金属离子电池研究是当前世界科学的重要前沿，在2021年Science 期刊发布的125个科学问题中，关于能量存储和转换的多个科学问题均与电池紧密关联。
为应对全球气候变化，大力贯彻新发展理念，充分开发和利用新能源势在必行。以太阳能、风能及潮汐能为代表的新能源虽然清洁、高效，取之不尽、用之不竭，却具有间歇性、波动性和随机性的问题，亟需高效的能量存储方式使这些能源得以利用和实现持续输出。金属离子电池能够实现电能与化学能的高效转化，在电化学储能领域展现了巨大的应用潜力。其与可再生能源开发相结合，对于实现“零碳排放”的目标将起到重要作用。
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▲ 各种金属离子电池对比
金属离子电池，顾名思义是以金属离子作为载流子的电池，主要分为锂离子电池、钠离子电池、钾离子电池等碱金属离子电池，锌离子电池、钙离子电池、镁离子电池、铝离子电池等多价金属离子电池，它们的组成类似，普遍由正极、负极、电解质（液）、隔膜以及封装材料构成。为了突破现今商用二次金属离子电池的瓶颈，考虑到电池的产业化应用目标，广大研究者希望新型电池能够兼顾电化学性能（质量能量密度、体积能量密度、倍率性能及循环稳定性等）、安全性能、生产成本及环境友好性等。
可充电的二次金属离子电池，相比于一次电池，更加经济环保。目前，以锂离子电池为代表的金属离子电池还是交通运输部门脱碳（电动汽车）的重要驱动力。此外，它们还涉及各种战略行业应用，如航空航天、医疗设备、5G 通信、可穿戴电子产品和机器人技术。
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▲ 金属离子电池的应用场景
金属离子电池中最具代表的是锂离子电池，具有高能量密度的特点，是电动汽车和便携式电子产品的首选。
当今社会对金属离子电池的需求发生了革命性变化，基于三元材料或磷酸铁锂正极和石墨负极的传统锂离子电池体系亟待被超越。此外，国家能源战略、国防安全与国家重大工程对规模储能电池、高效动力电池、先进特种电池等体系也提出了更多的要求：- 先进储能电池需要具备大容量、长寿命、高能效、高安全、低成本、快响应等特征；
- 高效动力电池需要更高能量密度（即续航更久）、更高功率密度（即瞬时供能）、更高安全性等特征；
- 特种电池需要具备宽温域、高环境与力学适应性、可长期储备等特征。
然而，现有电池体系还不能满足上述要求，仍面临如下巨大挑战：▋ 1. 缺乏对电池的跨尺度、多结构、全周期的原理创新。电池体系需要从多场景应用的电池系统等宏观层次到电极/电解质界面的介观层次，再到材料结构与离子输运等的微观层次层层剖析，如何实现原理、体系与范式的革新，这是未来电池发展的核心科学问题。能量密度往往由材料性质及其电子结构决定，功率密度由电子和离子在电极、电解质材料和它们界面间的传输速率决定，而安全性往往与界面和器件结构相关联，寿命可以在器件和系统层面进行优化。传统理论往往只能针对孤立对象、单一变量，忽略了材料与系统其他部分的关联，因此无法适用于电池体系跨尺度、多结构全局优化，更无法解决电池性能提升的关键科学问题。人工智能、大数据、区块链、云计算、超时空分辨原位表征技术与无损检测分析的快速发展，为电池关键材料智能设计与新原理解析提供了新的机遇。因此，亟需建立基于高通量计算-数据驱动的“电池材料基因组”与研究新范式；亟需构建可用于原位动态检测的电池模型和技术，在电池运行工况下，利用高时空能量分辨测试手段剖析电池“黑箱”，获得电池内多尺度组分演化信息与反应新原理，阐明材料的构效关系；亟需建立基于原位无损电池检测技术的智能管理系统，评估电池健康状态并作出相应调控；亟需建立以智慧能源互联网、大数据分析和智能计算为依托的能量时空供给精准预测系统。同时，也需要数理、信息等学科的统筹协调，以新原理提升电池综合利用效率。此外，现有电池研究在电池关键资源提取和废弃电池回收方面还缺乏深入性全局考量，缺乏全生命周期的理论创新。我国盐湖中的锂储量约为410 万t，占我国锂资源总储量的85%左右，除了产盐、产锂以外，盐湖中还富含钾、钠、镁等资源。然而，我国盐湖卤水品位较低，特别是青海盐湖，大多具有较高的镁锂比，而镁和锂在元素周期表中处于相邻对角位置，两者化学性质极其相近，采用一般物化方法很难有效分离，给锂资源的开采带来了极大困难，导致我国对国外锂资源的依赖性很强。高效的电池资源提取和废弃电池回收也需要从源头上进行理论创新。▋ 2. 缺乏满足高精尖动力领域和规模储能要求的新材料和新体系。随着航空航天、深海/极地探索、现代化军队建设的快速发展，具有重要科研探索和军事战略意义的深海、深地、两极、太空、岛礁等区域对电池提出新的要求。上述地域温度、压力、辐照等与普通环境相差较大，更易造成电池性能衰减。如低温情况下，电解质中离子传输速率及载流子在电池活性材料中的嵌入/脱出速率急速下降，导致电化学性能衰退严重，在超低温情况下，电池甚至无法正常工作；高温时，电极/电解液界面副反应加剧，造成性能衰减，甚至发生安全事故。传统锂离子电池不能满足上述极端条件和复杂工况下的应用，因此，亟需开发多场景适用的动力电池关键材料和新体系。规模储能需要电池具备长循环寿命、高能量转化效率、高安全性、低成本、快速响应能力、高环境适应性等特征，现有电池材料已无法满足上述要求，亟需开发基于Na、C、H、O、N 等丰产元素的电池新体系。现有电池研究队伍和有限的学科交叉，已无法完成未来电池的需求，需要从顶层设计，在更大层面组织多学科的协同交叉，在此建议设立重大研究计划组织推动。一个电池器件性能首先由材料决定，电极与电解质材料需要化学合成、工程放大等，新材料研发需要化学、材料、工程等学科交叉；电极和电解质材料的界面，如固液、固固界面等，是电荷转移和物质转化的重要场所，高性能界面的构筑离不开化学、物理、材料、工程等学科的共同参与；在器件层面，电子、离子等物质多尺度传输以及电、热、力等多场耦合很大程度上影响电池器件的性能，需要化学、数理、工程和信息等多学科交叉才能实现器件的优化设计；电池系统由大量单电池串并联集成，涉及机械制造和控制管理等，一个高效的电池系统需要集成工程、管理和信息等多个学科才能实现。显然，未来电池体系需要多学科交叉和产-学-研-用协同合作才能满足发展需求。针对上述挑战，未来金属离子电池的研究将以复杂电化学界面上能量/物质输运与反应机理为核心科学问题，以先进原位表征和理论计算方法为手段，以研制大容量、长寿命、高安全、低成本、快响应、环境适应、智能管理储能电池以及高比能、快充放、高安全动力电池为目的，以电池储能产业和高精尖动力电源领域为应用出口。聚焦电池体系的非均匀、非连续界面能量/物质输运和电化学反应过程，借助先进电池高时空能量分辨原位表征和精准计算模拟新方法，明确新型电化学界面的微观结构、动态演化和构效关系；通过定向的结构构建、环境介质的相互作用、外场调控等对电池多相复杂界面过程进行有效调控，发展能量高效转化与高密存储的新理论和新机理，建立超越传统的电池体系和研究范式，实现综合性能提升和资源高效利用，为未来我国电池的发展提供新原理、新体系和新范式。中国电池市场规模全球最大，电池研究在数量上遥遥领先，质量上也处于第一梯队。如何保证中国在与世界并行的情况下，能够超越与引领，谋划布局、开辟引领未来的方向是我们需要重点思考和部署的内容。希望进一步汇聚化学、材料、数理、信息、能源、工程等学科的广大电池研究和生产人员，从创新源头为我国电池的发展注入新力量，引领未来金属离子电池科技发展。
本文摘编自《金属离子电池》（陈军，张凯，严振华编著. 北京：科学出版社，2024.6）一书“后记：金属离子电池技术挑战与机遇并存”“第1章 金属离子电池概述”，有删减修改。
（电化学科学与工程技术丛书 / 孙世刚总主编）
“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目
ISBN 978-7-03-078455-1
责任编辑：李明楠 高 微
2020年7月，南开大学陈军院士团队受到“电化学科学与工程技术丛书”编委会的邀请，承担编写《金属离子电池》的任务。其后，本丛书入选“十四五”时期国家重点出版物出版专项规划项目，本书也获得国家科学技术学术著作出版基金资助。本书首先介绍金属离子电池的发展历史和种类，然后在阐述金属离子基本概念的基础上，详细介绍不同类型金属离子电池的工作原理、结构、组成、关键材料、电池制备工艺、应用领域、评估方法、相关资源提取方法与回收利用等内容，电池体系包括锂离子电池、钠离子电池、锌离子电池、钾离子电池、镁离子电池、铝离子电池和钙离子电池。
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本书深入浅出，适合高等学校、科研院所、新能源相关企业从事金属离子电池研发的科研人员、生产技术人员和管理工作者等阅读，同时可作为相关专业师生和工程师学习参考用书。
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