锂离子电池是能量密度高、综合性能最好的电化学储能体系，提升能量密度是锂电池研发的主要目标，中国、美国、欧洲和日韩等国家都将开发400-600Wh/kg锂电池作为锂电池发展的中长期规划。自1991年索尼公司首次实现锂离子电池商业应用以来，商业化的锂离子电池技术能量密度从90 Wh/kg提升到目前的360 Wh/kg（北京卫蓝新能源），已广泛应用于消费电子和电动汽车等领域。从实用化的角度，进一步提升锂电池能量密度需要采用新电极材料和电池设计来平衡能量密度、功率密度、循环寿命、安全性等综合性能，仍有诸多材料基础科学问题和工程技术问题需要解决。与此同时，就能量密度单一指标而言，研究人员也在持续不断进行研发，挑战锂电池的设计极限。目前，公开报导的基于嵌入反应正极材料锂电池（传统意义上的锂离子电池）能量密度最高为Jeff Dahn教授研究团队研制的无负极软包电池（575 Wh/kg, 1414 Wh/L，J. Electrochem. Soc., 2020, 167, 080514）。在此基础上更进一步提升能量密度存在巨大挑战。一方面，需要开发新型电极材料提高材料储能的能量密度；另一方面，需要采用极限的电池设计，比如增加电极厚度、减少电解液等非活性材料的质量和体积占比等。这两方面均会导致电池充放电可逆性急剧变差，直至不能放电（非二次电池）。
图1. 目前商业化锂离子电池和700Wh/kg级超高能量密度电池的设计方案
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心HE01组李泉博士、博士研究生杨旸在李泓研究员和禹习谦研究员的指导下，研制了一种基于高容量富锂锰基氧化物正极和超薄金属锂负极的具有超高质量比能量密度和体积比能量密度的10Ah级软包锂二次电池，经中国北方车辆研究所（201所）北方汽车质量监督检验鉴定试验所的第三方测试，首次放电质量能量密度达到711.30 Wh/kg、体积能量密度达到1653.65 Wh/L。研究人员通过拓宽富锂锰基氧化物的充放电电位获得更高材料储锂容量、采用隔膜涂层技术解决超薄锂大面容量沉积可逆性、并探索厚电极、贫电解液、超薄集流体的匹配性应用等综合策略，最终实现了超高能量密度电池的可逆充放电。该数据为目前已公开报道的锂二次电池的能量密度最高值。
图2. 高比能富锂正极能量密度及结构稳定性研究
超高比能量密度电池技术的研制将为我国在高空、深空等特殊应用场景和未来电动航空领域对高性能电源技术的迫切需求提供可能的解决方案。但值得指出的事，仍需大量的研发工作解决电池安全、寿命等诸多问题，超高比能电池技术距离实际应用还有相当长的时间。此外，锂电池能量密度仍有提升空间。接近理论极限电池能量密度的探索性研究也将进一步丰富固态离子学和固态电化学领域的知识体系，促进新材料和新电池体系的技术创新。
图3. 大面容量金属锂负极研究
相关成果以“A 700Wh kg-1rechargeable pouch-type lithium battery”为题以Express Letter发表在Chinese Physics Letters上，并已申请中国专利（申请号：202310178078.1）。上述研究工作得到了国家重点研发计划(Grant No. 2021YFB2500300), 国家自然科学基金 (Grant No. 22239003), 中国科学院稳定支持基础研究领域青年团队计划 (Grant No. YSBR-058) 和中国工程院战略研究与咨询项目 (No. 2022-XZ-15)的支持。
图4. 700Wh/kg 超高能量密度10Ah级软包锂二次电池
