【过刊·专家讲座·李泓】锂电池基础科学问题（I）——化学储能电池理论能量密度的估算

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本文主要讨论电池的能量密度。基于热力学数据，根据能斯特方程，可以计算不同电化学反应体系的理论能量储存密度，从而了解化学储能体系理论能量密度的上限，了解哪些体系能够实现更高的能量密度，哪些材料具有更高的电压。李泓 等，

（中国科学院物理研究所）

随着消费电子、电动交通工具、基于太阳能与风能的分散式电源供给系统、电网调峰、储备电源、绿色建筑、便携式医疗电子设备、工业控制、航空航天、机器人、国家安全等领域的飞速发展，迫切需要具有更高能量密度、更高功率密度、更长寿命的可充放储能器件。未来还将出现透明电池、柔性电池、微小型植入电池、耐受宽温度范围、各类环境的各类电池。无线充电技术、自充电技术或许将成为标配，图1显示了电池的典型应用以及电池应用需要考虑的性能。各类不同的应用对电池的各方面性能要求不尽相同，需要有针对性地开发适合的电池体系。电池的能量密度，是最被关心的性能参数。

一、能量密度的计算公式

二、不同电池能量密度的比较

三、采用不同负极的锂离子电池能量密度

四、电池的实际能量密度

五、电池与电极材料的电压

六、电极材料的理论容量

七、结 语热力学理论计算有助于了解化学储能的理论极限，为估算实际电池的能量密度，开发新的电极材料、电池体系，了解化学储能器件能量密度的极限提供一定的理论参考依据。计算结果表明，Al/O2、Li/O2和Mg/O2电池的理论能量密度在化学储能器件中最高。从电池能量密度提高以及技术成熟度的角度，预计今后电池发展的顺序依次是采用高容量电极材料的下一代锂离子电池；采用金属锂负极，嵌入化合物作为正极的可充放锂电池；采用金属锂、铝、镁、钠为负极，S、H2O、O2为正极的金属燃料电池。由于使用电池的电子设备对电池的性能要求存在显著差异，能量密度不是各类电池研发追求的唯一目标，针对性地开发电池体系与充电方式，也将会为未来电池的研发和创造新的市场开拓出更广泛的空间。



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