摘要：同时考虑兼具高理论质量能量密度和理论体积能量密度，H2O/Li、S/Li、H2O/Al、H2O/Mg、S/Mg、CuF2/Li、FeF3/Li、MnO2/Li、MoO3/Li等电池具有较强的储能能力。具体而言，锂电池具有最高的理论质量能量密度，而铝电池具有最高的理论体积能量密度。
【研究背景】
高能量密度是电池永恒的追求，得益于锂离子电池（LIBs）的成功商业化，电池的能量密度得到了显著提升。然而，目前的LIBs仍不能满足日益增长的电动汽车和便携式电子设备的需求。各国都对电池的发展作出了规划，如2020年达到300 Wh kg−1，2030年达到500 Wh kg−1，但是按照目前的发展趋势，该目标很难实现。因此，有必要对所有可能的高质量能量密度（GED）和体积能量密度（VED）的电池体系进行系统的理论筛选，以找到比目前LIBs能量密度更高的可充电电池。基于此，中科院物理所李泓研究员团队通过热力学计算获得了以Li、Na、K、Mg、Al和Zn作为负极的1683种基于转换反应电池的理论能量密度及其电动势（EMF）。并以理论能量密度大于1000 Wh kg−1/800Wh L−1和电动势大于1.50 V为筛选标准，筛选出了51中有意义的电池系统。相关成果以“Batteries with high theoretical energy densities”为题发表在国际权威期刊Energy Storage Materials上。
【图文解读】
1. 计算方法
本文采用宏观热力学方法计算电池的理论能量密度。一般而言，任何发生电荷转移的化学反应都可用于电化学储能，反应式如下：
若反应的吉布斯自由能为负，则反应在标准条件下自发进行，当反应可逆时，这个反应所做的最大电功等于反应的吉布斯自由能，即
中，n为每摩尔反应物转移的电荷数，F为法拉第常数，E为电动势。理论质量能量密度（TGED）和理论体积能量密度（TVED）可分别通过如下公式计算：
其中，和分别表示反应物的摩尔质量之和与反应物的摩尔体积之和。电极材料的比容量与自身每摩尔质量可输送的电量有关，计算公式如下：
在转换反应中，每个过渡金属离子的电子转移不少于一个，而插层反应中通常为0.5-1.0个。
2. 电池的选择
电池的选择主要从正极和负极两方面来考虑。选择研究最为广泛的Li、Na、K、Mg、Al和Zn作为负极，其可以与各种各样的正极想配对。目前LIBs主要还是采用商业石墨作为负极，其理论比容量只有372 mAh g−1，目前LIBs在三种应用领域下的性能如表1所示。
