前言
目前，传统锂离子电池技术较为成熟，按照不同的正极材料可分为钴酸锂、锰酸锂、三元镍钴锰、磷酸铁锂等。而常见的负极材料则主要为以人造石墨、改性天然石墨、中间相碳微球等为主的碳材料。虽然这些材料都得到了广泛的应用，但是其自身的缺点限制了这些材料的发展。目前正极材料的发展方向是高能量密度高镍型镍钴锰酸锂(NCM811)正极材料。负极材料方面，硅基负极材料、锡基合金负极材料等均得到了大量的研究，但目前没有碳负极应用广泛。
除此之外，国内外各大研究机构也对下一代电池技术进行了大量研究，主要包括全固态电池技术、锂硫电池技术、钠离子电池技术、金属空气电池技术等。
现有先进电池技术
（一）高镍型镍钴锰酸锂(NCM811)正极材料
目前国内主流镍钴锰酸锂正极材料主要为NCM111型和NCM523型，NCM622型也得到了批量生产，但是NCM811型尚处于研发阶段。目前国内已经有些企业表示公司具有高镍NCM811型材料，主要针对3C高容量数码圆柱电池用户，同时国内也有一些知名电池材料制造企业表示高镍NCM811型材料目前正处于研发状态中。
对此，笔者致电业内人士获悉，目前尚未听说国内有高镍NCM811型材料的最新量产消息，811体系还不够成熟。但是，某些企业的确在做小试，开发高镍材料在能量密度和材料成本方面具有很大的优势。
国内高镍材料的开发现状主要是由于高镍材料具有很高的技术壁垒，对工艺、设备等要求很高。此外，高镍材料非常容易吸潮使产品成果冻状，难以涂布。在前驱体烧结中对窑炉的性能要求苛刻，国内设备难以满足。
除了企业对高镍NCM811型材料进行开发外，国内的北京大学、北京科技大学以及合肥工业大学等均在研究。
目前，韩日两国在高镍材料保持领先地位，外围消息显示，日本户田工业公司和韩国ECOPRO公司等少数企业已经具有高镍的制备技术。
（二）硅基负极材料
硅负极材料理论比容量达到4200mAh/g以上，远高于372mAh/g的石墨类负极，并且硅的嵌锂比容量是石墨的10倍，因此，硅负极材料受到了广泛的关注。但是，硅负极材料具有一项显著的缺点，在充放电过程中，硅负极材料会体积膨胀300%，这将导致硅负极材料的结构发生破坏，最终致使材料粉化，降低硅负极材料的容量。为了解决这个问题，一般会进行掺杂改性。
美国安普瑞斯公司开发了多种硅纳米结构和电化学体系，安普瑞斯在2012年设计和演示了用于锂离子电池的高容量硅纳米线负极以及制造技术，并在2016年完成了硅纳米线负极生产线的制备并在其中国无锡公司投入中试生产。
除美国安普瑞斯外，美国特斯拉公司通过在人造石墨中加入10%的硅基材料开发了硅碳负极并应用于Model 3上，电池容量达到了550mAh/g以上。
此外，日本日立化成、日本信越化学、三星尖端技术研究所等企业都对硅基负极材料进行了研究。
▲贝特瑞的研发人员
国内方面，2017年，贝特瑞研究院开发了全球第一款商业化的硅碳负极材料，其能量密度较传统负极材料提升一倍以上。除了贝特瑞之外，国内的清华大学、中科院、中南大学等科研院所也对硅基负极材料进行了广泛的研究。
（三）锡基合金负极材料
锡基负极材料的研究首先起源于日本精工电子工业公司，随后日本三洋以及国内各大科研院所也进行了大量的研究。锡基合金主要利用Sn可以与Li形成Li22Sn4的合金，具有很高的理论容量。但是，当Li与Sn形成LixSn时，体积会膨胀，并且金属间相LixSn具有脆性，造成负极材料循环性能不佳。因此需要掺杂一种非活性、质软的金属，以便在Li插入Sn中时，由于掺杂金属的存在降低负极材料的体积变化。
国外方面，日本三洋电机研究了Sn/Cu合金薄膜，首次放电容量为940 mAh g−1，首次库伦效率为93%。日本早稻田大学开发了Sn/Ni合金薄膜，循环70次仍具有650 mAh g−1的容量。
国内方面，清华大学、北京大学、吉林大学、天津大学等高校都有相关研究发表。
（四）小结
各大厂商纷纷发力研究先进的电池技术，正极材料主要以高镍型镍钴锰酸锂（NCM）正极材料为代表，目前国内已经有企业具有NCM622型技术，但是NCM811型仍需要进一步的研发。
负极材料方面，石墨材料占据着大量的市场份额，具有成本低廉的优势，在国内基本全面实现产业化，在未来几年内仍将会是负极的首选材料，贝特瑞、日立化学、三菱化学是典型企业的代表。
随着新能源汽车产业的快速发展，对负极材料的性能要求越来越高，常规石墨负极材料的性能已经难以满足发展的需要，因此，对新型正负极材料的需求将会越来越突出，高镍正极材料、硅碳负极将会是未来发展方向。
▲美国Altairnano公司产品
在本结最后，需要提及一下钛酸锂负极材料。钛酸锂负极材料具有如下优点：首先，原材料丰富、成本较低、工艺相对简单；其次，充放电效率高、循环寿命长、可快充；再次，结构稳定性好、化学稳定性优异；最后，安全性优异；钛酸锂动力电池在市场上的应用主要以新能源客车和公交为主，技术上国内外相差不大，国外以日本东芝公司和美国Altairnano公司为主，国内湖州微宏动力、珠海银隆（被格力收购）等企业具有产能。
负极材料原本是石墨材料的天下，钛酸锂负极材料占有量并不大。但是格力董明珠的强势介入把钛酸锂负极材料推到了风口浪尖。钛酸锂负极材料的应用前景褒贬不一，但是需要注意的是，钛酸锂负极材料具有可快充、寿命长、耐热耐寒的优点，这是其他电池技术不具备的，目前钛酸锂负极材料究竟能掀起多大的风浪仍需市场考验。
下一代电池技术
（一）全固态电池技术
前不久，三星公司的电池爆炸事件再次将现有电池技术的安全问题推到了风口浪尖，人们迫切需要更加安全的电池技术。传统的电池技术往往采用液体有机电解液，这也是造成电池安全性问题的主要原因。为了解决上述的安全性问题，同时提高能量密度，目前世界各国都在加紧研发全固态电池技术，采用固态的电解质材料替换传统的锂离子电池隔膜和电解液材料。
虽然世界各国都在全固态电池技术上取得了重大突破，但是目前总体上全固态电池技术仍具有一定的缺陷，主要为首先，总体而言固态电解质跟传统电解液相比电导率偏低，内阻较大，高倍率放电时电压降较大。其次，目前制备工艺较为复杂、技术不成熟，导致了生产成本居高不下。
目前，全固态电池技术被认为是电池技术的未来，采用全固态电池技术可大幅度提高电池的安全性能，同时提升电池的能量密度，世界各大厂商纷纷布局。英国的James Dyson于2015年收购了固态电池制造商Sakti3，并表示会出资十几亿美元用于开发固态电池。此外，德国博世也于2015年收购了美国电池制造商Seeo，随后又与日本著名电池企业杰士汤浅以及三菱重工合作开发固态锂离子电池技术。宝马公司在2017年2月宣布计划在2026年公布采用固态电解质的突破性车载电池技术，可降低重量，提高电池安全性。除了以上企业外，美国马里兰大学、东京工业大学、日本丰桥技术科学大学、瑞士苏黎世联邦理工学院等研究机构均具有全固态电池技术。
▲南策文院士
我国也在全固态电池领域取得了一定的进展，2016年年末，清陶（昆山）能源发展有限公司和清陶（昆山）新能源材料研究院宣布将争取在2017年9月量产全固态锂电池产品。该研究团队由清华大学南策文院士团队创建，将会在材料、器件、装备多个领域对全固态锂电池产业化开发进行攻关。
除清陶外，宁德时代新能源也在积极开发部署固态锂金属电池技术，无独有偶2016年底，珈伟股份也发布了其首例固态锂电池产品，说明我国全固态电池技术正在快速发展，彻底解决电池安全性问题并非遥不可及。
（二）钠离子电池技术
地壳中钠元素的含量非常丰富，钠元素含量为2.74%而锂的含量为0.0065%，钠元素是锂元素的422倍。钠元素因含量丰富、价格低廉、环境友好、与锂的电化学性能相似而获得广泛研究。钠离子电池具有与锂离子电池类似的工作原理，正负极由两种不同的钠离子嵌入化合物组成。充电时，Na+从正极脱出经过电解质嵌入负极，同时电子的补偿电荷经外电路供给到负极，保证正负极电荷平衡。放电时则相反，Na＋从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。
影响钠离子电池的技术难点主要为钠离子的离子半径（r=0.113 nm）比锂离子（r=0.076 nm）大35%以上，由此引起脱嵌动力学困难，并造成结构的坍塌。此外，钠离子电池的能量密度低于锂离子电池也是影响钠离子电池发展的原因。
针对上述问题，可以从以下几方面解决，首先，构建大隧道、导电性良好的材料以提高钠离子扩散动力学稳定结构；其次，通过掺杂来提高元素稳定性；再次，开发无氧的材料结构，减弱钠离子的键合作用；最后，开拓非晶材料结构，为钠离子的迁移提供更宽松的环境。
目前，日本的产综研、韩国蔚山科学技术大学、韩国首尔大学、德国伊尔梅瑙理工大学以及国内的中科院和武汉大学等科研机构都在钠离子电池领域取得了重大的进展。此外，日本住友电气、日本住友化学、日本杰士汤浅、日本三菱化学以及日本丰田等公司均对钠离子电池进行了研究。
（三）锂硫电池技术
锂硫电池是一种新型二次电池体系，电池结构以金属锂为负极、单质硫为正极而构成，其具有原材料含量丰富，制备成本低廉，环境友好等特点。锂硫电池中硫正极的理论比容量可以达到1675 mAh/g，金属锂负极的理论容量更是高达3860 mAh/g，这致使锂-硫电池体系具有高达2600 Wh/kg的理论比能量值，为现有锂电池的五倍左右，是最具发展潜力的高能化学电源体系之一。
锂硫电池技术目前仍具有较多的问题需要解决，这也是阻碍其商品化的重要原因。其一，硫以及多硫化合物中间产物结构与形貌的变化将导致硫电极的接触不稳定；其二，溶解的多硫化合物具有“穿梭效应”会使活性物质流失导致比容量的急剧衰减；其三，充放电过程中电极容易发生体积膨胀；其四，硫的自放电现象导致了电池容量的损失；其五，沉积在负极上的锂会导致锂枝晶的生长，造成安全隐患。
目前，锂硫电池技术也是国内外广泛研究的下一代电池技术之一。美国马里兰大学的研究团队制备了新型锂硫电池复合正极材料。采用Li2S作为活性材料，聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作为碳源，Li6PS5Cl作为固态电解质，经过共沉淀和高温碳化处理制得。这种复合电极具有优秀的倍率性能，在50 mA/g的电流密度下循环60次，相对容量可高达830 mAh/g。
我国也对锂硫电池进行了相关研究，北京大学的研究团队以琼脂为原材料，采用高温碳化工艺制备了一种三维垂直排列多孔碳纳米片并应用于锂-硫电池中。在837 mAh/g的电流密度下得到了高达844 mAh/g的稳定可逆容量以及几乎为100%的库伦效率。循环300次后，容量保持率约为80.3%，倍率性能优异。
（四）锂空气电池技术
锂空气电池是金属空气电池的一种，主要由锂（金属）负极、空气电极和电解液组成。空气电极可以持续的从周围环境中汲取反应所需的活性物质，也就是氧气，这也使其具有很高的理论比能量。金属空气电极有多个种类，包括锂空气电池、锌空气电池、镁空气电池、铝空气电池等，其中锂空气电池具有最高的理论比能量。
锂空气电池被认为是电动汽车的终极动力来源，此前，福特公司的研究团队曾在锂空气电池中引入双极板构型，所开发的电池能量密度和功率密度都达到了美国先进电池联合会的要求，但是成本过高无法大范围推广。除福特外，丰田、IBM都对锂空气电池进行了大量研究，但是目前尚无产业化。
发展至今，锂空气电池仍然是一种概念性电池技术，有着多种无法解决的问题，真正的产业化之路至少还需要10年的时间。
（五）小结
在下一代电池技术中，全固态电池技术近年来获得了快速的发展，世界各国都投入了大量的研究，极具应用前景和产业化前景。钠离子电池因为钠元素的广泛存在而获得了大量日本企业和高校的研究，但是目前仍需要解决负极的问题。此外，锂空气电池技术争议最大，目前存在多种无法解决的难题，炒作大于实际应用，产业化前景渺茫。
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