本文为《国家科学评论》（National Science Review）Forum文章“A forum on batteries: from lithium-ion to the next generation”的中文版本，英文原文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaa068。

2019年，诺贝尔化学奖授予了三位锂离子电池领域的先驱者：美国德克萨斯大学奥斯汀分校的约翰·古迪纳夫（John Goodenough）教授、美国纽约州立大学宾汉姆顿分校的斯坦利·惠廷厄姆（Stanley Whittlingham）教授以及日本旭化成公司的吉野彰（Akira Yoshino）先生。

经过几十年的发展，锂离子电池能量密度的提升速度已明显放缓，并逐渐接近理论极限。与此同时，固态电池、钠离子电池、锂硫电池、燃料电池等新型储电和发电体系快速发展，开始为各种应用场景提供更多选项。

在此次由《国家科学评论》（National Science Review, NSR）编委成会明主持的论坛中，几位电池领域的专家充分探讨了锂离子电池面临的瓶颈和发展方向，分析和畅想了下一代电池的前景与应用，并对我国电池研究与产业的现状进行了梳理。

成会明：

有观点认为，锂离子电池的发展已接近极限，大家认同这种说法吗？

李泓：

我个人不认同这种看法。锂离子电池的性能包括多个方面：质量能量密度、体积能量密度、循环性、充放电速率、高低温适应性、安全性等。在这些性能中，只有质量能量密度和体积能量密度存在可以定量的理论极限。

仅以这两个指标而论，我认为也至少还需要十年的研究，才有可能达到极限。具体来说，锂离子电池的正极材料目前主要有四大类：钴酸锂（LiCoO2）、三元材料（Li(NiCoMn)O2）、磷酸铁锂（LiFePO4）和锰酸锂（LiMn2O4）。

其中磷酸铁锂和锰酸锂的实际能量密度已经接近理论极限，而钴酸锂和三元材料还有发展空间。

钴酸锂和三元材料的理论容量极限是274 mAh/g，而目前已经达到的最高水平分别在205 mAh/g和210 mAh/g左右。通过优化，比如开发高镍、低钴或者无钴的三元材料，还可以进一步提升性能、降低成本。

在这四大类之外，还有富锂锰基正极材料，如xLiMO2-(1-x)Li2MnO3等。它的理论容量极限更高，在x=0时可以达到480 mAh/g。北京大学夏定国团队的研究结果已达到400 mAh/g，在工业上则可以做到300 mAh/g，都还可以进一步提升。

负极也同样还有发展空间。目前常用的是石墨负极，此外还有硅负极、纳米硅碳负极等。众所周知，硅负极的理论容量很高，可以达到4200 mAh/g，但它存在一个主要问题，就是体积膨胀较大。如果能适度控制体积膨胀，硅负极将进一步发展并获得更多的实际应用。

此外，如果开发出含锂的负极，那么正极就可以不含锂，正极材料的选择范围就会更宽，又可以创造出新的发展空间。

对于锂离子电池的其他指标，如循环性、充放电动力学性质、高低温适应性、安全性等，我们或者还不知道极限在哪里，或者现有水平距离极限还十分遥远，所以更不能说已经接近极限。

总之，锂离子电池是一个开放可拓展的体系，我们可以不断探索和优化新的材料、电极设计和加工工艺，从而不断提升它的能量密度和其它各项性能。这其中需要解决的问题还有很多，仍需要创造性的深入细致的研究。

陈军：

锂离子电池是一个相对复杂的体系，主要由正极、负极、电解液、隔膜构成。其中部分商业化的正负极活性材料，如钴酸锂正极、石墨负极等在容量、倍率性能等方面都已接近发展极限。但随着新型电极材料的开发和发展，材料的更新换代将为锂离子电池提供更大的发展空间。

目前，锂离子电池发展的主要方向是正极、负极材料容量的提升和电池综合性能的提高。其中，决定电池容量等性能的高容量正极是核心，与之相匹配的负极、电解液及电池制备工艺技术是关键。

综合来看，近期的具体目标应该是：能量密度达到300~350 Wh/kg、较快速的充放电、满足-30~60℃的使用要求、常温循环寿命超过1500次、成本0.6元/Wh（Pack）。

孙世刚：

多年以来，钴酸锂、三元材料等体系不断发展，已经相当成熟。但是应该注意到，在这些体系逐渐接近极限的过程中，其性能提高的速度其实是越来越慢的，也就是说，我们遇到的问题是越来越难的。

要解决目前面临的问题，我们或许应该回过头来，重新对这些体系中的基本科学问题和科学规律进行梳理和研究。如果能够更好地用数学、物理模型来描述电池的运行机制，将有助于我们解决这些问题，进一步接近极限。

同时在工业上，电池是一个系统性的产品。有了更好的基本理论，就可以更好地预测能量密度的提升会对整个系统，包括电池的其他性能以及电池的成本，带来怎样的影响。

成会明：

我也同意锂离子电池还有很多发展和完善的空间。进一步的发展可以从三个层面来展开：首先，不断改进已有的材料；其次，不断发现新的材料；第三，还可以开发新的体系，从传统的液态电池，逐渐向半固态、固态，甚至其他的电池体系发展。