来源：固态电池文献精选
近年来，
高能量密度锂电池
在电动车、航空航天及大型储能等领域的需求持续攀升。传统商用锂离子电池虽在消费电子与轻型交通工具中广泛应用，但难以同时满足更高能量密度、更长寿命及更严苛环境稳定性的行业需求。要想进一步提升电池的能量密度，需要从
核心材料体系（正极、负极、电解质）
及整体包装设计等方面协同发力。
目前，业内主要有两条提升能量密度的技术路线：
一是对
液态锂电池
进行极限化改进，包括更高镍含量正极、硅基或锂金属负极、更薄甚至无隔膜等；二是
全固态
或“准固态”技术，通过取代传统液态电解质实现更优的体积利用率与更高安全阈值。
然而，前者面临如界面稳定性不佳、过快容量衰减等挑战，后者则在规模生产工艺、材料匹配性和成本控制方面尚未彻底突破。此外，根据不同应用场景（如新能源汽车、无人机、航空器等）的负载与续航需求，对电池设计也提出了差异化要求：
有些场合强调功率密度与安全性
，有些则更注重
极致比能量
以延长续航并减少总重量。
基于此，
该文献系统性介绍了从“液态高能电池”到“全固态高能电池”的设计原则与关键步骤，结合实验室及产业界的进展案例，对正极材料（NCM811、富锂锰基、Li金属负极等）、电解质路线（硫化物、氧化物或聚合物体系）以及整体电芯结构的优化方法进行了深入探讨。
文章旨在为读者呈现高能量密度锂电池的全景图，并梳理未来可能的研究与应用方向。
1.1 能量密度的理论上限与限制因素
在设计
高能量密度锂电池
时，首先需要明确影响电芯能量密度（Wh/kg或Wh/L）的关键因素，包括正负极材料的比容量、工作电压、电极配比（N/P比）、活性物质占比以及包装结构等。
-
材料层面：
高容量正极（如富锂锰基、NCM811、甚至具有超高理论容量的Li-O2系）与高容量负极（硅碳、纯锂金属或金属合金）可显著提升单体能量密度，但二者在循环寿命与安全性方面可能遭遇瓶颈；
-
界面与副反应：
高能密度体系往往意味着更苛刻的工作电压与更紧凑的结构，使得电极/电解质界面易产生不稳定副反应，如气体生成、金属离子溶解等；
-
组件设计：
极薄甚至取消隔膜、减薄集流体（铜箔、铝箔）或采用轻质封装都能减少非活性质量占比，但同时对制造工艺与安全管控提出更高要求。
在许多研究与商业化案例中，电池设计可归纳为
分层策略
：先设定目标能量密度（如500 Wh/kg、700 Wh/kg甚至1000 Wh/kg），然后反推材料体系与结构参数，如正极负极负载量、活性物质占比、极片厚度、隔膜种类等。随着目标值的攀升，材料体系往往从
石墨/NCM811
演进到
Si-C/高镍NCM
再到
Li金属/富锂正极
，最后延伸至
全固态电池
或
锂硫、锂空气
等前沿形态。
1.2 液态到全固态：演进与挑战
论文中对“液态到全固态”的技术演进作了总体梳理：
-
高能液态电池：多采用超高镍NCM（如NCM9系），搭配人工或功能涂层隔膜、超薄负极涂层以减少不可逆损耗。有些方案甚至引入局部固态电解质以提高安全系数；
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准固态电池：采用凝胶化或部分固体电解质与液态电解质混合，可保持相对高的离子导电率，也能改善负极侧过量锂沉积导致的枝晶问题；
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全固态电池：彻底用固体电解质（硫化物、氧化物或聚合物）取代液态电解质，一方面使得能量密度显著提升，另一方面也能抵御更高电压以及高温环境，但大规模制造和界面接触仍是技术难点。
从原理上看，全固态方案对材料纯度与制备工艺的敏感性更高，需要在高压/热压环境下实现完整致密化，以求达到足够的离子导电率与界面紧密接触。同时，锂负极在全固态工况下容易产生界面反应，如
高阻抗界面层（SCL）
或
应力诱导裂纹
，这些都将限制循环寿命与倍率性能。
图1：
软包电池的设计原理和高能量密度锂电池的发展。
2、
材料体系：正极、负极与电解质
2.1 高镍正极与富锂正极
(1) 高镍三元（NCM、NCA）
高镍体系（NCM811、NCM9系）凭借200+ mAh/g的可逆容量已成为现阶段液态高能电池的主力，但在进一步提高镍含量时，结构稳定性、热稳定性及界面副反应都会恶化。文献提出了一系列解决方案：表面包覆（如Al₂O₃、ZrO₂）、掺杂（如Mg、Al）和单晶结构等，以抑制相变与微裂纹产生，从而延长循环寿命。
(2) 富锂锰基/富锂氧化物
富锂锰基材料（Li₁.₂Mn₀.₅₅Ni₀.₁₅Co₀.₁₀O₂等）理论容量可突破300 mAh/g，甚至可达350 mAh/g以上，但存在首周不可逆容量严重、工作电压递降（Voltage Fade）、倍率性能偏低的问题，需要在颗粒形貌、掺杂和表面修饰上投入更多精细化研发。文章讨论了若将此类“富锂正极”与锂金属或硅基负极结合，叠加全固态电解质，或可在
700-800 Wh/kg
乃至更高能量密度范围内找到新的平衡点。
2.2 负极：从石墨到硅基再到锂金属
(1) 石墨及其改性
传统石墨负极具备循环稳定、工艺成熟等优点，但比容量（约372 mAh/g）已难满足更高能量密度需求。适当掺硅微粉或硅氧化物可提升容量，但也带来膨胀与副反应。
(2) 硅基负极
硅基负极理论比容量可达3500 mAh/g以上，若能有效抑制体积膨胀并保持稳定SEI膜，能量密度可显著提高。部分商用化电池已尝试在负极掺入5~10%硅以提升容量。但硅基在全固态场景下仍需特别关注与固态电解质的界面匹配、膨胀应力和导电网络保持等问题。
(3) 锂金属
理想状态下，锂金属负极的理论容量（3860 mAh/g）和工作电位接近0 V，将能显著提升整包能量密度。但受制于
枝晶生长、体积变化及界面副反应
，液态体系下锂金属电池多处于实验室阶段。全固态电解质能在一定程度上抑制枝晶扩张并减少副反应，但对工艺要求极高，且仍需解决“弹性匹配”和“全寿命安全性”难题。
2.3 电解质：从液态、有机凝胶到固态
-
液态电解质：
高能电池常需高电压稳定性，添加磷酸盐系或其他新型添加剂提升界面稳定。然而随电压升高到4.5~4.8 V，副反应与气体释放更突出；
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聚合物电解质：
具备可塑性与一定安全性，但离子电导率难以与液态匹敌，多用于中温或高温场景；
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硫化物固态电解质：
代表性材料如Li₁₀GeP₂S₁₂（LGPS）等，离子电导率可与液态相当，但对潮湿环境极其敏感、易产生H₂S等问题；
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氧化物固态电解质：
典型如LLZO（Li₇La₃Zr₂O₁₂），稳定性优异、对空气敏感度较低，但致密化烧结温度高且界面阻抗难以控制。
文献指出，不同固态电解质适用不同场景，短期内难有一种“完美材料”全面统治市场，关键仍需视具体应用（车用、航用或储能）及产线工艺条件而定。
3、
高能量密度电池的结构设计与组件优化
3.1 叠片/卷绕与极片厚度
无论是液态还是固态电池，电芯结构常以叠片或卷绕方式组装。要实现高能量密度，需要
增大极片负载
、
减少无效体积
。然而负载过高，容易导致内部离子传输变差、极化加剧及产热增多。因此，论文建议
结合N/P比
及
