锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算
吴娇杨，刘品，胡勇胜，李泓
（中国科学院物理研究所，北京，100190）
摘要：锂电池是理论能量密度最高的化学储能体系，估算各类锂电池电芯和单体能达到的能量密
度，对于确定锂电池的发展方向和研发目标，具有积极的意义。本文根据主要正负极材料的比容
量、电压，同时考虑非活性物质集流体、导电添加剂、粘结剂、隔膜、电解液、封装材料占比，计算了不同材料体系组成的锂离子电池和采用金属锂负极、嵌入类化合物正极的金属锂离子电池
电芯的预期能量密度，并计算了18650型小型圆柱电池单体的能量密度，为电池发展路线的选择
和能量密度所能达到的数值提供参考依据。同时指出，电池能量密度只是电池应用考虑的一个重
要指标，面向实际应用，需要兼顾其它技术指标的实现。
关键词：锂离子电池；金属锂离子电池；能量密度；18650电池；电芯
中图分类号：O O646.21文献标志码：A 文章编号：
Calculation on energy densities of lithium ion batteries and metallic lithium ion batteries
WU Jiaoyang，Liu pin, HU Yongsheng, LI Hong
(Institute of Physics, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China)
Abstract:Lithiumbatteries have the highest theoretical energy densities among all electrochemical energy storage devices. Prediction of the energy density of the different lithium ion batteries (LIB) and metallic lithium ion batteries (MLIB) is valuable for understanding the limitation of the batteries and determine the directions of R&D. In this research paper, the energy densities of LIB and MLIB have been calculated. Ourcalculation includes the active electrode materials and inactive materials inside the cell.For practical applications, energy density is essential but not the only factor to be considered, other requirements on the performances have to be satisfied ina balanced way.
Key words：lithiumion batteries; metal lithium ion batteries; energy densitycalculation;18650 cell; batteries core
收稿日期：；修改稿日期：。
基金项目：国家自然科学基金杰出青年基金项目（51325206），国家重点基础研究发展计划（973）项目（2012CB932900）。第一作者：吴娇杨（1988-），女, 博士研究生，研究方向锂离子电池电解质E-mail：wujiaoyang8@https://www.doczj.com/doc/1410959496.html,；通讯联系人：李泓，
研究员，研究方向为固体离子学与锂电池材料，E-mail：hli@https://www.doczj.com/doc/1410959496.html,。
锂离子电池已经成熟应用于消费电子类产品以及电动工具、电动自行车等小型动力锂离子电池市场中。近几年随着新能源电动汽车、储能、通信、数据中心等新兴领域的发展，带动了大容量锂离子电池的发展。各个领域都对提高锂离子电池能量密度提出了进一步要求[1]。图1参考了George Crabtree等人[2]总结的过去25年小型圆柱（18650电池，以松下公司产品作为主要参考依据）锂离子电池能量密度的数据，绘制了能量密度发展路线图。SONY公司在1991年将锂离子电池首先进行商业化，最初的能量密度为80 Wh?kg-1[3]，经过25年的发展，锂离子的能量密度已经达到265 Wh?kg-1，是过去的3倍多。图1可以看出，过去锂离子电池能量密度的提升基本上是线性关系，按照这一发展速度，预计到2020年锂离子电池能量密度应该提升到300Wh?kg-1，2025年能量密度达到320 Wh?kg-1，2030年能量密度达到390Wh?kg-1。但是目前可以利用的材料电极体系和电池技术是否能持续维持这一线性发展速度还需要细致考虑。
高能量密度电池是各国政府及领先电池企业竞相布局、重点研发的方向。日本政府早在2009年就提出了高能量密度电池的研发目标[4]，2020年，纯电动汽车用动力电池电芯能量密度为250Wh?kg-1，2030年达到500Wh?kg-1, 2030年以后发展到700Wh?kg-1。美国政府USABC在2015年11月将2020年电芯能量密度由原来的220Wh?kg-1修订为350Wh?kg-1。《中国制造2025》确定的技术目标是2020年锂离子电池能量密度到300Wh?kg-1，2025年能量密度达到400 Wh?kg-1，2030年能量密度达到500Wh?kg-1。显然，按照原来的发展速度，2020年可以达到日本和中国提出的目标。2025年实现400Wh?kg-1, 2030年实现500 Wh?kg-1的目标，需要有超越原来发展速度的创新研发。同时需要指出的是，在消费电子、电动汽车、航空航天等领域，电池体积能量密度更为重要。目前18650圆柱锂离子电池电芯能量密度达到了650-680Wh?L-1, 软包及铝壳动力电池电芯的能量密度达到了450-490Wh?L-1。
锂离子电池的活性储能材料为正负极材料，提升能量密度的办法对于正极来说是提高放电电压，放电容量。对于负极材料来说是高容量，低的平均脱锂电压。在实际电池中，正负极材料具有高的压实密度有利于高的体积能量密度以及高的质量能量密度的实现。优秀的倍率特性将有利于高能量密度、功率密度在实际充放电过程中的实现，具备长循环寿命可以使高的能量密度在较长的服役期间维持，因此电池的实际能量密度也与倍率特性、循环特性以及材料的特例特性有关。以提高能量密度为主要发展目标的第三代锂离子电池中，正负极材料都在处于升级换代的阶段[5, 6]。锂离子电池之后，进一步提升能量密度将朝着采用金属锂负极的电池发展，包括采用嵌入化合物正极，金属锂负极的金属锂离子电池，以及锂硫电池，锂空气电池等。
祖晨曦等人对化学储能的理论能量密度进行了系统的计算[7]。目前锂离子电池技术实际能量密度可以达到理论能量密度的62%（18650电芯），参考这一数值，可以初步估算各类电池实际能达到的能量密度。本文首先在考虑活性材料和非活性材料的基础上，计算了不包括封装材料和极耳的电芯的能量密度。然后计算了圆柱型18650电芯的能量密度。根据计算得到了预期能量密度，在此基础上进一步核算了电池成本。
图1 1990年-2025年锂离子电池能量密度发展路线图
Fig.1 Development of lithium batteries energy density during the period of 1990–2025
1 不同负极材料的锂离子电池电芯能量密度计算
正负极材料的选择决定了电池能量密度。不少文献中关于电池能量密度的计算，主要是基于单一的活性正极材料的质量计算，有些文献考虑了正负极材料的活性材料质量之和，这种计算忽略了非活性电池材料的质量，报道的结果与实际可能达到的偏差较大，容易误导读者。近几年考虑非活性物质对电芯能量密度计算的工作已经开展起来[8, 9]。
本文中，我们按照文献[9]的计算方法，计算了目前已知的常见正、负极材料组成的锂离子电池的能量密度，其容量和电压分别参见表1，表2。从近年来的发展趋势看，正极材料的容量正不断提升，为此我们给出了高中低三种容量的选择，较低数值是目前的商业产品的水平。较高值是预计未来可能达到的水平，例如，LCO设定的最高容量为220mAh·g-1，NCM811设定的容量为220mAh·g-1，富锂正极的容量设定为300mAh·g-1，NCA设定为220mAh·g-1。这些数值并非技术研究已经达到的最高值，与理论值还有一些差距。而且富锂锰基正极材料2V 以上的容量做到了320mAh·g-1，硅负极的容量可以达到4000mAh·g-1, 但是正、负极活性材料的最高容量的选择没有采用报道中的最高值，而是考虑综合技术指标的实现的可行性选择了表1、表2的数值。即便如此，表1和表2中最高容量值的实现依然具有很大的挑战，特别是
在控制体积膨胀、倍率特性、循环性方面。表3给出了除去封装材料和引线，封装材料内部的非活性材料的典型参数[9]。
由于电池外壳形状各异，目前也不统一，本文中电芯是指不含封装材料和引线的所有其它材料，大部分的计算是基于电芯的结果。而且是按照文献[9]提供的计算依据，实际上需要注意，由于电极涂布的允许厚度对这个计算结果有较大的影响，因此不同几何形状的电池，不同非活性材料的特征参数不同，会对计算结果有一定的影响。本文在固定了文献[9]的计算依据后给出了计算结果，这些结果可以在一定程度上预测不同类型的正负极材料匹配后的能量密度的相对高低，但实际电池与这些计算结果可能还会有偏差，与电池制造工艺密切相关，请读者特别注意。
在此基础上，我们还计算了18650型电池的能量密度，在本文后续的描述中，包含封装材料和极耳的称之为单体电池。而约定俗成的叫法是把单体电池也叫电芯，因此提请读者注意本文计算时电芯定义和文献中说的电芯的区别。
图2 a～j展示了10种不同负极与16种正极材料组合形成的电芯的能量密度计算结果。图i 表明，Li-rich-300对Si-C-2000的电芯体系，在所有的电池体系中具有最高质量能量密度584Wh?kg-1，以及最高体积能量密度1645 Wh?L-1。该数值不包括封装材料与极耳。按照目前的理解，实际电池中富锂锰基正极材料和硅负极实现300和2000mAh?g-1还是非常困难的，现有的富锂锰基正极材料也还需要提高倍率性能[10, 11]。计算结果中，能量密度排名第二的是LCO-220对Si-C-2000,可以分别达到536 Wh?kg-1，1597 Wh?L-1。LiCoO2理论比容量是274m Ah?g-1，目前报道的可逆容量已经达到了220 mAh?g-1[12-14]。但高容量LiCoO2（>180 mAh?g-1）应用还需要解决高电压电解液、析氧、结构不可逆转变等问题。
Table 1Cathodematerials and their performancesin the calculation
正极活性物质分子式本文缩写比容量/mAh·g-1平均电压vs Li/ V
LiCoO2-140 LCO-140 140 3.80
LiCoO2-180 LCO-180 180 4.30
LiCoO2-220 LCO-220 220 4.40
LiMn2O4LMO 130 4.05
LiFePO4LFP 160 3.40
LiCoPO4LCP 130 4.80
LiNi0.33Mn0.33Co0.33O2NCM333 160 3.70
LiNi0.5Mn0.2Co0.3O2NCM523 180 3.70
LiNi0.8Mn0.1Co0.1O2NCM811 220 3.70
xLi2MnO3·(1–x)LiMO2 (M = Ni, Co,
Li-rich-250 250 3.75 and Mn)-250
x Li2MnO3·(1–x)LiMO2 (M = Ni,
Li-rich-280 280 3.75 Co, and Mn)-280
x Li2MnO3·(1–x)LiMO2 (M = Ni,
Li-rich-300 300 3.75 Co, and Mn)-300
LiNi0.8Co0.15Al0.05O2-180 NCA-180 180 3.70
LiNi0.8Co0.15Al0.05O2-200 NCA-200 200 3.70
LiNi0.8Co0.15Al0.05O2-220 NCA-220 220 3.70
LiMn1.5Ni0.5O4LNM 135 4.70
Table 2 Anode materials and their performancesin the calculation
负极活性物质分子式本文缩写比容量/mAh·g-1平均电压vs Li/ V Graphite Graphite 365 0.10
soft carbon-250容量SC-250 250 0.50
soft carbon-400容量SC-400 400 0.50 hard carbon HC 250 0.50 SiOx-420容量SiOx-420 420 0.20 SiOx-1000容量SiOx-1000 1000 0.40 Si-C-450容量Si-C-450 450 0.20 Si-C-1000容量Si-C-1000 1000 0.40 Si-C-2000容量Si-C-2000 2000 0.40 Li4Ti5O12LTO 160 1.56
Li metal Li 3860 0.00
Li metal 80%容量Li 80% 3088 0.00
Li metal 50%容量Li 50% 1930 0.00
Li metal 33%容量Li 33% 1287 0.00
表3计算所用其他非活性物质参数
Table 3Inactive materials considered in the calculation
面密度/
质量分数/%
组成厚度/um 体密度/ g·cm-3
g·cm-2
铜箔 4 8.96 3.58
铝箔10 2.70 2.70
隔膜25 0.95 2.37
隔膜+电解液25 1.02 2.56
粘结剂 1.80 3
电解液 1.20
导电添加剂 2.26 4
注：比例参考文献[9]
图2 不同负极材料与不同正极材料匹配的电芯能量密度计算(a)石墨(b)软碳SC-250(c)软碳SC-400(d)硬碳-250(e)SiOx-420(f)SiOx-1000(g)Si-C-450(h)Si-C-1000(i)Si-C-2000(j)钛酸锂
Fig.2Calculated energy densities of Li-ion battery (coreparts in the cell) using different anodes
(a) Graphite (b) SC-250 (c) SC-400 (d) HC (e) SiOx-420 (f) SiOx-1000 (g) Si-C-450 (h) Si-C-1000 (i)
Si-C-2000 (j) LTO
2 金属锂离子电池电芯能量密度计算
以上电芯的计算结果中负极材料均为锂离子电池负极。石墨的理论比容量为372mAh?g-1[15]，目前可逆容量能达到365mAh?g-1，高容量硅基负极材料可逆容量可以达到1000-1500 mAh?g-1, 但在脱嵌锂过程中存在较大体积膨胀和收缩，实际电池中高容量难以全部发挥，目前实际应用的含硅复合负极的比容量仅为420-450mAh?g-1。金属锂的理论比容量达到3860 mAh?g-1，即使利用率为33%，容量也可以达到1287 mAh?g-1，而且负极可以作为锂源。用金属锂作为电池负极的可充放锂电池研究很早就已经受到人们的关注[16]，但金属锂枝晶和孔洞的不均匀生长、与电解液的持续副反应、体积膨胀问题、循环过程中的界面稳定性、由此导致的安全性问题还未得到最终解决。然而从理论上考虑，一旦这些问题获得解决，将具有重大的应用价值，因此本文针对金属锂作为负极，也计算了与不同正极材料匹配的电芯能量密度。当一个电池的正极材料为锂离子电池中常用的嵌入化合物正极，负极为金属锂或含金属锂的复合材料时，这种电池本文称之为金属锂离子电池(Metallic lithium ion batteries, Li/LiMX, 缩写为MLIB)。
考虑了现有技术，以及不同电池中金属锂容量的发挥可能不一样，本文计算了金属锂利用率分别为100%（比容量为3860 mAh?g-1）、80%（比容量3088 mAh?g-1）、50%（比容量1930 mAh?g-1）以及33%（比容量1287 mAh?g-1），匹配不同正极材料的MLIB电池的能量密度。图3可以看出当金属锂容量全部发挥时，不同正极材料的MLIB分别达到如下能量密度：LCO-220（587Wh?kg-1）、LMO（320 Wh?kg-1）、NCM811（485 Wh?kg-1）、NCA-220（483 Wh?kg-1）、LNM（387 Wh?kg-1）、Li-rich-300 (649Wh?kg-1)。从体积能量密度来看，可以达到
如下体积能量密度：LCO-220（1545 Wh?L-1）、LMO（837 Wh?L-1）、NCM811（1232 Wh?L-1）、NCA-220（1224 Wh?L-1）、LNM（1019Wh?L-1）、Li-rich-300 (1575 Wh?L-1)。与图2对比可以看出，对于相同正极的体系，金属锂离子电池相比锂离子电池具有显著更高的能量密度。例如，Li-rich-300正极材料在金属锂作为负极时，能量密度可以达到649 Wh?kg-1，即使是金属锂的容量发挥33%时，电芯的能量密度也可以达到521 Wh?kg-1。富锂锰基正极材料目前低温容量保持率及倍率特性还有待提高，综合来看，高容量钴酸锂作为正极的金属锂离子电池在质量能量密度和体积能量密度上很有优势。
图3 金属锂作为负极的电芯能量密度计算(a)Li容量全部发挥(b)Li容量发挥80%(c)Li容量发挥50%(d)Li
容量发挥33%
Fig.3Calculated energy densities of Li-ion battery core using lithium metal as anode(a)100% lithium utilization(b)80%lithium utilization (c)50%lithium utilization (d)33% lithium utilization
3 18650单体电池能量密度估算
以上电芯能量密度计算结果，是将非活性物质集流体、导电添加剂、粘结剂、隔膜、电解液等因素考虑进来，计算得到不同正负极材料体系的能量密度，如果将连接的极耳以及封装材料也考虑进来，即为单体电池的能量密度。表4、表5给出松下NCR18650圆柱电池和prismatic系列软包方型单体电池的性能参数[17]。可以看出，在松下18650型号电池中，NCR18650B单体电池的质量能量密度最高为249Wh?kg-1、体积能量密度最高为687Wh·L-1。
在松下prismatic系列电池，其中UF495255ST单体电池的质量能量密度最高为220Wh?kg-1、体积能量密度最高为508Wh·L-1。
表4松下NCR18650电池性能及参数
Table 4Theperformances of Panasonic NCR18650
电池型号质量能量密度/ Wh·kg-1体积能量密度/ Wh·L-1
NCR18650B 249 687
NCR18650A 233 630
NCR18650F 225 595
NCR18650E 180 462
表5松下prismatic电池性能及参数
Table 5Theperformances of Panasonic prismatic cell
电池型号宽/ mm 高/ mm 厚/ mm
质量能量密度/
Wh·kg-1体积能量密度/
Wh·L-1
UF495255ST 55 51.9 4.9 220 508
UF464462FT 61.4 43.6 4.4 211 510
UF553443ZU 42.8 33.8 5.55 206 479
UF553939S 38.4 38.9 5.52 200 471
UF553450Z 49.8 33.85 5.55 199 475
UF553436G 35.6 33.85 5.5 197 463
UF653436SU 35.7 33.85 6.3 193 452
UF583136R 36.3 31.15 5.6 193 432
UF103450P 48.8 33.8 10.5 192 427
UF613756F 36.65 55.4 5.8 188 456 以NCR18650单体电池为标准，在电芯能量密度基础上，将极耳以及封装材料考虑在内，即可得到18650单体电池能量密度。18650极耳以及封装材料占单体电池的质量分数一般为15-20%，典型值为15.4%左右，我们以15.4%质量分数为基础，估算得出单体电池的能量密度。表6总结了锂离子电池、金属锂离子电池，不同负极材料所对应的电芯最高能量密度，以及18650单体电池最高能量密度。其中Li-rich-300对Si-C-2000电芯体系，在所有的电池体系中具有电芯最高能量密度为584Wh?kg-1，单体电池最高能量密度为442Wh?kg-1。表7给出Si-C-1000负极与不同正极材料电芯、单体能量密度，其中LCO-220电芯能量密度为492Wh?kg-1，单体电池能量密度为416Wh?kg-1；LMO电芯能量密度为275Wh?kg-1，单体电池能量密度为233Wh?kg-1；NCM811电芯能量密度为399Wh?kg-1，单体电池能量密度为338Wh?kg-1；NCA-220电芯能量密度为398Wh?kg-1，单体电池能量密度为337Wh?kg-1；LNM 电芯能量密度为336Wh?kg-1，单体电池能量密度为284Wh?kg-1；Li rich-300电芯能量密度为523Wh?kg-1，单体电池能量密度为442Wh?kg-1。可以看出，由于封装材料所占电池总体比例
更多，导致电池能量密度进一步降低。
本计算中，只给出了18650单体电池能量密度的计算结果，统一以NCR18650单体电池15.4%的极耳以及封装材料质量分数进行估算，实际电池中，不同型号、形状、封装材料的电池，封装材料和极耳展电芯的质量分数差别较大。例如，软包电池封装材料和极耳所占比重一般为2-6%。但由于18650电芯中极片可以耐受更大的张力，电流密度，易于散热，因此极片涂层可以更厚，而软包电芯中在弯折处容易脱落，且内部单极耳或多极耳所占体积较大，因此小尺寸软包电池的质量能量密度与体积能量密度均不如18650圆柱电池，大尺寸软包这方面情况由于封装材料占比低于2%而可以超过18650电芯。对于动力电池而言，关键是看电池包的质量能量密度和体积能量密度，这与热管理、散热、模块设计、安全性、电源管理系统等密切相关。单体电池能量密度的差异在电池包上未必表现出相同的差异比例，优势甚至有可能相反，本文对此不做进一步讨论了，本文主要的目的只有是比较不同材料体系组合形成的电芯哪些材料体系的质量和体积能量密度最高。
表6不同负极材料的最高电芯能量密度、最高单体能量密度总结
Table 6The summary ofthe highest energy densities of Li-ion batteries using different anodes
能量密度
Graphite/
Li-rich-300 SC-250/LCO-220
SC-400/
Li-rich-300
HC/LCO-220
SiOx-420/
Li-rich-300
SiOx-1000/
Li-rich-300
Si-C-450/
Li-rich-300
电芯/Wh·kg-1409 318 382 317 432 523 443 电芯/Wh·L-1968 730 862 708 1068 1404 1105 18650/Wh·kg-1346 269 323 268 365 442 375
能量密度
Si-C-1000/
Li-rich-300 Si-C-2000/Li-ric
h-300
LTO /
LCO-220
Li/
Li-rich-300
Li 80%/
Li-rich-300
Li 50%/
Li-rich-300
Li 33%/
Li-rich-300
电芯/Wh·kg-1523 584 187 649 630 578 521
电芯/Wh·L-11404 1645 512 1575 1463 1206 978 18650/Wh·kg-1375 442 494 158 549 533 489
表7Si-C-1000负极与不同正极材料电芯能量密度、单体能量密度总结Table7The summary ofenergy densities of Li-ion battery using Si-C-1000 anode withdifferent cathodes 能量密度LCO-140 LCO-180 LCO-220 LMO LFP LCP NCM333 NCM523 电芯/Wh·kg-1283 405 492 275 240 291 305 337 电芯/Wh·L-1836 1173 1402 754 573 709 867 939 18650/Wh·kg-1239 343 416 233 203 246 258 285
能量密度NCM811 Li-rich-250 Li-rich-280 Li-rich-300 NCA-180 NCA-200 NCA-220 LNM 电芯/Wh·kg-1399 452 495 523 336 368 398 336 电芯/Wh·L-11097 1233 1338 1404 932 1013 1090 931
18650/Wh·kg-1338 382 419 442 284 311 337 284
4 电池能量密度与续航里程的关系
续航里程是电动汽车的核心指标，为了提升续航里程，最简单的办法是直接增加单体电池或电池模块的数量和容量，这样同时也会相应增加电池在电动汽车中所占的成本；另一种是在汽车电池包体积或电池包质量不变的前提下，提升电池的能量密度。以北汽EV200（整备质量1.290吨）为例，百公里耗电为14kWh, 电池箱为220L，寿命要求为20万公里。电池的质量能量密度为180Wh?kg-1时，EV200标准工况常温下的续航里程为200 km。循环寿命的估算需要考虑全寿命里程设计要求，每次使用续驶里程和寿命末期每次充电续驶里程因素，这样估算20万公里需要的电池循环寿命为2000次；在不提高电动汽车能量利用效率（10.85 kWh/百公里?每吨），保持电池包体积不变的情况下，当电池的质量能量密度达到400Wh?kg-1时，电动汽车的续航里程可以达到628 km，20万公里要求的电池循环寿命估算值为600次，如果能达到这一技术水准，将解决消费者对电动汽车里程焦虑的问题。从前面的计算结果看，高容量钴酸锂正极、富锂锰基正极匹配高容量硅负极的锂离子电池有可能实现这一目标，而大部分的金属锂离子电池都可以实现这一目标。
表8电池能量密度与电动汽车续航里程关系的估算
Table 8Relationship between battery energy density and the range of electric vehicles
5. 高能量密度锂电池的成本
依据现有产业化的电芯组成和工艺条件，可以大致推算出不同电池电芯原材料成本价格，所用原材料的成本参见表9。均以100 A h容量的电芯为例，图4展示了以硅碳为负极与不同正极材料组成的锂离子电池电芯的成本，以及金属锂作为负极材料，富锂，NCM作为正极材料的金属锂离子电池电芯的成本。图4可以看出电池成本中，正极材料和电解液的成本接近电芯成本的37%-56%（除LMO），硅碳负极成本普遍接近38%-48%，占电芯成本比重较大。其中LMO正极体系电芯成本最低为0.39元/瓦时，富锂正极电芯成本其次为0.40元/瓦时，LCO正极电芯成本最高为0.65元/瓦时；当金属锂作为负极时，富锂，NCM作为正极材料电芯成本分别为-0.2元/瓦时和0.29元/瓦时。相比于硅碳作为负极而言，由于金属锂负极具有更高的能量密度，成本显著降低。
需要说明的是，电芯材料的成本约占电池制造成本的60-70%。以上成本估值还需要除
以0.6-0.7，才是单体电池的实际成本。从计算结果来看，金属锂离子电池的成本相对于锂离子电池，还可以进一步下降到甚至低于铅酸电池的程度。
表9100Ah电芯原材料成本
Table 9The cost of raw materials of 100Ah batteries
品名规格单价/元·公斤-1品名单价/元·公斤-1炭黑（正极）Super P 35 LMO 36 油系粘结剂（正极）PVDF 200 Li-rich 92 铝箔0.02*500mm 28 LNM 84
隔膜 5 NCM 132
电解液六氟磷酸锂50 LFP 80
硅碳负极300 NCA 140 炭黑（负极）Super P 35 LCO 165 水系粘结剂（负极）LA132 40 金属锂500 铜箔0.01*500mm 85
图4锂离子电池电芯成本估算
Fig.4Cost of Li-ion battery cell (core parts in the cell)
6综合技术指标
电池的应用需要考虑综合技术指标，单一追求能量密度是不够的。还应关注功率密度、充电速率、循环寿命、服役年限、能量效率、安全性指数、单体电池成本等其他技术指标，这些指标是衡量电池性能“优劣”的主要因素，电池能够应用与否取决于某项技术指标能否满足应用的最低要求，这称之为“木桶效应”。锂离子电池的应用领域主要为纯电动汽车、消费电子产品、混合动力汽车以及大规模储能。不同应用领域，对锂离子电池各个性能指标的要求不尽相同，图5a展示了不同应用领域主要技术指标的蜘蛛图，示意图上每个指标值
的大小，即为该指标的标签值与对应坐标值的乘积。
对于纯电动汽车技术要求几乎是最高的，要求电池具有较高的能量密度、功率密度，实现快速充电，良好的安全性，长循环寿命和服役寿命。而对于消费电子产品，循环寿命的要求一般3年，1000次即可。对于储能电池，能量密度、功率密度的要求不是直接的，对循环寿命、服役年限、成本要求很高。图5b展示了纯电动汽车各个指标期望值与目前实际值的蜘蛛图，最外面一圈为我们的理想的期望值，内圈为纯电动汽车电池目前水平值，目前的差距还较大，需要开发新的动力电池技术。
新型电池的开发，需要精确了解具体应用需求提出的所有关注技术指标的最低值以及期望的最高值，了解行业内应用的准入门槛、目前最高水准、理论发展的上限等，这样有利于找准产品适合的技术定位和市场定位。
图5锂离子电池综合技术指标蜘蛛图(a)不同应用领域(b)纯电动汽车理想值与实际值
Fig.5Spider diagram of comprehensive index(a)Spider diagram ofdifferent application fields(b)Spider diagram
ofElectric Vehicles' idealvalues and the actual values
7结语
从1990年到现在，电池实际能量密度的提高主要是提高正负极活性物质在电池中的质量比例，降低非活性物质的质量比。技术方面，目前的确还有可能进一步降低隔膜、Cu、Al箔的厚度和质量以及封装材料的质量分数，但挑战非常大。选择新的正负极材料体系，成为提高电池能量密度相对更容易的技术选择。从计算的结果可以看出，采用高容量的硅碳负极，富锂锰基正极，18650电池能量密度可以达到442Wh·kg-1，相应的电芯价格可以降至0.4元/瓦时，能很好地满足纯电动汽车对续航及成本控制的要求。而采用富锂锰基的金属锂离子电池的电芯质量能量密度最高，可以达到649Wh·kg-1，成本可以降到0.2元/瓦时。目前采用液态电解质的可充放金属锂电池存在较大的技术瓶颈，主要是金属锂与液体电解液的化学与电化学副反应，后续固态电池将有望解决这些难题。需要注意的是，提升能量密度的同时还需满足其它性能指标的要求，这需要复杂艰巨的科学与技术的研究，充满挑战，但又富有强大的吸引力。
致谢：感谢北汽新能源俞会根总工提供的EV200的技术数据，感谢宁德时代新能源钟开富博士、东莞振华新能源科技有限公司李树军博士、深圳市优特利电源有限公司孟亚斌博
士、中国电力科学研究院电工与新材料研究所刘道坦博士对本文有益的讨论。
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锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算 吴娇杨，刘品，胡勇胜，李泓 （中国科学院物理研究所，北京，100190） 摘要：锂电池是理论能量密度最高的化学储能体系，估算各类锂电池电芯和单体能达到的能量密 度，对于确定锂电池的发展方向和研发目标，具有积极的意义。本文根据主要正负极材料的比容 量、电压，同时考虑非活性物质集流体、导电添加剂、粘结剂、隔膜、电解液、封装材料占比，计算了不同材料体系组成的锂离子电池和采用金属锂负极、嵌入类化合物正极的金属锂离子电池 电芯的预期能量密度，并计算了18650型小型圆柱电池单体的能量密度，为电池发展路线的选择 和能量密度所能达到的数值提供参考依据。同时指出，电池能量密度只是电池应用考虑的一个重 要指标，面向实际应用，需要兼顾其它技术指标的实现。 关键词：锂离子电池；金属锂离子电池；能量密度；18650电池；电芯 中图分类号：O O646.21文献标志码：A 文章编号： Calculation on energy densities of lithium ion batteries and metallic lithium ion batteries WU Jiaoyang，Liu pin, HU Yongsheng, LI Hong (Institute of Physics, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China) Abstract:Lithiumbatteries have the highest theoretical energy densities among all electrochemical energy storage devices. Prediction of the energy density of the different lithium ion batteries (LIB) and metallic lithium ion batteries (MLIB) is valuable for understanding the limitation of the batteries and determine the directions of R&D. In this research paper, the energy densities of LIB and MLIB have been calculated. Ourcalculation includes the active electrode materials and inactive materials inside the cell.For practical applications, energy density is essential but not the only factor to be considered, other requirements on the performances have to be satisfied ina balanced way. Key words：lithiumion batteries; metal lithium ion batteries; energy densitycalculation;18650 cell; batteries core 收稿日期：；修改稿日期：。 基金项目：国家自然科学基金杰出青年基金项目（51325206），国家重点基础研究发展计划（973）项目（2012CB932900）。第一作者：吴娇杨（1988-），女, 博士研究生，研究方向锂离子电池电解质E-mail：wujiaoyang8@https://www.doczj.com/doc/1410959496.html,；通讯联系人：李泓， 研究员，研究方向为固体离子学与锂电池材料，E-mail：hli@https://www.doczj.com/doc/1410959496.html,。
电池常用术语：能量密度和功率密度 (2010-06-21 10:52:38) 分类：储能 标签： 电池 在谈及电池的时候，能量密度和功率密度是两个经常提到的量 能量密度（Wh/kg)指的是的单位重量的电池所储存的能量是多少，1Wh等于3600焦耳（J)的能量。 功率密度（W/kg)指的是单位重量的电池在放电时可以以何种速率进行能量输出。 能量密度是由电池的材料特性决定的，普通铅酸电池的能量密度约为40Wh/kg，常用的电动两轮车用铅酸电池包为48V，10Ah, 储能480Wh,所以可以简单估计这种电池包的重量至少在12kg以上。 铅酸电池的能量密度是比较低的，所以无法用作电动汽车的动力源，因为如果使用铅酸电池驱动家用汽车行驶200km以上，需要将近1吨的电池，这个重量太大了，无法达到实用，当然铅有毒也是一个方面原因，铅酸电池的循环性能也比较差，但是我们可以看到，仅丛能量密度上就可以判断出铅酸电池不能作为纯电动汽车的动力源 目前比较热的锂离子电池的能量密度约在100～150Wh/kg左右，这个值比铅酸电池高出2～3倍，且锂离子电池的循环性要远远高于铅酸电池，所以目前锂离子电池是开发电动汽车的首选电池。 功率密度也是由材料的特性决定的，并且功率密度和能量密度没有直接关系，并不是说能量密度越高功率密度就越高，用专业的术语来说，功率密度其实描述的是电池的倍率性能，即电池可以以多大的电流放电，功率密度对于电池开发以及电动车开发而言非常重要，如果功率密度高，则电动车在加速的时候就会非常快，普通的铅酸电池的功率密度一般只有几十～数百瓦特/千克，这是一个非常低的
值，表明铅酸电池的高倍率放电性能较差，而锂离子电池目前的功率密度可以达到数千瓦特/千克。 值得指出的是，能量密度和功率密度都是一个会变化的量，电池在使用多次以后能量密度会降低（电池容量衰减），功率密度也会下降，并且这两个量也是随着环境的变化而变化的，比如在极为寒冷或炎热的季节中它们都会发生一定程度的变化（一般是减少）。 目前还没有任何一种电池的能量密度可以达到实用化的驱动电动汽车具有几百公里的续航里程。提高电池的能量密度也是目前电池研发中的重中之重，在安全性得到解决的前提下，如果电池的能量密度可以达到300～400Wh/kg的话，就具备了和传统燃油机车较量续航里程的资本，但是电池还有一个知名的问题就是寿命，电池的能量密度会随着电池的使用而衰减，并且这种衰减并非是线型的，而可能是突然的降低，所以，在开发车用电池的时候，循环性同样是决定性的因素。
能量密度和功率密度 Prepared on 22 November 2020
电池常用术语：能量密度和功率密度 (2010-06-2110:52:38) 标签：分类： 在谈及电池的时候，能量密度和功率密度是两个经常提到的量 能量密度（Wh/kg)指的是的单位重量的电池所储存的能量是多少，1Wh等于3600焦耳（J)的能量。 功率密度（W/kg)指的是单位重量的电池在放电时可以以何种速率进行能量输出。 能量密度是由电池的材料特性决定的，普通铅酸电池的能量密度约为40Wh/kg，常用的电动两轮车用铅酸电池包为48V，10Ah,储能480Wh,所以可以简单估计这种电池包的重量至少在12kg以上。 铅酸电池的能量密度是比较低的，所以无法用作电动汽车的动力源，因为如果使用铅酸电池驱动家用汽车行驶200km以上，需要将近1吨的电池，这个重量太大了，无法达到实用，当然铅有毒也是一个方面原因，铅酸电池的循环性能也比较差，但是我们可以看到，仅丛能量密度上就可以判断出铅酸电池不能作为纯电动汽车的动力源 目前比较热的锂离子电池的能量密度约在100～150Wh/kg左右，这个值比铅酸电池高出2～3倍，且锂离子电池的循环性要远远高于铅酸电池，所以目前锂离子电池是开发电动汽车的首选电池。 功率密度也是由材料的特性决定的，并且功率密度和能量密度没有直接关系，并不是说能量密度越高功率密度就越高，用专业的术语来说，功率密度其实描述的是电池的倍率性能，即电池可以以多大的电流放电，功率密度对于电池开发以及电动车开发而言非常重要，如果功率密度高，则电动车在加速的时候就会非常快，普通的铅酸电池的功率密度一般只有几十～数百瓦特/千克，这是一个非常低的值，表明铅酸电池的高倍率放电性能较差，而锂离子电池目前的功率密度可以达到数千瓦特/千克。 值得指出的是，能量密度和功率密度都是一个会变化的量，电池在使用多次以后能量密度会降低（电池容量衰减），功率密度也会下降，并且这两个量也是随着环境的变化而变化的，比如在极为寒冷或炎热的季节中它们都会发生一定程度的变化（一般是减少）。 目前还没有任何一种电池的能量密度可以达到实用化的驱动电动汽车具有几百公里的续航里程。提高电池的能量密度也是目前电池研发中的重中之重，在安全性得到解决的前提下，如果电池的能量密度可以达到300～400Wh/kg的话，就具备了和传统燃油机车较量续航里程的资本，但是电池还有一个知名的问题就是寿命，电池的能量密度会随着电池的使用而衰减，并且这种衰减并非是线型的，而可能是突然的降低，所以，在开发车用电池的时候，循环性同样是决定性的因素
浅析提高锂电池能量密度的三方法 锂离子电池的诞生可以说是储能领域的一场革命，锂离子电池的广泛应用彻底的改变了我们的生活，轻便的手机、笔记本电脑，长续航的电动汽车等等，我们的生活已经与锂离子电池紧紧的捆绑在了一起，很难相信如果我们失去了像锂离子电池这样便捷、高效的储能电池后我们的生活会变成什么样。 随着锂离子电池技术的不断发展，我们也对锂离子电池的性能提出了更高的要求，我们希望锂离子电池更小、更轻便、储能更多，这些诉求也在推动着锂离子电池研究工作不断前进。从电池结构和新材料、新体系的采用，可爱的锂离子电池研究者们不断尝试各种方法提高锂离子电池能量密度的方法。 1.结构设计 提高锂离子电池的比能量从结构上讲，要提高正负极活性物质在锂离子电池中所占的比例。锂离子电池主要由正负极活性物质、隔膜、铜箔、铝箔和壳体及结构件等部分组成，其中真正能够为锂离子电池提供容量的只有活性物质，因此提高活性物质在锂离子电池中所占的比重才是最有效的提高锂离子电池手段。例如最近特斯拉在大力推动的21700电池，就是通过使用直径更大的电芯(21mm)，增加电芯的高度(70mm)提高活性物质占比，减少结构件等非活性材料的比重，提高锂离子电池的比能量，降低单位瓦时成本。此外软包电池也是减少结构件重量的有效方法，通过使用铝塑膜代替传统的钢制外壳，可以极大的减少结构件在锂离子电池中所占的比重。 除了增大锂离子电池的直径，另外一个有效提高锂离子电池比能量的方法是减少隔膜的厚度，目前常见的PP-PE-PP三层复合隔膜的厚度一般达到30um以上，达到正负极极片的
厚度的20%左右，这也造成了严重的空间浪费，为了减少隔膜所占的空间，目前广大锂离子电池厂家普遍采用带有涂层的薄隔膜，这些隔膜的厚度可达到20um以下，可以在保证锂离子电池安全的前提下，显著的减少隔膜所占的体积比例，提高活性物质占比，提高锂离子电池比能量。 另外的一种增加活性物质比例的方法是从电池的生产工艺的角度入手，首先是增加活性物质在电极中占比。一般锂离子电池的电极主要由四大部分组成，活性物质、导电剂、粘结剂和集流体组成，为了提高活性物质比例，就需要降低其他部分的比例，通过采用新型导电剂、粘结剂从而减少导电剂和粘结剂的比例，采用更薄的集流体来减少非活性物质的所占的比例。其次，需要提高正负极的涂布量，但是提高电极的涂布量还面临的一个问题：当电极过厚时会造成电极的Li+扩散动力学条件变差，影响锂离子电池的倍率和循环性能，为了解决这一问题德国卡尔斯鲁厄理工学院的Boris Bitsch等[1]利用毛细悬浊液和多层电极工艺制备了具有梯度孔隙率的高性能厚电极。在靠近铜箔的低层，Boris Bitsch等采用了普通浆料，使得其具有较低的孔隙率和良好的导电性，而在远离铜箔的表层，Boris Bitsch 则采用了毛细悬浊液浆料，并向其中添加了1-辛醇，使其孔隙率明显增加，改善了电极的动力学条件，从而使得该电极的孔隙率自下而上呈现出逐渐增加的特性，显著改善了厚电极的动力学条件，提高了厚电极的电化学性能，从而实现了在提高电池重量和体积比能量的同时不降低电池的循环性能。 提高锂离子电池比能量的另外一个重要的方法就是控制电解液的数量，减少电解液的数量可以有效的提高锂离子电池的能量密度。电解液在锂离子电池内部起到一个媒介的作用，正负极的Li+通过电解液进行扩散，因此电解液理论上来讲是一种“非消耗品”，只要有少量的电解液保证Li+在正负极之间自由扩散就行了，但是实际上由于在化成过程中SEI 膜的形成导致电解液分解，以及在循环过程中SEI膜破坏和正极氧化等原因造成的电解液分解，导致电解液在实际上是持续消耗的，因此电池内的电解液一般而言都是过量的，这也是
一、锂电池与锂离子电池 锂电池的特点 1、具有更高的能量重量比、能量体积比； 2、电压高，单节锂电池电压为3.6V,等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压； 3、自放电小可长时间存放，这是该电池最突出的优越性； 4、无记忆效应。锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无 需放电； 5、寿命长。正常工作条件下，锂电池充/放电循环次数远大于500次； &可以快速充电。锂电池通常可以采用 0.5?1倍容量的电流充电，使充电时间缩短至1?2小时； 7、可以随意并联使用； 8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代最先进的绿色电池； 锂离子电池具有以下优点： 1、电压高，单体电池的工作电压高达 3.6-3.9V，是Ni-Cd、Ni-H电池的3倍 2、比能量大，目前能达到的实际比能量为 100-125Wh/kg和240-300Wh/L （2倍于Ni-Cd，1.5倍于Ni-MH ），未来随着技术发展，比能量可高达150Wh/kg和 400 Wh/L 3、循环寿命长，一般均可达到500次以上，甚至1000次以上.对于小电流放电的电器，电池的使用期限将倍增电器的竞争力. 4、安全性能好，无公害，无记忆效应.作为Li-ion前身的锂电池，因金属锂易形成枝晶发生短路，缩减了其应用领域：Li-ion中不含镉、铅、汞等对环境有污染的元素：部分工艺（如烧结式）的Ni-Cd电池存在的一大弊病为记忆效应”严重束缚电池的使用，但Li-ion根本不存在这方面的问题。 5、自放电小，室温下充满电的Li-ion储存1个月后的自放电率为10%左右，大大低于 Ni-Cd 的 25-30%, Ni、MH 的 30-35%。
我国各企业锂电池能量密度现状一览 根据《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400 Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。目前，我国各企业生产锂电池能量密度达到什么水平了呢？ 根据《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。目前，我国各电池动力锂电池能量密度达到什么水平了呢？ 比亚迪：目前，比亚迪磷酸铁锂电池的单体能量密度为150Wh，而接下来比亚迪计划将能量密度继续提升到160Wh。除了磷酸铁锂电池，比亚迪也在同步开发三元锂电池，而如果将三元锂电池的技术结合到磷酸铁锂电池上，对原有用石墨作为负极材料的做法进行一些调整，那么在2020年左右，比亚迪计划将磷酸铁锂电池的单体能量密度提升到200Wh。
另外，在跟进的三元电池方面，比亚迪的三元电池已经具备量产条件，目前能量密度也达到了200Wh/kg。比亚迪三元电池的目标是2018年电池比能量达到240Wh/kg，2020年达到300Wh/kg。 沃特玛：生产的32650圆柱型动力磷酸铁锂电池，单体能量密度已经达到145Wh/kg，下一步目标是实现160Wh/kg；三元电池目前能量密度为200Wh/kg，预计到2020年达到300Wh/kg的水平。国能电池：早在2013年，国能磷酸铁锂和三元电池单体能量密度就达到了160Wh/kg和200Wh/kg。预计2017年年底，磷酸铁锂电池单体能量密度将达到180Wh/kg、PACK达到134Wh/kg，三元电池能量密度将突破240Wh/kg。 捷威动力：在能量密度方面，公司目前已经量产的三元软包电池单体比能量达210WH/Kg。在提高电池安全性的基础上，预计2020年公司软包电池单体能量密度可达300WH/Kg，Pack成组后可达220WH/Kg；钛酸锂电池单体能量密度达到110WH/Kg以上。 智慧能源：公司量产的动力电池单体能量密度可达220Wh/Kg，PACK成组后能量密度达到140Wh/Kg。同时，公司BMS系统可做到5级防护，电池包采用轻量化材料，并进行了结构优化。 比克电池：2016年，比克三元材料动力电池行业占比30%以上，位列第一。目前比克单体电芯能量密度近220Wh/kg，后续还将进一步提升至300Wh/kg。 卡耐新能源：卡耐新能源已经可以批量供应能量密度220Wh/kg电芯，系统比能量大于130Wh/kg电芯，同时工艺和技术层面已经分
锂离子电池能量密度大揭秘 根据木桶理论，水位的高低决定于木桶最短处，锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料。 是什么决定了新能源汽车的续航里程？新能源汽车的续航主要取决于可用电量和整车能耗。 续航能力↑=可用电量↑÷能耗↓ 在相同能耗不变，电池包体积和重量不变都受到严格限制的情况下，新能源汽车的单次最大行驶里程主要取决于电池的能量密度。 能量密度有哪些小秘密呢？ 什么是能量密度？ 能量密度（Energy density）是指在单位一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度一般分重量能量密度和体积能量密度两个维度。 电池重量能量密度=电池容量×放电平台/重量，基本单位为Wh/kg（瓦时/千克）。 电池体积能量密度=电池容量×放电平台/体积，基本单位为Wh/L（瓦时/升）。 电池的能量密度越大，单位体积、或重量内存储的电量越多。 什么是单体能量密度？ 电池的能量密度常常指向两个不同的概念，一个是单体电芯的能量密度，一个是电池系统的能量密度。 电芯是一个电池系统的最小单元。M 个电芯组成一个模组，N 个模组组成一个电池包，这是车用动力电池的基本结构。 单体电芯能量密度，顾名思义是单个电芯级别的能量密度。 根据《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg;2025年，电池能量密度达到400Wh/kg;2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。这里指的就是单个电芯级别的能量密度。 什么是系统能量密度？
系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。因为电池系统内部包含电池管理系统，热管理系统，高低压回路等占据了电池系统的部分重量和内部空间，因此电池系统的能量密度都比单体能量密度低。 系统能量密度=电池系统电量/电池系统重量OR电池系统体积 什么限制了电池的能量密度？ 究竟是什么限制了锂电池的能量密度？电池背后的化学体系是主要原因难逃其咎。 一般而言，锂电池的四个部分非常关键：正极，负极，电解质，膈膜。正负极是发生化学反应的地方，相当于任督二脉，重要地位可见一斑。 我们都知道以三元锂为正极的电池包系统能量密度要高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统。这是为什么呢？ 现有的锂离子电池负极材料多以石墨为主，石墨的理论克容量372mAh/g。正极材料磷酸铁锂理论克容量只有160mAh/g，而三元材料镍钴锰（NCM）约为200mAh/g。 根据木桶理论，水位的高低决定于木桶最短处，锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料。 磷酸铁锂的电压平台是3.2V，三元的这一指标则是3.7V，两相比较，能量密度高下立分：16%的差额。 当然，除了化学体系，生产工艺水平如压实密度、箔材厚度等，也会影响能量密度。一般来说，压实密度越大，在有限空间内，电池的容量就越高，所以主材的压实密度也被看做电池能量密度的参考指标之一。 如果你能坚持每行读下来一直读到这里。恭喜，你对电池的理解已经上了一个层次。 如何提高能量密度呢？ 新材料体系的采用、锂电池结构的精调、制造能力的提升是研发工程师“长袖善舞”的三块舞台。下面，我们会从单体和系统两个维度进行讲解。——单体能量密度，主要依靠化学体系的突破 01、增大电池尺寸 电池厂家可以通过增大原来电池尺寸来达到电量扩容的效果。我们最熟悉的例子莫过于：率先使用松下18650电池的知名电动车企特斯拉将换装新款21700电池。
锂离子电池技术发展现状与 趋势
一、文献综述 1、前言 现阶段，日本、韩国、美国等国家引领锂离子动力电池技术的发展。日本的行业技术水平具有领先优势，韩国的动力电池制造能力处于领先地位，美国则具有引领前沿的科研能力。 2、国外发展现状 2·1日本 2·11 2009年，日本政府推出了RISING计划(创新型蓄电池尖端科学基础研究事业)和U～EAD项目(汽车用下一代高性能电池系统)，并于2013年更新了动力电池技术发展路线图(RM2013)，具体指标有2020年电池的续航里程实现250～350km·电池系统总电量达到25～35kW·h，电池能量密度实现250Wh· kg-1，功率密变达到1500W·kg-1，循环寿命达到1000-1500次，价格成本降低到2万日元/W·h。RM2013指明了电极材料的发展方向，正极材料要发展xLiMn03·(1～x)LiMO2(M=Ni，Co，Mn，0≤x≤1)、LizMSi0s、LiNiosMn1s04、LiCnP04、Li2MSO·F、LiMO2(M=Ni，Co，Mn)；负极材料要发展Sn～CoC合金，Si基负极包括Si/C和Si0，以及Si基合金。 2·12日本具有代表性的锂离子动力电池企业为松下电池公司。松下是动力电池行业的领导者，作为Tesla最主要的动力电池供应商，凭借Tesla的发展稳居市场领导者地位，全球市场份额在20%左右。目前松下电池主要给ModelS和MndelX提供18650圆柱电池，正极采用镍钴铝三元材料(NCA)，负极使用硅碳复合材料，单体能量密度可达252Wh·kg-1，而即将使用在Mode13上的21700圆柱形电池单体能量密度更是提高到300Wh·kg-1·是目前行业内能量密度最高的电池。 2·2韩国 2·21 2011年，韩国启动了包含锂离子电池关键材料、应用技术研究、评价及测试基础设施以及下一代电池研究的二次电池技术研发项目。LG化学和三星SDI是具有代表性的韩国锂离子动力电池企业，也是动力电池领域的后起之秀，两者凭借先
研究人员发现在锂电池中的Li2CO3根据锂空气电池中电解质的介电性能(dielectric properties)，能够选择性地作为放电反应的最终产物。此外Li2CO3在锂-氧气/二氧化碳电池循环中能够发生可逆反应。 锂空气电池的最高理论能量密度约为3500瓦时/千克，是下一代电动车能量储存系统的良好动力源(600405,股吧)，可使电动车实现更长的形式里程。锂空气电池的结构基于一对夹层电极(intercalation electrode)。在充电时，锂离子从阴极移动至电解液然后插进阳极;放电时，该过程逆转。 研究者表示，这项发现非常重要，因为在含有二氧化碳的环境中，锂空气电池中Li2CO3的形成是不可避免的，然而目前发现了可以促使其发生可逆反应的物质，可使电池的循环性能更稳定。 发现在锂电池中的Li2CO3根据锂空气电池中电解质的介电性能(dielectric properties)，能够选择性地作为放电反应的最终产物。此外Li2CO3在锂-氧气/二氧化碳电池循环中能够发生可逆反应。 锂空气电池的最高理论能量密度约为3500瓦时/千克，是下一代电动车能量储存系统的良好动力源(600405,股吧)，可使电动车实现更长的形式里程。锂空气电池的结构基于一对夹层电极(intercalation electrode)。在充电时，锂离子从阴极移动至电解液然后插进阳极;放电时，该过程逆转。
研究者表示，这项发现非常重要，因为在含有二氧化碳的环境中，锂空气电池中Li2CO3的形成是不可避免的，然而目前发现了可以促使其发生可逆反应的物质，可使电池的循环性能更稳定。 发现在锂电池中的Li2CO3根据锂空气电池中电解质的介电性能(dielectric properties)，能够选择性地作为放电反应的最终产物。此外Li2CO3在锂-氧气/二氧化碳电池循环中能够发生可逆反应。 锂空气电池的最高理论能量密度约为3500瓦时/千克，是下一代电动车能量储存系统的良好动力源(600405,股吧)，可使电动车实现更长的形式里程。锂空气电池的结构基于一对夹层电极(intercalation electrode)。在充电时，锂离子从阴极移动至电解液然后插进阳极;放电时，该过程逆转。 研究者表示，这项发现非常重要，因为在含有二氧化碳的环境中，锂空气电池中Li2CO3的形成是不可避免的，然而目前发现了可以促使其发生可逆反应的物质，可使电池的循环性能更稳定。 发现在锂电池中的Li2CO3根据锂空气电池中电解质的介电性能(dielectric properties)，能够选择性地作为放电反应的最终产物。此外Li2CO3在锂-氧气/二氧化碳电池循环中能够发生可逆反应。 锂空气电池的最高理论能量密度约为3500瓦时/千克，
电池系统的能量密度 前段时间，有个老外同事聊起这个话题，问了几个问题，如下：1L汽油和1L锂电池让汽车可以跑多少的距离？ 这个问题其实很有趣啊，锂电池系统就像一个油箱一样的，本身用的是电，但是占用的体积，可以使用这种方法来估量。 汽油vs电池能量密度的数据，在Wiki上使用是这样的： MJ与Kwh的换算是1 MJ = 0.277778 kwh; 1 kwh = 3.6 MJ,因此可以得到约为：汽油的质量能量密度为12330Wh/kg，体积能量密度为9000Wh/L，当然由于内燃机效率的问题，其本身就有很大的损失，其效率传递是完全不同的，按
照下图的看法发动机内部的能量损失为68%，只有32%得到利用了；电池的话，以损失10%，剩余90%计。 为了进一步梳理，我将电气化车辆数据进行整理，然后进行了对比，如下： 这样兑换下来，折算相对质量能量密度和体积质量密度分别为：
1.4000 Wh/kg 对手最高的是120Wh/kg，质量就没话说了，当然也要计算 油箱什么的重量，算加成系数50%。2000 vs 120 ，9倍的差距。 2.3000 Wh/L 对手最高的是205Wh/L，只算电池当然是不公平的，因为整 个电气化系统对引擎的话，体积是要小不小的，算个总体的话，再加个系数50%。 1500 vs 205，差距为7倍。 从上表可以看出来很多的东西： 1.现阶段直接对标，纯电动对燃油车，肯定是很困难的 2.目前主流OEM转向插电式，是折损了每千瓦的英里数的从 3.5跌倒了2. 3左右 3.做新能源汽车，是需要其他的技术，如轻量化来辅助的，光是靠电气化那 点效率和体积的改进，抵不住电池本身的限制 注：EPA测试的时候用高速工况、US06和城市工况叠加处理，比NEDC更能反应实际的情况的，我现在取的数据基本都是EPA评价的，厂家给的水分有点大。
锂电池 一、电芯使用种类 (2) 二、电芯分类 (3) ２.１从外形区分：方形电池和圆柱形电池； (3) ２.２锂电池外包材料区分： (3) ２.３从用途上区分： (3) ２.３.１从使用场合来区分： (3) ２.３.２从结构上区分： (3) ２.３.３从20℃放电容量倍率区分： (3) ２.４从正负极材料区分： (3) ２.４.１、三元材料： (3) ２.４.２磷酸铁锂： (4) ２.４.３钛酸锂： (4) 三、电芯 (4) ３.１化学背景 (4) 3.1.1电池与燃料背后的简单化学 (5) 3.2电芯的的电解液问题 (6) 3.3电芯的负极表面材料 (7) 3.4电芯的正极表面材料 (10) 3.5电芯的选材问题 (11) 3.6电芯前沿技术 (11)
一、电芯使用种类 目前亿能电子电池包所选的锂电池电芯有三星、东芝、力神、亿纬、国轩高科、CATL 等等。 容量：在25℃，最小放电容量 放电能量：在25℃，最小放电能量 脉冲电流：在25℃，50%SOC条件下，最大放电电流 寿命：在25℃，情况下可循环 1C恒流放电，80%DOD，每第25次放电100%DOD。
亿纬56AH寿命条件：标准充电结束后，搁置30min后，在（23±5）℃环境下，以0.5C恒流放电至终止电压后，再进行下一个循环，至容量衰减为初始容量的80%止，所完成的循环次数定义为该电池的循环寿命。 亿纬75AH寿命条件：标准充电结束后，搁置30min后，在（23±5）℃环境下，以0.33C恒流放电至终止电压后，再进行下一个循环，至容量衰减为初始容量的80%止，所完成的循环次数定义为该电池的循环寿命。 二、电芯分类 ２.１从外形区分：方形电池和圆柱形电池； ２.２锂电池外包材料区分：铝壳锂电池，钢壳锂电池，软包电池； ２.３从用途上区分：能量型电池和功率型电池； ２.３.１从使用场合来区分： 能量型电池：以高能量密度为特点，主要用于高能量输出的蓄电池。比方说：汽车动力电池； 功率型电池：一高功率输出为特点，主要用于瞬间高功率输出和输入的电池。比方说汽车启动、制动能量回收； ２.３.２从结构上区分： 能量型电池：对于能量型电池，放电的倍率较小，那么在综合考虑内阻和容量的时候可以把容量排在前面，当然在增大容量的过程中也要尽可能地减小内阻。在极耳的选取上，能量型的可以相对薄。极耳越薄，电池的容量就会减大。在涂敷的厚度上，能量型的电池极片要涂得厚些，活性物质粘接附着力变大，回到正极的锂离子变多容量增大； 功率型电池：对于功率型电池，放电的倍率较大，那么在综合考虑内阻和容量的时候可以把内阻排在前面。在极耳的选取上，高功率型的电池极耳要厚些。极片越厚，电池的极耳的阻值就会减小，过流面积会增大。在涂敷的厚度上，高功率型的电池极片要涂得薄些，这样锂离子和电子在电阻相对较大的电极活性物质上迁移的距离小，总内阻减小，可以支持大电流，以达到高功率的要求； ２.３.３从20℃放电容量倍率区分： 能量型电池：按照厂家提供的专用规程进行充电。若厂家未提供充电器，在20℃±5℃条件下，蓄电池以1/3C电流放电，至蓄电池电压达到3.0V（或企业技术条件中规定的放电或终止电压）时停止放电，静置1h，然后在20℃±5℃条件下以1/3恒流充电，至蓄电池电压达4.2V（或企业技术条件中规定的放电或终止电压）时转恒压充电，至充电电流降至1/30C时停止充电。充电后静置1h，在20℃±5℃条件下以1.5C电流放电，直到放电终止电压3.0V或企业极柱条件中规定的放电终止电压。此时的放电容量不低于额定值的90%； 功率型电池：按照厂家提供的专用规程进行充电。若厂家未提供充电器，在20℃±5℃条件下，蓄电池以1/3C电流放电，至蓄电池电压达到3.0V（或企业技术条件中规定的放电或终止电压）时停止放电，静置1h，然后在20℃±5℃条件下以1/3恒流充电，至蓄电池电压达4.2V（或企业技术条件中规定的放电或终止电压）时转恒压充电，至充电电流降至1/30C时停止充电。充电后静置1h，在20℃±5℃条件下以4C电流放电，直到放电终止电压3.0V或企业极柱条件中规定的放电终止电压。此时的放电容量不低于额定值的80%； ２.４从正负极材料区分：三元材料、钛酸锂材料、磷酸铁锂材料 ２.４.１、三元材料：
揭秘！锂电池制造工艺全解析 锂电池结构 锂离子电池构成主要由正极、负极、非水电解质和隔膜四部分组成。目前市场上采用较多的锂电池主要为磷酸铁锂电池和三元锂电池，二者正极原材料差异较大，生产工艺流程比较接近但工艺参数需变化巨大。若磷酸铁锂全面更换为三元材料，旧产线的整改效果不佳。对于电池厂家而言，需要对产线上的设备大面积进行更换。 锂电池制造工艺 锂电池的生产工艺比较复杂，主要生产工艺流程主要涵盖电极制作的搅拌涂布阶段（前段）、电芯合成的卷绕注液阶段（中段），以及化成封装的包装检测阶段（后段），价值量（采购金额）占比约为（35~40%）:（30~35）%:（30~35）%。差异主要来自于设备供应商不同、进口/国产比例差异等，工艺流程基本一致，价值量占比有偏差但总体符合该比例。 锂电生产前段工序对应的锂电设备主要包括真空搅拌机、涂布机、辊压机等；中段工序主要包括模切机、卷绕机、叠片机、注液机等；后段工序则包括化成机、分容检测设备、过程仓储物流自动化等。除此之外，电池组的生产还需要Pack 自动化设备。 锂电前段生产工艺 锂电池前端工艺的结果是将锂电池正负极片制备完成，其第一道工序是搅拌，即将正、负极固态电池材料混合均匀后加入溶剂，通过真空搅拌机搅拌成浆状。配料的搅拌是锂电后续工艺的基础，高质量搅拌是后续涂布、辊压工艺高质量完成的基础。 涂布和辊压工艺之后是分切，即对涂布进行分切工艺处理。如若分切过程中产生毛刺则后续装配、注电解液等程序、甚至是电池使用过程中出现安全隐患。因此锂电生产过程中的前端设备，如搅拌机、涂布机、辊压机、分条机等是电池制造的核心机器，关乎整条生产线的质量，因此前端设备的价值量（金额）占整条锂电自动化生产线的比例最高，约35%。 锂电中段工艺流程 锂电池制造过程中，中段工艺主要是完成电池的成型，主要工艺流程包括制片、极片卷绕、模切、电芯卷绕成型和叠片成型等，是当前国内设备厂商竞争比较激烈的一个领域，占锂电池生产线价值量约30%。 目前动力锂电池的电芯制造工艺主要有卷绕和叠片两种，对应的电池结构形式主要为圆柱与方形、软包三种，圆柱和方形电池主要采用卷绕工艺生产，软包电池则主要采用叠片工艺。圆柱主要以18650和26650为代表（Tesla单独开发了21700电池、正在全行业推广），方形与软包的区别在于外壳分别采用硬铝壳和铝塑膜两种，其中软包主要以叠片工艺为主，铝壳则以卷绕工艺为主。 软包结构形式主要面向中高端数码市场，单位产品的利润率较高，在同等产能条件下，相对利润高于铝壳电池。由于铝壳电池易形成规模效应，产品合格率及成本易于控制，目前二者在各自市场领域均有可观的利润，在可以预见的未来，二者都很难被彻底取代。 由于卷绕工艺可以通过转速实现电芯的高速生产，而叠片技术所能提高的速度有限，因此目前国内动力锂电池主要采用卷绕工艺为主，因此卷绕机的出货量目前大于叠片机。 卷绕和叠片生产对应的前道工序为极片的制片和模切。制片包括对分切后的极片/极耳焊接、极片除尘、贴保护胶纸、极耳包胶和收卷或定长裁断，其中收卷极片用于后续的全自动卷绕，定长裁断极片用于后续的半自动卷绕；冲切极片是将分切后的极片卷绕冲切成型，用于后续的叠片工艺。
电动汽车动力电池“能量密度” 纯电动车电池的能量密度高低有多重要？ 这似乎就像在讨论心脏的跳动对于人体有多重要一般，一纯电动车，或者说的更标准一点，一辆电池动力车的性能、续航里程、可靠性都取决于其电池包内的电池数量以及单节电池内的能量密度。这个公式很好理解：总电量=电池数量×单节电池能量密度。 而现代汽车的结构设计其实已经很死板了，留给电池组的空间也就那么一点，大部分车型都集中在坐舱地板下方，当然这也是出于安全性和空间性的考虑。 所以说，电池数量已经被限制在某一个区间内，无法大幅提升。想要增强电池车性能，唯有在能量密度上做文章。 首先，什么是电池能量密度？ 能量密度（Energydensity）是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池能量密度=电池容量×放电平台/电池厚度/电池宽度/电池长度，基本单位为Wh/kg（瓦时/千克）。 电池的能量密度越大，单位体积内存储的电量越多。 △圆柱形锂电池结构图 关于电池能量密度，现在我们都知道了它俨然是目前电池行业，甚至是电动汽车行业向前大跨步的最明显的突破口，但是突破它，真的是很难啊！ △典型电池设计非活性物质(除引线等)的占比 据悉，电池的能量密度基本由电池的正负极决定的，但只是正负极活性材料也不能保证电池能发上电，得有很多非活性物质，比如导电辅助剂、活性粉末之间的粘结剂、隔离膜、阴阳极的箔材、绝缘固定的胶纸、铝塑膜壳或者钢铝壳等等。 我们中大部分人总是有意无意的忽略这部分物质的含量，得出的能量密度与事实相差较大，误导吃瓜群众。其实，这部分相当重要，就拿过去十几年的技术进步来说，电池能量密度的提升主要就是靠着活性物质占比的提升来实现的。 △能量密度的变化与预测 除了提升活性物质占比，还有不少公司和企业在电池轻量化上下功夫。通过辅材（钢壳、箔材）轻量化技术和电芯空间利用率优化设计，来提升电池的能量密度，但是这种做法是有一定风险的。相对会牺牲一点单体电池在设计上的安全性和一
动力电池能量密度解析 导读：是什么决定了新能源汽车的续航里程？新能源汽车的续航主要取决于可用电量和整车能耗。 续航能力↑=可用电量↑÷能耗↓ 在相同能耗不变，电池包体积和重量不变都受到严格限制的情况下，新能源汽车的单次最大行驶里程主要取决于电池的能量密度。 图1 电池包系统在整车中的布局 一、什么是能量密度？ 能量密度(Energydensity)是指在单位一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度一般分重量能量密度和体积能量密度两个维度。 电池重量能量密度=电池容量×放电平台/重量，基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)电池体积能量密度=电池容量×放电平台/体积，基本单位为Wh/L(瓦时/升)电池的能量密度越大，单位体积、或重量内存储的电量越多。 二、什么是单体能量密度？ 电池的能量密度常常指向两个不同的概念，一个是单体电芯的能量密度，一个是电池系统的能量密度。电芯是一个电池系统的最小单元。M个电芯组成一个模组，N个模组组成一个电池包，这是车用动力电池的基本结构。 图2 动力电池系统构造示意图 单体电芯能量密度，顾名思义是单个电芯级别的能量密度。根据《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到 500Wh/kg。这里指的就是单个电芯级别的能量密度。
三、什么是系统能量密度？ 系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。因为电池系统内部包含电池管理系统，热管理系统，高低压回路等占据了电池系统的部分重量和内部空间，因此电池系统的能量密度都比单体能量密度低。 系统能量密度=电池系统电量/电池系统重量OR电池系统体积 四、究竟是什么限制了锂电池的能量密度？ 电池背后的化学体系是主要原因难逃其咎。一般而言，锂电池的四个部分非常关键：正极，负极，电解质，膈膜。正负极是发生化学反应的地方，相当于任督二脉，重要地位可见一斑。 图3 方壳电芯结构图 我们都知道以三元锂为正极的电池包系统能量密度要高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统。这是为什么呢？现有的锂离子电池负极材料多以石墨为主，石墨的理论克容量372mAh/g。正极材料磷酸铁锂理论克容量只有160mAh/g，而三元材料镍钴锰(NCM)约为200mAh/g。根据木桶理论，水位的高低决定于木桶最短处，锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料。磷酸铁锂的电压平台是3.2V，三元的这一指标则是3.7V，两相比较，能量密度高下立分：16%的差额。当然，除了化学体系，生产工艺水平如压实密度、箔材厚度等，也会影响能量密度。一般来说，压实密度越大，在有限空间内，电池的容量就越高，所以主材的压实密度也被看做电池能量密度的参考指标之一。在《大国重器II》第四集中，宁德时代采用了6微米铜箔，利用先进的工艺水平，提升了能量密度。如果你能坚持每行读下来一直读到这里。恭喜，你对电池的理解已经上了一个层次。 五、如何提高能量密度呢？ 新材料体系的采用、锂电池结构的精调、制造能力的提升是研发工程师“长袖善舞”的三块舞台。下面，我们会从单体和系统两个维度进行讲解。——单体能量密度，主要依靠化学体系的突破