陳人傑：多電子高比能二次電池新體系及先進功能電解質材料研究進展

能源短缺和環境問題已經成為人類社會共同面臨的兩大危機，因此開發可再生能源和新型綠色儲能技術是21世紀發展最重要的主題之一。同時，發展清潔可再生、高效的能源材料是我國社會經濟發展的重大戰略，已被列入《中國製造2025》等國家戰略。在新材料技術領域，面對國家一系列的重大需求（如新能源汽車、光伏工程、儲能電站、信息通信、國防軍事、航空航天等），新型二次電池是實現能量高效轉換與儲存的重要組成。因此，研發具有高能量密度、高安全性、長壽命的鋰二次電池及其關鍵材料已成為當前研究熱點。發展基於多電子反應機制的高比能鋰硫電池被認為是前沿動力電池技術發展的重要方向之一，其正極活性物質硫具有質輕、價廉的優點，與金屬鋰負極匹配可以構築理論質量能量密度達到2600Wh·kg^–1的二次電池體系，在未來的新型化學電源發展中具有良好的應用前景和商業價值。

圖1 鋰二次電池的應用領域

多電子反應的理論基礎

對於一個給定的化學反應，電化學能量的儲存依賴於電子轉移。

在標準狀態下，吉布斯自由能ΔrG^Θ可以通過能斯特方程來計算：

能量密度可以通過質量能量密度（Wh·kg^–1）或者體積能量密度（Wh·L^–1）來表示。因此，電池的質量能量密度εM和體積能量密度εV可以表示為

當電極材料的吉布斯生成能已知時，其理論能量密度可以通過式（3）和式（4）計算得出。如果電極材料的吉布斯生成能未知，則可以通過式（2）計算得到。對於一個給定的電極材料，其比容量可以通過等式（5）計算得出：

根據式（5），可以通過以下幾種方式提升電池的能量密度：①採用高比容量的電極材料；②採用高氧化還原電位的正極材料；③採用低氧化還原電位的負極材料；④採用單位摩爾發生多個電子轉移的活性材料。目前商業化電池的電解質穩定電壓最高達到5 V。增加電池電壓會導致電解質分解，發生不可逆副反應以及引發安全問題。一般來說，一種材料的理論儲鋰（鈉）能力由轉移電荷數和鋰（鈉）離子的遷移摩爾數決定。因此，開發更小摩爾質量的多電子電極材料是提高能量密度的有效途徑。多電子反應的可能性取決於電極材料在一定電壓範圍內是否發生多價態氧化還原反應。

圖2 元素周期表中具有多電子反應特性的元素

目前，鋰離子電池的實際比能量已經逐漸接近其理論值。為了獲得更高的比能量，必須構建基於低摩爾質量活性物質的電池新體系，且電化學反應能夠實現多個電子轉移，即輕元素多電子反應體系。鋰硫二次電池主要以硫單質為正極和鋰金屬為負極構建而成，具有原材料來源豐富、價格低廉以及對環境友好等優點，在未來化學電源發展中具有良好的應用前景和商業價值。此外，鋰硫二次電池的工作電壓在2.1V 左右，可以滿足多種場合的應用需求。因此，圍繞鋰硫二次電池及其關鍵材料的研究工作正受到越來越廣泛的關注。但鋰硫電池也存在很多不足，如硫導電性差、活性物質利用率低、倍率性能差、電池壽命短、鋰金屬負極腐蝕粉化、電解液分解等問題，這些短板很大程度上制約了鋰硫電池的實際應用研究進程。

圖3 鋰硫歷程

但鋰硫電池也存在很多不足比如硫導電性差、活性物質利用率低、倍率性能差、電池壽命短、鋰金屬負極腐蝕粉化問題、電解液分解問題等，這些問題極大程度上制約了鋰硫電池的實際應用研究進程。

圖4 鋰硫電池工程化發展的關鍵材料及技術

《多電子高比能例鋰硫二次電池》一書，基於多電子反應機制的鋰硫二次電池的工作原理、發展歷程、研究現狀和技術難點，重點闡述了鋰硫電池不同組成和構型的正極材料的特性和研究思路；分析了鋰金屬負極的特點，並從界面改性和結構設計兩方面探討了實現高穩定負極的創新方法和技術途徑；論述了鋰硫電池電解質材料的研究發展，涵蓋液體電解質、固體電解質和複合電解質等不同體系；比較了鋰硫電池採用碳基、聚合物、金屬化合物等不同材料開展改性隔膜及功能夾層設計研究的效果；系統介紹了理論計算方法和原位表徵技術在鋰硫電池研究中的應用；並對鋰硫二次電池的工程化應用和發展前景提出了展望。

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電解質材料作為二次電池中的重要組成部分，對電池的能量密度、循環壽命、工作溫度以及安全性能等起著至關重要的作用。因此，對電解質材料的系統研究和深入剖析有利於發展更高性能的新型二次電池體系，在滿足大規模儲能、新能源交通、高容量通信、航空航天、國防軍事等各領域應用需求方面具有更為廣闊的應用前景。

《先進電池功能電解質材料》一書，從基於多電子反應理論構建電池新體系出發，設計出多電子反應元素周期表並系統闡述了多電子理論的基本內涵、反應機制和新型電池關鍵材料的發展方向，詳細論述了鋰離子電池、鋰硫電池、鈉離子電池、鋰空氣電池、多價陽離子電池等不同電池體系中電解質材料的研究進展、關鍵技術和優化設計方案等；根據不同電解質材料的性能特點，闡述了當前研究工作中的新理論、新技術和新方法，並對電解質材料的理論計算和模擬研究進行了介紹，將理論分析與實驗研究相結合，揭示了電解質材料中的作用機制；從理論、技術、應用等方面對各類新型二次電池功能電解質材料的未來發展進行了分析和展望。

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作者簡介

陳人傑，北京理工大學材料學院教授、博導。擔任部委能源專業組委員、中國材料研究學會理事（能源轉換及存儲材料分會秘書長）、中國矽酸鹽學會固態離子學分會理事、國際電化學能源科學院（IAOEES）理事、中國化工學會化工新材料專業委員會委員、中國電池工業協會全國電池行業專家。

面向大規模儲能、新能源汽車、航空航天、高端通信等領域對高性能電池的重大需求，針對高比能長航時電池新體系的設計與製造、高性能電池安全性/環境適應性的提升、超薄/輕質/長壽命特種儲能器件及關鍵材料的研製、全生命周期電池設計及材料的資源化應用等科學問題，開展多電子高比能二次電池新體系及關鍵材料、新型離子液體及功能複合電解質材料、特種電源用新型薄膜材料與結構器件、綠色二次電池資源化再生等方面的教學和科研工作。

動力電池梯次利用與回收技術

李麗 來小康 慈松 等 著

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動力電池梯次利用與回收技術在當前科技發展中具有十分重要的地位，在支撐社會可持續發展和環境技術領域備受關注。本書結合國內外電池技術及電動汽車的發展現狀與趨勢，系統介紹了退役動力電池梯次利用與安全評估技術、梯次利用顛覆性技術、電池組與單體預處理技術、動力電池回收處理技術、資源化綜合利用實例及全生命周期評價，並對本領域所面臨的機遇、挑戰與發展趨勢進行總結展望。

電動汽車動力電池系統安全分析與設計

王芳 夏軍 等 著

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《電動汽車動力電池系統安全分析與設計》意在通過對電動汽車核心零部件——動力電池系統（Pack）進行系統化的安全分析，提出一些合理的安全設計方法，從而推動我國新能源汽車安全性能的提升，切實保障乘客、社會公眾的人身和財產安全。本書共分為十章，分別論述了電動汽車發展現狀、動力電池系統技術、企業內部的安全文化和流程、動力電池系統安全分析、電氣安全設計、機械安全設計、功能安全設計、化學安全設計、產品安全驗證，以及與動力電池相關的國內和國際標準。

電動汽車動力電池系統設計與製造技術

王芳 夏軍 等 著

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《電動汽車動力電池系統設計與製造技術》內容立足於我國電動汽車產業的實際情況，從多個角度對動力電池系統的設計與製造進行了系統化的梳理和論述，可以用於指導企事業單位的方案論證、產品開發、技術研究、生產製造和售後服務等工作。全書共8章，包括動力電池系統技術發展綜述、總體方案設計（系統設計）、結構與電連接設計、電池管理系統（BMS）設計、熱管理設計、結構仿真分析、試驗驗證，以及生產製造技術，可以為讀者提供豐富的工程實踐參考。

電動汽車及關鍵部件測評與開發技術

周志新 周華 王芳 著

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《電動汽車及關鍵部件測評與開發技術》內容根據多年從事電動汽車及關鍵部件測評與開發工作的經驗積累，結合具體實例從整車關鍵性能、關鍵零部件、應用等多個角度進行了系統的梳理和論述，能夠為電動汽車領域相關企事業單位開展方案論證、產品開發、技術研究和生產製造等提供參考。本書共七章，分別論述了電動汽車及關鍵部件測評技術發展現狀、電動汽車整車安全性/節能/環境適用性/應用測評技術、電動汽車關鍵部件測評技術、燃料電池汽車及關鍵部件測評技術，可為新能源汽車行業從業人員提供豐富的工程實踐參考。

本期編輯丨王芳

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