正文
是其反应控制步骤，也就是将锂离子从溶液本体传输到电极表面这一步相对慢。这样就带来了一些问题，
液相传质
实际上是受对流影响的，只要有重力，就会存在对流，而电极表面每一点的对流速度并不相同，因此，每一点的反应速度也就不同。
哪个地方长的快，锂离子的传输距离就越短，锂的沉积速度就越来越快，这就是锂枝晶生长的原因。
当然，正负极之间的距离不一样，电流的分布也就不一样，这也是导致锂枝晶生长的重要原因之一。显然，这些因素在实际电池中是很难避免的，因此，枝晶生长引起的锂的可充性问题不能说没有办法，而是目前还很难找到有效的方案。
第三个问题是锂硫电池的体积能量密度比较低。
可能仅与磷酸铁锂电池相当，为什么呢？因为硫是绝缘体，你让它导电、让它反应、让它分散，必须采用大量高比表面的碳，导致硫/碳复合材料的密度非常小；此外，硫的反应是先溶解再沉积，所以电极上必须存在大量的液相传输通道，现在大部分锂硫电池硫电极极片是不能压的，涂的什么样的就什么样，孔隙率特别高，所以其体积能量密度非常低。
对于车来说，特别乘用车来说，当重量能量密度达到一定值后，体积能量密度就更为重要了，因为乘用车没有那么多地方装电池。所以从这个意义来讲，至少它在车用动力领域，锂硫电池是没有什么希望的。
大家说是不是未来电池就不可能再发展了？我认为未来仍然是锂离子电池，只不过是我们的正极要做大幅度革新的一种锂离子电池。
从我给出的这个计算表中我们可以看到，电池的能量密度要达到 500 瓦时/公斤，正极容量必须要达到 350 毫安时/克以上。有没有这样的材料呢？常规的过渡金属氧化物正极，其理论比容量也就 300 毫安时/克。如果富锂材料中，氧能部分参与电荷补偿，它的容量就有可能得到提高，这个想法有没有可行呢？这是我们 8 月份检查的时候，北大的一个老师做出的成果，确实做到了，他通过这样一个阴离子补偿机制，就是氧参与部分的储锂，将富锂正极的比容量提高到了 400 毫安时/克。如果这种材料真做稳定了，对我们整个动力电池技术将是一次革命性的变革。
对于这个材料而言，氧部分参与储锂肯定会带来结构稳定性问题，
我认为采用固体电解质来稳定它的循环性能，可能是比较好的策略，所以我认为从长远来看，发展基于高容量富锂正极和硅碳负极的固态电池比现在的锂硫和锂空更为靠谱。
根据上面的分析，我这里给出了不同于常规的动力电池技术发展路线。我觉得在近中期常规技术路线没什么争议，但是从远期来看，革新型锂离子电池应为重点。
根据这样一个技术路线，未来动力电池的发展涉及到哪些关键材料呢？因为时间关系我不可能把所有的材料都讲，我只能说讲一些我认为比较重点的。
第一个关键材料是硅碳复合负极。
超过 250 瓦时/公斤，电池就要用到硅碳负极了，硅碳负极是未来动力电池发展的关键材料。但是硅的问题在哪里呢？理论上，一个硅可以储存 4.4 个锂，但在锂化过程中，它的体积膨胀非常大，达到 360%。这么大的体积膨胀，会导致材料颗粒的粉化、电极脱粉。现在来看，通过将硅纳米化和采用表面键合粘结剂可以比较好的解决这两个问题。
但体积膨胀还会引起另外一个头疼的问题，那就是硅负极表面 SEI 膜的反复生长
。我们知道电位比较低的负极材料，其表面都存在 SEI 膜，因为其强的还原性会导致电解液的还原分解。而 SEI 膜的作用就是避免负极与电解液的直接接触，保证电池的正常工作。这么大的体积膨胀会导致 SEI 膜的破裂，因此每循环一周，负极表面 SEI 膜就要修复一次。而修复 SEI 膜需要消耗电流和锂离子，导致电池中可循环锂的不断减少，直观表现就是循环库伦效率低、电池容量发生衰减。
为什么循环效率低会影响我们电池的循环寿命呢？我们平时做负极研究的时候没有这个问题，因为采用金属锂为对电极，锂大量过量，因此硅负极可以表现出很好的循环性能，但是将同样的材料用到实际电池中时，往往发现 10 次都循环不了，为什么？因为在全电池中，电池容量是由正极提供的锂来决定的，可循环的锂越多，电池容量越大。如果负极循环效率低，每周都不可逆地消耗一点锂，可循环的锂就减少了。大家可以算算，99% 的 100 次方是多少？我算过好像 30%。也就是说，每周负极消耗掉 1% 的锂的话，100 周后电池容量就仅剩下百分之二三十，所以这个问题是个很大的问题。
解决这个问题最有效的方法，就是建立稳定的固/液界面。
也就是不让硅表面与电解液发生直接接触，学术界提出了这样一个结构，我们称之为蛋黄结构：外面是碳层，里面是纳米硅颗粒。在这样的结构中，硅反应所需的锂离子、电子都是通过碳层传输的，电解液不与硅颗粒直接接触，从而保证材料有高的循环库伦效率。从理论上讲这个是可行的，但是我们在实际做的时候，发现并不能达到理想的效果，为什么？硅纳米粒子放在空空荡荡的碳壳里面，能接触好吗？我们知道电子是有隧道效应的，还好一点，锂离子那么大体积不能有隧道效应，怎么跳过去？所以即使是接触、即使是反应，这个接触面也太小了。所以学术上这个思路，原理上好像很可行，实际上效果并不好。
BTR 这个方法更实际一些，BTR 去年出口了差不多有 1 千吨的硅碳，给日本、韩国出口。他们的办法很简单，把纳米的硅跟石墨混合，混合以后让它聚集，这样纳米 Si 就被微晶石墨簇聚在中间，再通过碳包覆形成电解液阻挡层。虽然这种结构并不能完全阻挡电解液的渗透，但是还是能起到一定效果。当然现在这种材料的硅含量还是比较低的，大约不到 10%。如果再增加的话，我认为复合材料效率可能就会出现问题，因为毕竟不是很好的包覆体系。
我们在这方面也开展了一些工作，说出来供大家参考。
其实对于硅来说，最主要的怎么样隔绝它跟电解液的直接接触。
我们研究发现，将一些含氧聚合物，与纳米混合后直接加热分解，可以在 Si 表面原位形成硅的氧化物层和碳层。大家可以看看，这种材料循环过程中的库伦效率可以达到 99.6%；如果配上一定量的石墨，我想就有可能达到 99.9% 的应用要求。
还有一种方式，就是将纳米硅包埋到一种具有锂离子传导性的导电聚合物中。硅颗粒膨胀的时候一定会原位产生一个空间，之后聚合物就不会再发生膨胀，从而保证材料结构的稳定性；而且聚合物的致密结构保证了电解液不向中心的渗透，避免了电解液与硅的直接接触。这种材料的循环效率也是非常高的，可以达到 99.8%。因为外层是导电聚合物，导电率非常高，因此材料的倍率性能也非常好，可以达到每克 16 安培的充放电电流。
我认为硅基负极的理想结构应该是这样：内核为纳米硅的聚集体，外壳是一层致密结构的导电包覆层。由于纳米硅在聚集的时候不可能堆积得非常实，导致硅和硅之间存在间隙，因此预留出了体积膨胀空间，不会对外壳造成冲击，整个结构稳定性也就得到了保证。
第二个关键材料是富锂锰基正极。
富锂锰基具有 250 毫安时/克以上的可实现容量，是锂离子电池突破 400 瓦时/公斤，甚至 500 瓦时/公斤的技术关键。设计电池的第一准则是容量匹配，也就是正负极的容量要匹配。现在锂离子电池的正极克容量很低，在电池中的质量非常大，1 克石墨要匹配 2 克以上正极；如果用硅碳负极，正极的匹配量更大。因此，正极容量的提高对电池比能量提升的作用更大。富锂锰基有高容量的特征，问题是电压衰减非常严重，随着电压越来越低，电池的能量密度也越来越低。另外，它的离子扩散系数和电子电导也非常低，倍率性能也比较差。
目前改善富锂锰基正极的主要工作包括：组成优化设计，制备工艺优化，表面改性。
物理所团队正在进行一个项目，通过一种气固的界面改性来构筑表面的氧空位，使得富锂锰基正极的电压衰减问题得到了较好的解决，100 周后衰减控制在 2% 以内。应该说，他们至少提出了一种值得借鉴的方法，表面改性确实是改善电压衰减的一个可能途径。
此外，北大夏定国老师所带的团队利用硫原子和卤素原子调控富锂材料中氧离子参与电荷补偿的可能性，实现了 400 毫安时/克的比容量，但目前循环性还不是很好。如果这个材料能够实现应用，那么 500 甚至 600 瓦时/公斤的锂离子都是可以实现的。
另外一个材料问题是功能电解液。
现在做电池的都在研究功能电解液，但是对于以后高镍三元、富锂锰基正极，功能电解液的作用更大。高镍三元随着镍含量的增加其稳定性变差。镍还有一个问题，就是它对电解液的氧化分解具有很强的催化作用。三元材料表面有镍析出后，电解液的分解就会加快。现在的主要思路是，采用含 CN-集团的添加剂来络合表面偏析的镍离子。此外，对于硅基负极而言，添加剂开发的主要方向是高韧性成膜剂。总的来说，添加添加剂后，电池在效率、循环性等方面均得到了大幅度改善。
刚才我介绍了下一代电池的材料问题，其实下一代电池开发还有许多技术问题，我主要讲几个：
2016 年承担 300W/kg 电池项目开发的三家单位，他们的电池安全性都还不能满足考核要求，300 瓦时/公斤电池 2020 年能不能真正装车？
实际上不是性能问题，而是安全性问题。如果安全性解决不好，电池照样不可能应用。
我们知道电池的安全性是由很多因素决定的，其中，正极的分解放热是导致电池热失控的一个重要诱因。正极对电池热失控的贡献非常大，为什么？正极的用量最大，正极的放热量最大，所以正极改变以后对电池安全性影响非常大。这里可以看到，三元材料，不管是高镍三元还是一般的三元，它们的热稳定性都比磷酸铁锂差很多，不仅放热量大，而且分解温度低，这就会导致我们未来电池的安全问题会更加严重。当然解决安全性问题，要从三个方面，材料、单体、系统全方位的开展工作。
我认为从安全性整个解决思路来讲，材料是基础，什么材料就决定了什么样的安全性；单体是关键，好和坏由单体决定的；系统是保障，锂离子单体发生了热失控也不至于把其他的都引发
。这里因为时间关系，我只在单体层面上介绍一些思路和工作。
