摘要
笔者这儿要着重的是，关于锂电而言这几个首要的技能目标实践上具有“跷跷板效应”，按起葫芦浮起瓢，某一个目标的进步往往是建立在献身其它目标根底之上的。
2.2 能量密度的瓶颈
当时，纯电动轿车大规模产业化所面对的榜首大妨碍，便是“路程焦虑”的问题。关于纯电动轿车而言，其续航路程是由动力电池系统所能存储的电能决议的，因而动力系统的能量密度就成了约束电动车续航路程的决议性要素。
锂电池
2.2.1 锂电池的能量密度是否还有进一步进步的空间？
BMW的核算标明，顾客对纯电动轿车可接受的最低实践行进路程是300 Km（大约是现在一般轿车油箱满油续航路程的三分之一），假如在坚持动力电池系统的分量与现有一般家庭轿车的动力总成(Powertrain)相差不大的情况下，动力电池系统的能量密度要到达250 Wh/Kg 的水平，也便是说单体电芯的能量密度要到达300 Wh/Kg 。
那么现在的锂电系统，在满意安全性、循环性和其它技能目标的前提下，其能量密度能否到达300 Wh/Kg 呢？
关于锂离子电池而言，其理论能量密度能够经过正负极资料比容量和作业电压进行预算。这儿，笔者暂时抛开杂乱的电化学和结构化学的概念，做些通俗易懂的剖析。
现有的锂电系统，其实只能算是“半个”高能电池，由于它的高比能量首要是建立在负极极低的电极电势根底之上，而现在商业化的几种过渡金属氧化物正极资料（LCO、LMO、LFP和NMC）不管是作业电压仍是比容量都并不显着优于水系二次电池的正极资料。
因而，要想使锂电成为“真实”的高能电池仅有两条道路：进步电池作业电压或许进步正负极资料的比容量。由于负极作业电压现已没有下降的或许，那么高压就有必要着眼于正极资料。镍锰尖晶石和富锂锰基固溶体正极资料（OLO）的充电电压分别为5V和4.8V，有必要选用全新的高压电解液系统。
5V镍锰尖晶石由于容量较低，实践上并不能有用进步电池的能量密度。现在OLO的实践容量能够到达250mAh/g以上，现已很挨近层状过渡金属氧化物正极的理论容量。
Si/C复合负极资料以及硅基合金负极资料的比容量现已到达600-800 mAh/g，这个容量规模简直是其有用化（确保恰当循环性并按捺体积改变）的极限。假如OLO和硅基高容量负极调配，其能量密度大约在350 Wh/Kg左右的水平。
笔者这儿要着重的是对3C小电池而言，体积能量密度比质量能量密度更为重要。也便是说，层状正极资料（LCO和NMC）向更高电压或许更高Ni含量开展，比现在炒作得很抢手的富锂锰基固溶体正极更具实践运用价值。
跟着更高电压LCO技能和更高镍含量NMC三元资料的日益老练，未来选用更高压或许更高镍含量的层状正极资料调配高容量Si/C复合负极或许合金负极资料，小型3C锂电的能量密度有或许进一步进步到300 Wh/Kg的水平。
要想进一步进步锂电的比能量，那么就有必要打破现在的嵌入反响机理的捆绑, 跟其它惯例化学电源相同选用异相氧化复原机理，也便是选用金属锂做负极。可是锂枝晶简略导致短路以及高活性枝晶与液体有机电解液的强烈反响，使问题又回到了锂离子电池的起始点。
其实，锂离子电池选用石墨负极的根本原因，正是由于石墨嵌锂化合物（GIC）避免了金属锂枝晶的构成，而且GIC下降了金属锂的高活性使得安稳的SEI界面成为或许。所以，依据嵌入反响的锂离子电池其实是不得已的折衷方法！
近两年，世界上关于金属锂负极的研讨掀起了一阵小高潮，比方最近炒作的很抢手的美国Solid Energy。其实从根底研讨的视点而言是很好了解的，正如笔者前面说到的，正极资料的容量现已没有多少进步的地步，电解质无助于能量密度的进步，那么剩余的也就只能从负极这块着手了，运用金属锂负极的电池自然是“终极锂电池”。
理论上，选用无机固体电解质、聚合物电解质或许液态电解液添加特别添加剂都有或许缓解锂枝晶的构成，可是在电芯的实践出产上会面对许多技能困难。正如笔者在安全性章节里讨论过的，以金属锂做负极的“终极锂电池”能否完成，安全性问题将是榜首决议性要素。
笔者个人认为，依据无机固体电解质的全固态锂离子电池（All-solid-state Li-ion battery）才有或许让金属锂负极的实践运用成为或许。日本Toyota（丰田轿车）是世界上全固态电池的领头羊，现在其开展出的原型电池在技能水平上遥遥领先其它企业和科研机构，而Toyota在该范畴现已有近20年的研制堆集。
可是大型动力电池由于许多技能目标的严厉约束，在电极资料的挑选、系统调配、极片工艺和电芯结构设计等方面跟3C小电池有很大不同。这些要素使得即便是相同正负极调配系统，大型动力电池的能量密度要比小型容量型电池低不少。
比方，依据安全性还有循环性等多方面要素的考量，动力电池需求尽量维持在较低的电压（4.2/4.3V）水平，也便是说3C小电池的高电压战略在动力电池上或许不适合。
现在LG的大型三元资料动力单体电池的能量密度现已超越220 Wh/Kg的水平。笔者个人认为在技能上仍然有进一步进步的空间, 未来单体三元动力电池应该能够到达250 Wh/Kg的水平。
可是，要在满意安全性还有循环性温度功能以及本钱等多方面要求的前提下再进一步进步惯例液态锂离子电池的单体能量密度，在技能上就十分困难了。电芯成组今后能量密度一般会丢失20%左右（Tesla Model S丢失高达45%），也便是说200 Wh/Kg有或许是惯例锂离子动力电池系统的能量密度的一个瓶颈。
后锂电年代（Beyond LIB）有两个耀眼的“新星”，它们便是Li-S和Li-Air电池。其实它们都老掉牙的系统，仅仅近些年又被从头包装热了起来。世界上Li-S电池做得比较好的是美国Polyplus 、Sion Power和德国BASF，现在单体电芯的能量密度能够到达400 Wh/kg以上的水平，但循环性还远不能满意有用要求，而且自放电比较严重倍率功能也比较差。Li-S电池有必要处理金属锂负极问题，不然 Li-S电池就基本上丧失了高能的优势。
再加上Li-S电池独有的“多硫离子络绎效应”，笔者并不认为Li-S电池在电动轿车上会有实践运用的或许性，未来Li-S电池在军用和户外这样一些小众的特别范畴或许会有必定的运用远景。至于Li-Air电池，它的的思路和起点和锂硫并不相同，它归于空气电池的范畴。
在笔者个人看来，金属-空气电池特别是二次金属-空气电池，实践上是把二次电池和燃料电池两者的缺陷有机地结合在一起，而且扩大了缺陷，基本上不具有商业化价值。关于高能二次电池的具体谈论，请读者参看“经济全球化布景下世界锂电技能创新与开展（下）”
笔者个人认为，锂电的下一个突破点或许在于全固态锂离子电池，而非当时炒作得很抢手的Li-S和Li-Air电池。由于选用金属锂做负极，全固态锂离子电池的能量密度比较于当时的液态锂离子电池会有较大的进步，笔者预算全固态锂离子电池的实践能量密度能够超越350 Wh/kg的水平。杰出的安全性则是全固态锂离子电池的别的一大长处。
可是，由于固体电解质中离子传输的速度较慢，而且固体电解质和正负极资料界面的电阻很大，这两个基本特征决议了全固态电池的倍率与功能必定是其短板。
而当时的动力电池，哪怕是用于EV的容量型动力电池，1C充放也是最基本的倍率要求，就更不用说PHEV和HEV动力电池对倍率的要求了。别的，全固态电池的循环性和温度功能仍然面对很大应战。
因而笔者个人认为，全固态锂离子电池将来有或许在3C小型电子设备上获得实践运用，大型动力电池或许并不是其适用范畴。依据当时世界上全固态锂离子电池的研讨和开展情况（日本在该范畴居于领先地位，而我国在全固态锂离子电池研讨范畴比较单薄），笔者不认为在未来10年之内全固态锂离子电池有大规模商业化的或许性。
笔者这儿要着重的是，关于锂电而言这几个首要的技能目标实践上具有“跷跷板效应”，按起葫芦浮起瓢，某一个目标的进步往往是建立在献身其它目标根底之上的。
关于大容量动力电池而言，进步能量密度往往意味着献身安全性、循环和倍率功能，这都是很好了解的。事实上世界电动轿车界普遍认为，动力电池能量密度的进步有必要归纳统筹多方技能目标，然后到达电池系统归纳功能的均衡和优化，而不是冒着安全危险一味来进步电芯能量密度。
2.2.2 燃料电池能量密度的决议性要素
比较于锂离子电池而言，燃料电池的能量密度并不取决于燃料电池电堆自身，而取决于其带着的氢气量。简略地说，燃料电池电堆相当于一个发动机，它决议电动轿车的功率也便是速度和加快性，而燃料电池系统的全体能量则取决于“油箱”也便是储氢系统所贮存的氢气质量（氧气来自于空气）。
就现在的技能水平而言，世界上几大轿车公司 （Toyota ，GM，Honda，Nissan，Daimler-Benz）开发的车载PEMFC电堆的的体积跟一般四缸汽油机相差不大，Toyota Mirai 的PEMFC电堆功率密度到达了
3.1 KW/L和2.0 KW/Kg的水平，这个功率目标现已很挨近汽油机。
运用宇部兴产出产的超高压碳纤维增强尼龙储氢瓶能够贮存5 Kg氢气，整个燃料电池系统的能量密度超越350 Wh/Kg ，续航路程到达了空前的650公里水平（Toyota官网数据）。
比较之下，Tesla Model S的锂电动力电池系统的能量密度仅为156 Wh/Kg，其理论续航路程为480Km，但这是以较大程度献身有用载荷为价值获得的（其电池系统占整车分量的26%，远高于一般轿车动力系统的16%）。
锂电池
关于一个功率必定的燃料电池系统，其能量密度实践上是由储氢系统的储氢质量/体积百分比决议的。因而，在不添加系统分量或许体积的前提下，进一步进步FC-EV的续航路程就有必要选用更高功率的储氢系统。就现在代表世界最高技能水平的宇部兴产高压储氢瓶而言，700 bar（5.7 wt%的储氢量）简直现已到了其实践运用的极限。
咱们再次看到，开发更高储氢率的新式储氢资料的战略意义（不只关于燃料电池，相同也是关于镍氢电池和其它与储氢有关的范畴）。曩昔数十年，世界上新式储氢资料的研讨并没有获得突破性开展，至于之前我国学术界十分抢手的碳纳米管（CNT）储氢和金属有机结构（MOF）储氢，则遭到世界学术界的广泛质疑。因而，新式储氢资料的研讨任重而道远。
比照锂离子动力电池和燃料电池，咱们能够看到，锂离子动力电池能量密度进一步进步的空间十分有限。假如从最基本电化学原理的视点考虑，这个问题并不难了解，二次电池的能量密度添加并不遵从摩尔定律。
能量密度更高的新式化学电源系统现在还都处于根底研讨阶段，产业化远景仍然很不明亮。相对而言，PEMFC的能量密度问题并不是很杰出，即便是经过最简略的添加储氢罐数量来确保续航路程，可操作性也相比照较简略。
咱们也能够从别的一个视点进行考虑，二次电池有必要向全密封系统开展而力求做到免保护（对锂电而言则是肯定有必要），而正是由于二次电池是个密封系统，才决议了它的能量密度不或许很高。不然的话，一个密闭的高能系统在本质上跟炸弹有何差异？从最基本的能量守恒定律就讲不通！那么从这个视点就很简略了解，锂离子电池（实践上也包括一切二次电池系统）的能量密度进步空间将是很有限的。
而燃料电池则是一个敞开式系统，电堆仅仅电化学反响场所罢了，系统的能量密度首要取决于储氢系统的储氢量。正由于是个敞开系统，燃料电池在能量密度上进步的潜力更大，而且先天具有更好的安全性，这个长处恰恰是任何一种二次电池都不具有的。站在电化学器材的视点，相较于二次电池，燃料电池是化学电源的一个更高的开展层次。
燃料电池
