池中我們可以采用Al箔作為負極集流體，從而降低電池成本和電池重量。但是由于Na+的離子半徑較大，常規的石墨負極儲Na能力較差，因此要采用硬碳類材料作為負極，因此新增了鈉離子電池的成本。除此之外，正極材料和電解液設計均與鋰離子電池類似。

Li-S電池

在Li-S電池一般采用納米結構的S-碳復合材料作為正極，已改善S的正極導電能力，采用金屬鋰作為負極，S正極的理論比容量為1675mAh/g，因此理論上Li-S電池具有極高的比能量，但是由于其工作依賴于反應生成的多硫化物在電解液中的溶解，從而將新鮮的正極裸漏出來，因此要較高的電解液注液量，限制了電池能量密度的提升。

金屬鋰負極的全固態電池

金屬鋰負極的理論比容量可達3860mAh/g，是一種的理想的負極材料，但是金屬鋰在反復的充放電過程中由于局部極化的存在，會引起枝晶生長的問題，導致電池循環性能和安全性能的劣化。而固態電解質具有較高的機械強度，被認為是解決金屬鋰負極鋰枝晶生長的有效方法，因此通過全固態電解質的采用，可以使得鋰離子電池的能量密度達到350Wh/kg以上，但是目前固態電解質還存在氧化物、硫化物類電解質接觸電阻大，聚合物電解質離子電導率低等問題，此外全固態電池的生產工藝也是一項非常大的考驗。

Li-空電池

Li-空電池包含多孔的空氣正極，可以從空氣中直接獲取正極材料O2，負極材料則選擇金屬鋰。但是目前Li-空電池還存在較多的問題有待解決，例如空氣中除了O2外還存在較多的其他氣體（如N2、CO2和H2O等），反應過程會出現Li3N、Li2CO3和LiOH等副產物，影響空氣電極的可逆性。因此為了實現Li-空電池的應用，還要對電池結構設計等進行較多的研究。

除了上述電池體系上的差別，作者還對幾種電池生產過程進行了比較，由于采用了新的體系和材料，因此在生產工藝上也要進行較多的調整。作者將整個生產過程分為了三個大的過程：1）電極制備；2）電池生產；3）化成。

負極制備

有關鋰離子電池和鈉離子電池的石墨負極和硬碳負極而言，生產流程基本一致，重要是將活性物質、粘結劑、導電劑和溶劑混合在一起，然后將混合好的漿料涂布在金屬箔的表面，電池的成本和電池重量，正負極會采用較薄的Al箔（12um）和Cu箔（6um），涂布采用雙面涂布的工藝，涂布速度一般控制之在25m/min到50m/min之間，最快可達100m/min，再進行碾壓獲得理想的孔隙率。為了滿足不同電池的需求，還要對碾壓后的電極進行分切，為了降低電極中的水分還要對分切后的電極進行真空烘干。未來隨著技術的發展，還可能將超級電容器生產過程中采用的干法電極工藝應用在鋰離子電池生產的過程。

有關Li-S、全固態和Li-空電池，負極采用金屬鋰，由于金屬鋰負極具有很強的反應活性，因此為了保護金屬鋰負極，生產過程要在保護氣氛中進行，例如氬氣。金屬鋰負極的生產過程首先要將金屬鋰胚碾壓為長條型，然后采用碾壓機將其碾壓為一定厚度的鋰箔，然后鋰箔覆蓋在銅箔的兩側。在金屬鋰負極使用前還要對其表面進行鈍化處理，以使其能夠滿足在干燥間使用的要求。常見的金屬鋰鈍化工藝重要包括氣體處理、聚乙烯層、表面氟化等工藝，在組裝入電池后也能夠抑制鋰枝晶的生長。

正極制備

有關鋰離子電池、鈉離子電池和Li-S電池其正極材料的制備工藝與石墨負極的工藝路線基本一致，而有關全固態鋰離子電池正極制備則存在一定的差別，首先全固態電池正極材料重要由集流體、活性物質、固態電解質和導電劑構成，部分的固態電解質直接與正極材料混合，用以在正極材料內部傳導鋰離子。由于活性物質和固態電解質顆粒的接觸阻抗較大，因此為了保證正負極材料與固態電解質顆粒之間良好的接觸，一般有關氧化物電解質會新增低溫燒結的工藝，保證良好的接觸。由于氧化物固態電解質會與空氣中的水分發生反應，在其表面生成Li2CO3等雜質成分，引起離子電導率降低，因此燒結后的正極要在干燥間環境或保護氣氛下生產。

固態電解質一般要通過涂布工藝先制作為薄片，然后采用激光切割的方式制成合適的形狀，然后與正極進行壓合，然后再在低溫下進行燒結，以保證良好的界面接觸，但是這種工藝進能夠在實驗室制備小型電池，如何進行規模化生產仍然面對巨大的挑戰。

Li-空電池的正極與其他電池存在顯著的差別，這重要是因為Li-空電池的正極要作為空氣中的氧氣的還原活性點，同時還要由足夠的孔隙存儲反應產物，同時還要減少空氣中水分有關反應產物的影響。

電池制造

有關鋰離子電池和鈉離子電池，其電池的裝配工藝完全相同，Li-S電池和Li-空電池顯著的特點是采用了金屬鋰負極，因此電池生產過程中要根據金屬鋰負極較為柔軟的特性，對工藝進行優化設計。而有關Li-空電池，由于要從空氣中獲取氧氣，因此再電池設計上與傳統的鋰離子電池存在顯著的差別，處理傳統的正負極之外，還要由氣體擴散層，保證O2的供應。

電池化成

有關鋰離子電池和鈉離子電池化成重要通過反復的充放電，在負極表面形成良好的SEI膜，從而保證良好的循環穩定性。有關Li-S電池和Li-空電池，其初始狀態即為電狀態，因此電池注液后金屬鋰負極就開始形成SEI膜，但是為了獲得良好的SEI膜，仍然要進行一定的化成工藝處理。有關全固態鋰離子電池而言，假如金屬鋰負極表面已經覆蓋了具有良好穩定性的SEI膜，化成過程則是非必須的，而假如金屬負極沒有形成良好的界面保護層，則要進行化成，但是這一過程要避氣體的出現。

成本

從成本的角度，由于鋰離子電池成熟的產業鏈體系，無疑是目前成本最低的儲能電池方法，有關鈉離子電池而言，重要的生產工藝與鋰離子電池類似，但是由于鈉離子電池能量密度較低，因此會導致電池的生產成本提升15%以上。有關Li-S電池、Li-空電池和全固態電池而言，由于較高的能量密度，因此同樣的能量要的電池更少，但是由于采用了大量的新工藝，導致這些電池成本較高，有報道這些電池的成本可到300-400Wh/kg以上，遠高于鋰離子電池。

雖然目前新型電池的研究火熱，在某些指標上新型電池相有關鋰離子電池具有一定的優勢，但是要全面取代鋰離子電池，要在成本、能量密度、循環壽命、安全性等方面對鋰離子電池具有全面優勢，新型電池仍然任重道遠。

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Post-lithium-ionbatterycellproductionanditscompatibilitywithlithium-ioncellproductioninfrastructure,NATUREENERGY|VOL6|FEBRUARy2021|123–134|,FabianDuffner,NiklasKronemeyer,JensTübke,JensLeker,MartinWinterandRichardSchmuch