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+)。為了獲得更高的能量密度，發展出高壓鈷酸鋰(HVLCO)，更多的Li+得以穩定脫嵌，電壓下限逐漸晉陞至4.45 V，甚至有研討任務達到4.6 V。鈷酸鋰-石墨體系發展路線圖如圖5所示。HVLCO推向應用還應戰勝熱穩定性差、年夜電流高倍率或高電壓下結構不穩定導致的容量衰減等缺點。
概況包覆、元素摻雜以及通過溶膠-凝膠法分解是已經被研討的戰略。Shen等通過在LCO概況包覆Li+和電子的良導體LiAlPO3.93F1.07(LAPF)，制備而成的正極資料在2.75~4.55 V電壓區間內表現出優異的循環穩定性和倍任性能。研討發現，LAPF包覆戰略可以有用克制高電壓下的電解液分化，同時晉陞LCO資料的電子和離子導通性。Yano等通過溶膠-凝膠法分解了質量分數0.5% AlO2包覆的LCO，初始容量為247 mAh/g(充電至4.7 V)，并在循環20次后堅持了約82.6%的初始容量。溶膠-凝膠包覆后，在煅燒過程中構成了LiAlO2和LCO的固溶相，因為Al3+是電化學惰性的，且與MO6中的Co離子包養網共享晶格位點，從而使得Li和O離子穩定在LiAlO2框架中，堅持了結構穩定。
LCO資料在室溫下具有優異的電子電導率(約1×10-3 S/cm)以及優異的Li+擴散系數(可達10-8 cm2/s)，是以具有幻想的倍率放電特徵。今朝已開發的HVLCO資料比容量可達190 mAh/g以上，且具有更高的壓實密度，正極體積比能量可同步晉陞，婚配高比能量負極組裝玉成電池，台灣包養網結合電池設計優化，可應用于雙高型電池。
總的來說，幾類主流正極資料的參數對好比表1和圖6所示。
表1 各類正極資料重長期包養要參數對比
3 雙高型鋰離子電池負極資料
負極在電化學過程中存儲/釋放來自正極的Li+，是以晉陞負極資料的儲鋰才能以及脫嵌鋰的速率是進步電池能量密度以及功率密度的有用途徑。今朝，商業化的鋰離子電池負極資料重要包含石墨、硬碳、軟碳等碳系資料以及LTO、TiO2、Nb2O5等鈦/鈮基資料。近年來，磷基負極、硅基負極、鋰金屬負極等具有極高比容量負極資料備受研討者的關注，如圖7包養女人所示。此中，磷基負極、鋰金屬負極距離商業化應用還有距離，尚未能達到雙高型鋰離子電池的應用請求，本文不展開介紹。本文重要綜述了雙高電池上應用遠景較好的碳基資料、鈦基氧化物資料以及硅基負極資料的研討進展。
3.1 碳基負極
碳基負極可分為石墨類負極和非石墨類負極兩年夜類。石墨類資料依然是商業化應用最廣泛的負極，其儲量豐富、本錢較低，具有傑出的導電性、較高的理論比容量(372 mAh/g)、較低的任務電位(0.1 V vs. Li/ Li+)。但是，石墨受層間距較小(0.335 nm)限制，Li+擴散系數較低、Li+擴散路徑長，導致倍任性能欠安。為清楚決這些問題，研討人員采用了多種方式對石墨進行改性，如元素摻雜、概況包覆改性、結構設計、納米化等。
如圖8所示，Zhang等采用電石與氮氣的熱化學反應，制備了一種具有典範介孔特徵的石墨，在0.1~5C的電流倍率下表現出357~186 mAh/g的高比容量。除氮元素摻雜以外，硼、氟、磷等元素摻雜改性石墨的研討也有大批報道。除元素摻雜外，多孔結構設計也可以進步石墨倍任性能。Cheng等通過概況刻蝕的方式獲得一種多孔石墨資料，顆粒概況多通道的結構特征使Li+能夠疾速嵌進石墨顆粒，其在6 C倍率下有83%的容量堅持率，在10 C倍率下也有73%的容量堅持率。
中間相碳微球(MCMB)，是一種主要的天然石墨資料，其球狀的顆粒結構使其具有較高堆積密度，概況由石墨晶體邊緣面組成，Li+擴散速度高，被認為是今朝高功率鋰離子電池設計的首選資料。今朝中間相碳微球的研討集中在進步容量(300~350 mAh/g)和倍任性能，常見的戰略重要有包覆、摻雜改性和復合資料制備等。
非石墨類負極資料重要包含硬碳(HC)、軟碳(SC)兩種，這類資料屬于非晶或部門晶態的碳資料，與石墨類資料比擬，具有很是優異的倍任性能。此中硬碳資料更具有遠高于石墨類資料的理論比容量(400~1000 mAh/g)，同時循環機能、低溫機能優異，在雙高型鋰離子電池應用上具有很是好的應用遠景。
今朝，硬碳資料的實際容量距離理論容量仍具有較年夜的距離，且廣泛存在首效較低的問題，重要的解決路徑有：前驅體的選擇，資料微結構的優化改性(氮、磷、硫等)和預鋰化戰略。李圣遠等通過在NH3/Ar氛圍中退火處理蔗糖與濃硫酸脫水反應制得具有超微孔結構的氮摻雜硬碳，該資料在0.27 C下經過680次循環容量仍有704 mAh/g；在2.7 C年夜電流密度下循環1400次仍有269.2 mAh/g的容量。此外，在實際應用中仍需考慮硬碳資料壓實密度較低的問題，以晉陞雙高型鋰離子電池的體積能量密度。
3.2 鈦基氧化物負極
LTO具有“零應變”、極好的循環穩定性和倍任性能，是最勝利的鈦基氧化物資料，但其理論容量較低(175 mAh/g)、電壓平臺過高(約1.55 V vs. Li/Li+)，無法滿足未來雙高型電池的需求。
具有更高容量的鈦鈮氧化物資料(TNO)是近年來的研討熱點，TiNb2O7是此中最具有代表性的資料之一，具有接近石墨資料的理論比容量(388 mAh/g)，被認為是LTO的無力替換者。但由于固有的低離子電子傳輸，嚴重阻礙了其實際應用。通過概況包覆、元素摻雜、納米結構設計包養等戰略進步資料電子/離子導電率，是晉陞TiNb2O7電化學機能的有用手腕。Zhang等通過一個步驟固相反應制備出了Tb摻雜的TiNb2O7資料，該資料在50 C年夜倍率下可逆容量高達192.8 mAh/g，同時，具有很是優異的循環穩定性。Dai等采用溶膠-凝膠方式，分解了納米多孔TiNb2O7，該資料可逆容量達281 mAh/g，且具有很是優異的循環穩定性(1000次循環后84%的容量堅持率)及倍任性能(20 C下70%的容量堅持率)。此外，納米多孔的特別結構使得TiNb2O7具有很是高的堆積密度，幾乎是商業自然石墨的2倍，能存儲更多的能量。鈦鈮氧化物資料相關研討還處于起步階段，在鋰化機理、資料設計改性、全電池應用方面都亟待進一個步驟研討。
此外，摸索低電壓特徵的鈦基負極資料對雙高型鋰離子電池(特別是超高功率特徵)的開發具有主要意義。Zhang等開發了具有低電壓(均勻任務電壓為0.3 V vs. Li/Li+)、高倍率的鈦基負極資料LiYTiO4 (鈦酸釔鋰)，可逆比容量達到230 mAh/g，更低的任務電壓和更高的比容量使得鈦酸釔鋰電池能量密度數倍于鈦酸鋰電池。此外，鈦酸釔鋰電池具有傑出的倍任性能和循環穩定性，在20 C(4000 mA/g)下循環3000次后容量堅持率高達98%。以上結果表白低電壓鈦基負極資料在雙高型鋰離子電池中存在應用價值。
3.3 硅基負極
硅資料具有高達4200 mAh/g的理論比容量，是幻想的下一代鋰離子電池負極資料，但硅基負極資料也存在著體積變化率年夜(約400%，據Li22Si5計算；約300%，據Li15Si4計算)、導電性低、固體電解質界面膜(SEI)不穩定等問題，導致其容量衰減嚴重，限制了其實際應用。研討者從納米描摹、摻雜包覆、構建復合資料等改性資料，同時關注電解液、黏接劑的婚配和預鋰化戰略等，對硅基負極進行優化設計(圖9)，獲得了顯著的研討結果。
戰勝硅資料固出缺陷的一個有用方式是納米化，包含硅納米顆粒(SiNPs)、硅納米線(SiNWs)、硅納米管(Si甜心寶貝包養網NTs)和硅納米棒(SiNRs)。SiNWs因其在導電路徑、比概況積、擴散路徑、緩沖空間等方面的優勢而遭到廣泛關注。硅氧化物(SiO、SiO2和SiOx)包覆包養網的SiNWs是典範的復合資料，包覆殼層應該足夠薄以允許Li+的穿透。Lim等通過CVD制造了核殼結構的SiOx@SiNWs復合資料，SiOx包覆層的均勻厚度為5.8 nm±1.3 nm。該復合資料在0.2 C時有1910 mAh/g的可逆容量，即便在20C、30C和50C的年夜倍率下，依然堅持了1735 mAh/g、1200 mAh/g和750 mAh/g的比容量。這項任務也展現了最風行的復合改性結構，即以SiNWs為核、添加劑為殼的核/殼結構。
硅碳復合負極資料是指將硅基負極資料與碳資料進行復合，從而構成具有雙相或多相結構的負極資料，此中，碳資料供給高導電性和高穩定性，緩沖硅基資料的體積變化，從而改良硅基資料的倍任性能和循環穩定性。硅基資料包含Si和SiO(理論容量2400 mAh/g、體積變化率約150%)、SiO2(理論容量1965 mAh/g、體積變化率約100%)、SiOx，碳資料重要有導電炭黑、石墨、碳纖維、碳納米管、石墨烯等。今朝硅碳復合資料(如Si/C和SiO/C)已經商業化應用，可實現約450~650 mAh/g比容量和較好穩定性。
Chiu等將Si與碳纖維(MCFs)復合，改變Si和MCFs的比例可以調節資料的電化學機能。硅的比例越高，資料的比容量越高；碳纖維的比例越高，資料的循環穩定性和倍任性能越好。當Si/MCFs的比例為0.1時，電極最為穩定(1087 mAh/g的比容量)。Zhu等制備了一種具有多級導電網絡和多孔的納米結構Si@C@CNT復合物，并將Si@C@CNT和多孔石墨甜心花園烯(PG)以2∶8的質量比混雜，構建了Si@C@CNT-PG電極，在4 A/g的電流密度下，可逆容量達到600 mAh/g；在800 mA/g的電流密度下，200次循環后容量堅持率為80%。Yuan等用水熱法制備了SiO/C復合資料，50次循環后容量為744 mAh/g。Xu等分解了多孔SiOx/C/G負極，在0.2 A/g的電流密度下600次循環后可逆容量為541 mAh/g。
硅基負極資料充放電中宏大的體積變化始終不容忽視，雙高電池疾速充放電的任務環境對黏結劑提出了更高的請求，黏結劑必須在頻繁的年夜體積變化下堅持電極組分之間的緊密接觸以及離子和電子傳輸通道的完全性。石墨負極主流的黏結劑是SBR與CMC，但其難以滿足其硅基負極的請求；丙烯酸PAA類黏結劑已經被證明能進步硅基負極循環穩定性，并已經在摸索商用。高效的黏結劑能夠具有強年夜的黏附力和機械柔性，以適應硅基負極的宏大體積變化。近年來，導電黏結劑也被研討，其能供給電子傳輸網絡，兼顧高效黏結劑和導電劑的效能。
此外，預鋰化能幸福來得太突然了。夠有用應對硅基負極首效低的問題，它可以減少初次充放電過程中活性鋰的損掉。
總的來說，幾類主流負極資料的參數對好比表2和圖10所示。
表2 各類負極資料重要參數對比
4 雙高型鋰離子電池電解質
電解質能為Li+在正負極之間穿越供給連續通路，優化設計需與正負極資料相協調，以滿足電池雙高特徵的需求。本文所述電解質包含電解液和準固態電解質。
今朝，電解液是鋰離子電池應用的絕對主流，重要包含溶劑、鋰鹽以及添加劑三個組分。絕年夜多數電解液以EC作為溶劑，因為它能夠消融年夜多數鋰鹽，并且具有高介電常數、高離子導通性。EC凡是與DEC、DMC、EMC等極性無水溶劑共同應用，因其使電解液熱穩定性更好，還能下降電解液的黏度，從而增強了離子導通性。六氟磷酸鋰(LiPF6)是最實用的鋰鹽，其他鋰鹽還包含高氯酸鋰(LiClO4)、四氟硼酸鋰(LiBF4)和六氟砷酸鋰(LiAsF6)。鋰鹽的穩定性取決于具體的正負極和所選溶劑體系。凡是，鋰鹽濃度不超過1.2 mol/L，溶劑為EC與線性碳酸酯的份量比為3∶7。電池經充放電任務后，在電極界面構成SEI膜，是以還會引進成膜添加劑(如VC、FEC、EC、LiBOB、Li包養網車馬費DFOB等)以幫助構成穩定的界面。電解液的設計就是對溶劑、鋰鹽以及添加劑三組分優化，以婚配地點電池體系。
準固態電解質可以通過在固態基質中摻進大批的液態組分來制備，它是一種結合了固態電解質和電解液優點的電解質，未來無望應用于雙高型鋰離子電池。
4.1 耐高壓電解液
HVLCO、LNMO、高電壓聚陰離子型(如LiCoPO4)、富鋰錳基等高電壓正極(任務電壓下限≥4.5 V)是廣泛研討的電極資料。但是常規的碳酸酯(EC)電解液電化學窗口(<4.3 V vs. Li/Li+)無法在高電壓下任務。電解液的電化學窗口(尤其是鋰鹽穩定性)與正極類型親密相關，在應用基于LiPF6的碳酸酯電解液的高壓電池中，應著重考慮目標正極。例如，LNMO正極資料在1 mol/L LiPF6 + (EC∶DMC) (1∶1)電解液中表現出傑出的循環機能，其下限截止電壓為5.2 V。可是，含Co正極(如LCO或NCM)不克不及在4.5 V以上高壓應用基于LiPF6的碳酸酯電解液，否則會形成電極的不穩定。為清楚決碳酸酯電解液高壓不穩定的問題，研討者做了大批任務，包含高抗氧化的新型溶劑和成膜添加劑以穩定SEI膜，這兩者都已被證明可以進步高壓正極與電解液的兼容性。
高抗氧化的新型溶劑方面。與基于EC的電解液比擬，氟化電解液具有更低的LUMO(溶劑團簇占據最低未占據分子軌道)和HOMO(溶劑團簇占據最高占據分子軌道)，電解液更易在負極構成SEI，在正極側也難以被氧化。此外，氟化電解液還具有低熔點和高熱穩定性，能夠蒙受雙高型鋰離子電池的寬溫度窗口。研討指出，全氟電解液能夠克制鋰枝晶的包養網評價生長，展現出高達99.2%的庫侖效力，并且與NCM811和LiCoPO4正極都有傑出的兼容性。但是，氟化電解液的實際應用遭到其高本錢和鋰鹽消融度低的限制。此外，砜類溶劑也有更高的氧化穩定性，腈類溶劑可以吸附在高壓正極概況，克制過渡金屬離子(如，Mn2+、Ni2+、Co2+等)消融。
EC電解液引進添加劑構建穩定的SEI膜方面。含氟添加劑和含硫添加劑能將電解液的電化學窗口擴展到5.0 V，同時促進CEI膜構成，加快鋰離子在界面的傳輸。含磷添加劑、含硼添加劑和含硅添加劑，能構建致密且抗氧化的CEI膜，克制界面的副反應。Nie等研討比較了PBF基電解液添加劑對NMC442/石墨軟包電池的影響，結果顯示MMDS和DTD與PBF型添加劑有傑出兼容性，在高電壓循環中進步了庫侖效力和容量堅持率。
除上述外，高鋰鹽濃度電解液也具有與高壓正極婚配的潛力，能進步電解液電化學窗口和成膜質量。據報道，應用高鹽電解液的電池在4.3 V的充電截止電壓下，經300次循環，容量堅持率>90%；經500次循環，容量堅持率>80%。可是，仍需下降本錢并下降黏度和進步離子導通性以發揮倍率特徵。
4.2 高離子電導率電解液
今朝，電池中離子傳質和電荷轉移的動力學過程緩慢遲滯，是導致電池雙高特徵(尤其是高倍率)不易實現的本源，研討者開發了新型的溶劑或鋰鹽，以進步電解液的離子電導率和界面兼容性。LiPF6是最常見的鋰鹽電解液，但其存在遷移數太低(溶劑化Li+遷移數約0.2~0.4)和界面構成的SEI膜富含有機物厚度年夜、傳輸阻力年夜等問題。Xia等提出了一種不對稱開鏈冠醚型鋰鹽(LiFEA)的設計，折疊分子幾何結構使碳酸酯電解液表現出高鋰離子傳輸數，并供給富含無機物的SEI膜，即便在高電流密度下也有傑出的電機能。結果表白，1 mol/L LiFEA電解液遷移數從0.2晉陞至0.8，含0.1 mol/L LiFEA的商用碳酸酯電解液，在Li||NCM811扣式電池中實現了極高的循環穩定性(在3 mA/cm2的電流密度下循環500次)，在Li||NCM811軟包電池(420 mAh)中，在6.59 mA/cm2的放電電流密度下實現了雙高特徵(能量密度310 Wh/kg和功率密度408 W/kg)。Zhang等報道了一種單氟醚(MFE)的電解液溶劑，基于此制備的電解液實現了高離子導電率(8 mS/cm，30 ℃)、寬溫度窗口(-60~60 ℃)，制備的NCM811全電池實現了高倍率 (17.5 mA/cm2)、高比能量(426 Wh/kg)和在30 ℃下包養網心得200次循環的高容量堅持率(>80%)。Wang等報道了一種電解液高熵溶劑(HES)，具有較高的離子電導率和較低的溶劑化強度，在NCM811電池體系中表現了傑出的倍任性能。Cheng等設計了一種電解液Li+1.1[EC]1[FEC]1[EMC]6包養網.3[VC]0.1[PF6-][PO2F2-]0.1(即E1EM6F1A)，應用于HC-Si/C||HVLCO電池體系，實現了283.9 Wh/kg的能量密度、5 C的快充特徵，以及4 C循環200圈后的高容量堅持率80.1%，表現出傑出的倍任性能。
4.3 納米硅基負極的適配電解液
納米硅基負極已經逐漸推向商用，但存在反復體積膨脹、收縮導致界面穩定性差的問題。SEI膜的反復構成和決裂將導致電解液和Li+的耗費，并使相鄰硅基納米粒子之間的接觸變差。是以，天生薄且穩固的SEI膜對實現硅基負極的高倍任性能和長循環壽命至關主要。
通過優化電解液組分和引進電解液添加劑構成原位SEI膜是有用的實現途徑，研討人員已經開展了大批任務。引進FEC添加劑的電解液天生的SEI膜，構成的多孔和可滲透膜更密集、更薄，能夠克制電解液分化和硅包養網負極的氧化。在電解液中引進VC添加劑可以增強SEI膜的致密性和穩定性，其後果優于其他添加劑(如FEC、LiBOB和VEC)。
4.4 準固態電解質
固態電解質替換電解液可以進步電池的本征平安性，近年來備受關注，但固固界面接觸性差無法在年夜電流密度下任務。準固態電解質結合了固態電解質和電解液的優點，它既有必定的形狀穩定性和機械強度，又有較高的離子導通性和界面兼容性。
近年來，有許多研討者在準固態電解質領域作出了一些創新，獲得了一些進展。Wu等提出了一種在熱穩定無機基質中固化離子液體的方式(稱為“離子凝膠”)，實現了離子液體與無機TiO2的凝膠化，構成了納米多孔無機凝膠網絡并固化了離子液體。將離子液體固化在有機或無機基質中展現出優異機能，研討發現適量的TiO2凝膠有助于鋰鹽的解離并增強了Li+的傳輸，原位制造的準固態Li||LFP半電池具有高倍率容量和長循環壽命。電池在超過300次循環后堅持150 mAh/g的容量，在2C的速度下容量堅持在98 mAh/g以上。
雙高型鋰離子電池電解質除需關注上述進展外，還會碰到年夜功率任務下的熱分布問題。為了適應部分高溫，滿足雙高特徵請求，需求在電解液進行體相、界面雙穩定的任務。添加穩定劑包養網站或應用二元鋰鹽能夠穩定電解液體系，開發成膜添加劑和除酸、除水添加劑能穩定正負極界面。鋰離子電池電極處理的制造技術如圖11所包養示。
5 雙高型鋰離子電池的設計與研制
5.1 雙高型鋰離子電池的設計
雙高型鋰離子電池是由正極、負極、隔閡、電解質、集流體等關鍵資料組成的一個有機整體，是一個復雜的系統工程，各部門之間相對獨立又彼此關聯，需求通過設計與優化，研制出高機能的雙高型在實驗室待了幾天，被拖到這個環境，葉也趁著休息的鋰離子電池。
5.1.1 厚電極設計
鋰離子電池應用中，厚電極工藝是進步電池能量密度的有用方式。厚電極是指具有較高的活性物質載量和較厚的涂層厚度的電極，它可以進步電池的能量密度和儲能效力。據預算，假如電極厚度從25 μm(約8 mg/cm2活性物質載量)增添到200 μm(約64 mg/cm2活性物質載量)，電池中非活性成分比例從44%下降到12%，相當于活性物質負載增添了30%以上。可是，厚電極也面臨著一些挑戰，好比：電荷傳輸動力學較差，電極中活性物質應用率低，結構穩定性較低，充放電過程中會發生較年夜的體積變化和應力累積，影響能量密度和功率密度。
Tran等系統地剖析了NCA電極，表白電極的厚度、壓實水平和導電添加劑類型強烈影響電極的倍任性能，電極設計對于進步電池機能至關主要。Zheng等研討了分歧活性物質負載的NCM和LFP電極，隨著電極厚度的增添，功率密度顯著降落并確定了電極內Li+擴散是功率密度降落的重要緣由。根據有用離子電導率Deff的表達式
(ε為孔隙率，τ為波折度，D為本征離子電導率)，有用離子電導率與電極的波折度成正比，與孔隙率成反比。是以，為了進步電解質的滲流才能和離子的遷移速度，應用低波折度、高孔隙結構的新型電極結構已成為厚電極設計的關鍵原則，如圖12所示。
Billaud等報道了一種超順磁性Fe3O4納米顆粒修飾的石墨負極，通過內部磁場把持，制備的電極中有垂直于集流體的定向通道，減小了Li+的擴散距離，從而制備出超厚電極(約200 μm，10 mg/cm2石墨負載)，具有優異的電化學機能，在1 C時比容量進步了3倍。基于漿料擠出的3D打印厚電極技術也被廣泛研討。Wang等通過應用碳納米管和乙炔黑作為導電添加劑，制備了高面載量7.5 mAh/cm2的超厚電極(1500 μm)，具備高能量和功率密度的3D自支撐厚電極的鋰離子電池。需求指出，年夜多數低波折度電極的實現都伴隨著高孔隙率(凡是超過30%)，這下降了能量密度，可是對于雙高型鋰離子電池是需要的。
5.1.2 梯度設計
厚電極在年夜電流密度下，由于擴散路徑的延長，電化學行為在電極厚度上是不均勻進行的，反應極化與電極厚度成比例增添。是以，公道設計電極微觀結構實現梯度效應，以調節包養感情電子離子傳輸和克制反應極化至關主要。雙高型電池的梯度設計如圖13所示。
為了進步正極活性物質的應用率和反應速度，一種常用的戰略是在正極中沿著厚度標的目的構成活性資料的梯度分布，即在接近集流體一側增添活性資料的含量，而在接近隔閡一側減少活性資料的含量。這樣可以減少集流體一側的反應極化，進步隔閡一側的Li+擴散速度，從而實現更快的電荷傳輸動力學。Wu等通過調節正極中LFP顆粒的尺寸和分布，制備了具有梯度結構的厚正極，其比容量和倍任性能有用晉陞。Zhang等則采用了一種可擴展的梯度結構設計方式，通過把持多孔電極中孔道鉅細和標的目的，實現了低波折度的厚正極，并發現分歧標的目的的梯度結構對電荷傳輸動力學有顯著影響，獲得了能量和功任性能的均衡。相關方式也用于研討固態電解質甚至金屬鋰負極。
5.1.3 微納米顆粒
活性物質的微納米顆粒尺寸、形狀、晶體結構和概況性質等都會影響電極的動力學機能。普通來說，微納米顆粒具有以下優點：①縮短了Li+在固體相中的擴散包養網路徑，進步了Li+的擴散速度；②增添了固體/液體界面的接觸面積，進步了Li+的轉移速度；③下降了相變過程中的應力/應變，進步了電極資料的結構穩定性。是以，微納米顆粒被廣泛用于制備高機能的Li+電池電極。
但是，微納米顆粒也存在一些缺點：①不難發生團聚，下降了有用比概況積和孔隙率；②不難發生概況副反應，耗費活性物質和電解液，構成不成逆的SEI膜；③不難發生概況/界面重構，改變晶體結構和電子狀態。是以，為了戰勝這些缺點，需求對微納米顆粒進行公道的設創業期，壓力大，經常加班。計和改性。
今朝，研討者采用了多種方式來設計和改性微納米顆粒，以進步其電化學機能。例如：①把持微納米顆粒的尺寸和形狀，以實現最佳的比概況積、孔隙率和擴散路徑；②把持微納米顆粒的晶體結構和取向，以實現最佳的相變路徑和穩定性；③把持微納米顆粒的概況/界面性質，如涂覆保護層、引進摻雜元素、構建異質結等，以實現最佳的轉移速度和循環壽命。這些方式可以有用地調節微納米顆粒在鋰離子電池中的行為，并進步其能量密度和功率密度。
5.1.4 電子離子傳輸網絡
電子離子傳輸網絡是指在鋰離子電池電極中實現電子和Li+高效傳輸的連續通道。電子離子傳輸網絡由活性資料、導電添加劑和黏結劑等組成，并通過孔隙與電解液浸潤接觸。電子離子傳輸網絡對電池的動力學機能至關主要，因為它決定了充放電過程中的內部阻抗和極化水平。Chen等制備的LFP/C復合資料具備優異的碳導電網絡，促進正極中的電子傳遞和Li+擴散，并將其導電率從10-9 S/cm晉陞至10-3 S/cm，表現出高倍任性能(≥12 C)和長循環壽命(在3 C放電倍率下≥700次循環)。近年來，以單壁碳納米管(SWNTs)為代表的新型導電劑，因出眾的導電機能和超高的長徑比被廣泛關注。據報道，SWNTs具有50倍于相應多壁碳納米管(MWNTs)的導電才能，不到1%質量分數的SWNTs就足以構建導電網絡，并年夜幅進步電導率，遠超傳統導電劑炭黑。今朝已經有商業化的SWNTs產品，若何進行疏散防止團聚是其生產應用中的最年夜挑戰。
是以，為了進步鋰離子電池的功率密度和延長循環壽命，需求持續優化電子離子傳輸網絡的結構和性質。
5.2 雙高型鋰離子電池的研制
5.2.1 電池研制的優化戰略
在雙高型鋰離子電池研制過程中，一方面是考慮正負極資料的本征特徵，篩選適合雙高型鋰離子電池的電極資料(圖14)；另一方面是從電池整體的角度出發，采取均衡戰略進一個步驟優化電芯的雙高特徵(表3)。
表3 分歧類型的鋰離子電池的優化戰略
5.2.2 下降輔材質量占比和熱平安
通過前述介紹，已經展現了正負極資料、電解質在雙高型鋰離子電池中的應用概況。除此之外，在電池實際研制中還需求考慮：①下降非活性輔材的質量占比；②以平安(尤其是熱平安)為設計邊界。
李文俊等指出，一款大批生產的常規電芯中輔材的質量占比達到13.22%(箔材7.74%、包裝膜2.15%、隔閡2.66%、極耳0.67%)，通過下降鋁箔、銅箔、隔閡、鋁塑包裝膜的厚度，可以使電池的能量密度和功率密度增添10.78%。
鋁箔、銅箔分別是最通用的正極、負包養網極集流體，從20世紀90年月鋰離子電池商業化生產以來，鋁箔、銅箔的厚度已經包養網比較分別從25 μm、18 μm下降到現在的10 μm以下，因銅的密度更年夜、壓延性更好，更薄的銅箔對能量和功率密度增益更年夜。鋰離子電池中箔片占到電池總質量的5%~10%，通過增添極片負載量制造更厚的電極，可以顯著減少箔材的質量占比。除了純包養網單次箔之外，泡沫、蝕刻箔和覆碳箔材也是可選的。近年來，塑料-金屬復合集流體的提出吸引了大批的關注，復合集流體比金屬箔材更輕且更平安。復合集流體雖然現在存在電導率和熱導率低，影響倍任性能的缺點，但產業界已經開始生產推廣，未來無望大批應用來進步電池的能量和功率密度。
除了箔材減重，制造年夜容量電池也是下降非活性輔材質量占比的有用途徑。典範的案例是“特斯拉電池日2020”中發布的4680圓柱電池(圖15)，比擬傳統的18650和21700圓柱電池，4680圓柱電池體積和容量更年夜，電池電量是21700圓柱電池的5.48倍，但外殼用料只增添不到3倍，顯著進步了能量密度和功率密度。
理論上，電解質不供給容量，下降電解質用量也可以進步能量密度和功率密度。實際研制中，電解液的用量關系著電池中的孔隙(電解液應充滿電極和隔閡中的孔隙)和SEI膜的耗費，凡是3 g/Ah擺佈的電解液被認為是公道的。
在下降輔材用量以晉陞能量密度和功率密度的同時，平安問題加倍凸顯，特別是熱平安治理。在電池設計層面，熱平安把持給隔閡、集流體等輔材不斷變薄減少的趨勢加上了邊界條件。更年夜更寬的極耳能顯著改良電池內部的電流分布和熱量分布，特斯拉的4680圓柱電池提出了無極耳設計，優化了電池年夜倍率充放電才能，晉陞了熱傳遞效力和平安性。
5.2.3 典範的雙高型電池進展
鋰離子電池的能量密度與功率密度彼此制約，發展兼具高能量密度、高功率密度、長壽命和高平安的雙高型鋰離子電池是未來電池技術的主要發展標的目的。正如本文所述，研討人員已經開發了一些戰略來兼顧鋰離子電池的雙高特徵，具體包含：①開發具有高容量和高電壓的正極和負極活性資料；②進步電極和電解質中Li+和電子的擴散遷移率；③減少Li+和電子的擴散長度并增添電極/電解質的穩定接觸面積。今朝，雙高型儲能器件技術不斷獲得進展，若干新器件已實現產業化和市場應用，一些典範的進展如下。上海空間電源研討所研制的額定容量20 Ah的NCA三元鋰離子電池，能量密度達到180 Wh/kg(1 C)，持續放電功率超過2000 W/kg(15 C)，適應于空間SAR衛星的電能需求。法國SAFT公司研制的電池功率密度高達14 kW/kg、能量密度為57 Wh/kg，在航空、航天等領域裝備上獲得廣泛應用。得益于新動力汽車市場的繁榮，動力電池領域具備雙高特徵的鋰離子電池呈井噴式發展。寧德時代發布的CTP3.0麒麟電池，三元系統能量密度可達255 Wh/kg，LFP系統能量密度可達160 Wh/kg，且具備4 C以上高壓充放電才能；吉祥汽車發布的神盾短刀LFP電池，能量密度超過190 Wh/kg且具備3.5 C以上的倍率任務才能；極氪汽車發布的金磚電池采用LFP體系，在堅持較高能量密度的條件下，具備4.5 C充電和16 C放電的倍任性能。針對無人機領域，西包養網安瑟福動力科技無限公司研發的200 Wh/kg產品可以實現7 C倍率充電和20 C倍率放電，循環壽命可以達到3000次以上；研發的300Wh/kg的高能量密度產品也可以實現1 C充電和3 C放電。
5.2.4 雙高型電池的未來趨勢
雙高型電池技術的發展需求順應市場需求，除關注能量和功率指標外，本錢也是一項主要參數。表4總結了未來電動產品對于能量、功率的需乞降本錢請求，雙高型電池的研發需求根據應用場景進行針對性的綜合設計。
表4 未來電動產品對能量和功率的需求
作為一個系統，鋰離子電池由許多組件(表3)構成，各組件需求持續技術優化，關注組件之間婚配集成，且技術路線應適用于工程化生產。本文提出了未來5年、10年雙高型鋰離子電池的主要技術發展趨勢如下，供讀者參考(圖16)。
6 結語
針對未來電動飛行平臺、航空航天、特種裝備等領域對長續航、高機動性的應用需求，設計開發兼具高比能量和高功率特徵的雙高型鋰離子電池具有主要意義。近年來，雙高型鋰離子電池已在關鍵電極資料、電解質、電池構造與設計戰略等方面獲得主要進展，但雙高型鋰離子電池依然面臨以下挑戰：在保證高能量密度的同時，電極的功率密度和循環壽命仍需晉陞；在保證高功率密度的同時，電極的平安性和穩定性仍需進步；在保證高機能的同時，電極的制形成本和環境影響仍需下降；在保證通用性的同時，需求滿足分歧應用場景的特別需求等；在保證應用效能的同時，實現電源的輕量化和小型化。
為解決上述問題，雙高型鋰離子電池的設計開發需求從以下方面優化晉陞：①摸索新型的電極資料體系，實現更高的理論容量、任務電壓、Li+遷移速度、電子導電性、結構穩定性和更低的本錢等；②發展先進的表征和模擬方式，實現對雙高型鋰電池電極動力學過程的實時、原位、多標準、多維度和多物理場的觀測、剖析和預測等；包養網③開展多標準電極結構設計優化，實現對納米顆粒、電子離子傳輸網絡、梯度設計、孔洞調控和取向設計等參數的精確把持和協同調節等；④完美電極制備工藝的可擴展性和兼容性，實現分歧類型、分歧形態和分歧組成的雙高型鋰離子電池的疾速、均勻、穩定和低本錢的制造工藝；⑤發展雙高型鋰離子電池高效集成與智能治理技術，進步實際應用才能，晉陞綜合應用效能。
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