近些年來，新能源汽車、儲能、通信、數(shù)據(jù)中心等新興領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展，極大地推動了大容量鋰離子電池的發(fā)展，各個領(lǐng)域?qū)︿囯x子電池的能量密度提出了更高的要求[1]。

鋰離子電池的活性儲能材料為正負極材料，提高能量密度的辦法關(guān)于正極來說就是提高放電電壓和放電容量。關(guān)于負極材料來說就是高容量和低的平均脫鋰電壓。以提高能量密度為重要發(fā)展目標(biāo)的第三代鋰離子電池中，正負極材料都處于升級換代的階段[2-3]。今后進一步提高能量密度將朝著采用金屬鋰負極的電池發(fā)展。

因此，計算鋰離子電池中的能量密度顯得尤為重要。本文在考慮活性材料和非活性材料的基礎(chǔ)上，計算了不同不包括封裝材料和極耳的電芯的能量密度。然后計算了圓柱形18650單體的能量密度，根據(jù)計算得到預(yù)期能量密度，進一步核算電池成本。

圖11990-2030年鋰離子電池能量密度發(fā)展路線圖

【正文】

一、不同負極材料的鋰離子電池電芯能量密度計算

正負極材料決定了電池能量密度，但是大部分文獻計算能量密度時都是基于單一的活性正極材料質(zhì)量，部分文獻考慮正負極材料的活性材料質(zhì)量之和，忽略了非活性電池材料的質(zhì)量，使得計算結(jié)果與實際偏差較大。

按照文獻[4]的計算方法，計算了常見的正負極鋰電材料能量密度，其容量和電壓如表1和表2所示。最近正極材料的容量正在不斷提高，但是與理論值還有較大差距，最高容量的選擇沒有采用報道中的最高值而是綜合考慮技術(shù)指標(biāo)實現(xiàn)的可行性選擇表1和表2的數(shù)值。達到該值仍有許多問題，如控制體積膨脹、倍率特性、循環(huán)特性等。表3給出除去封裝材料和引線，封裝材料內(nèi)部的非活性材料的典型參數(shù)[4]。

然而，電池形狀各異，本工作中的電芯是指不含封裝材料和引線的所有其他材料，大部分計算是基于電芯的結(jié)果。并且，由于電極涂布的允許厚度、不同形狀的電池、非活性材料特點參數(shù)對計算結(jié)果有某程度上的影響，該表格計算結(jié)果與實際電池會有一定偏差，這與電池制造工藝密切相關(guān)。

圖29(a)-(j)展示了10種不同負極與16中正極材料組合形成的電芯的能量密度的計算結(jié)果。圖2(i)標(biāo)明，Li-rich-300對Si-C-2000的電芯體系，所有的電池體系中具有最高質(zhì)量能量密度584Whkg-2，以及最高的體積能量密度1645WhL-1(不包括封裝材料和極耳)。

表1計算所用正極活性物質(zhì)及其比容量、電壓

表2計算所用負極活性物質(zhì)質(zhì)量及其比容量、電壓

圖2不同負極材料與不同正極材料匹配的電芯能量密度計算(a)石墨;(b)軟碳SC-400;(d)硬碳-250;(e)SiOx-420;(f)SiOx-1000;(g)Si-C-450;(h)Si-C-1000;(j)鈦酸鋰

二、金屬鋰離子電池電芯能量密度計算

以上計算結(jié)果均為負極材料，石墨理論比容量為372mAhg-1[5]，目前可逆容量能達到365mAhg-1，高容量軌跡負極材料可逆容量可達到1000-1500mAhg-1。但在脫嵌鋰過程中存在較大的體積膨脹和收縮，實際容量難以全部發(fā)揮，僅為380-450mAhg-1。相對地，金屬鋰的理論比容量高達3860mAhg-1，即使利用率33%，也有1287mAhg-1，而且可以充當(dāng)鋰源。然而金屬鋰有許多諸如鋰枝晶、孔洞不均勻生長、與電解液持續(xù)副反應(yīng)、體積膨脹問題、循環(huán)過程中界面穩(wěn)定性等安全問題。

考慮到不同電池中金屬鋰容量發(fā)揮可能性不同，本工作計算了金屬鋰?yán)寐史謩e為100%、80%、50%、33%匹配不同正極材料的鋰金屬電池的能量密度。圖3與圖2比較，可以看出金屬鋰容量發(fā)揮的時候，相同正極的體系，金屬鋰離子電池比鋰離子電池有更顯著的能量密度。如Li-rich-300正極材料在金屬鋰作為負極時，能量密度649Whkg-1，即使發(fā)揮只有33%的時候能量密度也有521Whkg-1。

圖3金屬鋰作為負極的電芯能量密度計算(a)Li容量全部發(fā)揮;(b)Li容量發(fā)揮80%;(c)Li容量發(fā)揮50%;(d)Li容量發(fā)揮33%.

三、18650單體電池能量密度估算

考慮上連接的極耳和封裝材料，可以計算單體電池的能量密度。表4、5給出松下NCR18650圓柱電池和Prismatic系列軟包方形單體電池的性能參數(shù)[6]。以NCR18650為例，其極耳以及封裝材料占單體電池的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為15%-20%。表6總結(jié)了鋰離子電池不同負極材料對應(yīng)電芯最高能量密度以及18650最高能量密度。表7則給出Si-C-1000負極與不同正極材料電芯、單體能量密度，其中LCO-220電芯能量密度為492Whkg-1，單體能量密度為416Whkg-1，可以看出由于封裝材料所占電池總體比例更多，導(dǎo)致電池的能量密度進一步降低。

表4松下NCR18560電池性能及參數(shù)

表5松下Prismastic電池性能及參數(shù)

表6不同負極材料的最高電芯能量密度、最高單體能量密度總結(jié)

表7Si-C-1000負極與不同正極材料電芯能量密度、單體能量密度總結(jié)

四、電池能量密度與續(xù)航里程的關(guān)系

續(xù)航里程是電動汽車的核心指標(biāo)，新增續(xù)航里程的最簡單方法是直接新增單體電池或電池模塊和容量，但是這卻會相應(yīng)新增電池在電動汽車中所占的成本;另一種是在汽車電池包體積或者質(zhì)量不變的前提下，提升電池的能量密度。

以北汽EV200(整備質(zhì)量1.290t)為例，百公里耗電為14kWh，電池箱為220L，壽命要求為20萬公里。電池的質(zhì)量能量密度為180Whkg-1時，EV200標(biāo)準(zhǔn)工況常溫下續(xù)航里程為200km。循環(huán)壽命的估計要考慮全壽命里程設(shè)計要求，每次使用續(xù)航里程和壽命末期每次充電續(xù)駛里程因素，這樣估算20萬公里要的電池循環(huán)壽命為2000次;在不提高電動汽車能量利用效率[10.85kWh/(100kmt)]，保持電池包體積不變的情況下，當(dāng)電池的質(zhì)量能量密度達到400Whkg-1時，電動汽車的續(xù)航里程可以達到521km，20萬公里要求的電池循環(huán)壽命估算值為600次，假如能達到這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將解決消費者對電動汽車?yán)锍探箲]的問題(表8)。

表8電池能量密度與電動汽車?yán)m(xù)航里程關(guān)系的估算

五、高能量密度鋰離子電池的成本

依據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化的電芯組成和工藝條件，可以大致推算出不同電池電芯原材料成本價格，所用原材料的成本參見表9。均以100Ah容量的電芯為例，圖4展示了以硅碳為負極與不同正極材料組成的鋰電電芯成本以及以金屬鋰為負極，富鋰，NCM作為正極材料的金屬鋰離子電池電芯的成本。可以得出電池成本中，正極材料和電解液的成本接近電芯成本的37%-56%，硅碳負極成本普遍接近38%-48%，占電芯成本比重較大。當(dāng)金屬鋰作為負極時，富鋰，NCM作為正極材料電芯成本分別為0.2元/瓦時和0.29元/瓦時。相比硅碳作為負極，金屬鋰能量密度更高，成本顯著降低。

要說明的是，電芯材料成本占電池制造成本的60%-70%。以上成本估值還需除以0.6-0.7，才是單體電池的實際成本。從結(jié)果上看，金屬鋰離子電池的成本相對鋰離子電池還可以進一步下降到甚至低于鉛酸電池的程度。

表9100Ah電芯原材料成本

圖4鋰離子電池電芯成本估算

六、綜合技術(shù)指標(biāo)

電池的應(yīng)用不僅要能量密度，還需功率密度、充電速率、循環(huán)壽命、服役年限、能量效率、安全性指數(shù)、單體電池成本等其他技術(shù)指標(biāo)，電池能否應(yīng)用取決于某項技術(shù)指標(biāo)能否滿足應(yīng)用的最低要求，稱之為電池的“木桶效應(yīng)”。圖5(a)展示不同應(yīng)用領(lǐng)域重要技術(shù)指標(biāo)的蜘蛛圖，圖5(b)展示純電動汽車各個指標(biāo)期望值與目前實際值的蜘蛛圖。目前水平與期望值差距較大，要開發(fā)新的動力鋰電池技術(shù)。

圖5鋰離子電池綜合技術(shù)指標(biāo)蜘蛛圖(a)不同應(yīng)用領(lǐng)域;(b)純電動汽車?yán)硐胫蹬c實際值

【結(jié)束語】

從1990年到現(xiàn)在，電池實際能量密度的提高重要是提高正負極活性物質(zhì)在電池中的質(zhì)量比例，降低非活性物質(zhì)的質(zhì)量比。技術(shù)方面，目前的確還有可能進一步降低隔膜、Cu、Al箔的厚度和質(zhì)量以及封裝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但挑戰(zhàn)非常大。選擇新的正負極材料體系，成為提高電池能量密度相對更容易的技術(shù)選擇。從計算的結(jié)果可以看出，采用高容量的硅碳負極，富鋰錳基正極，18650電池能量密度可以達到442Whkg-1，相應(yīng)的電芯價格可以降到0.4元/瓦時，能很好地滿足純電動汽車對續(xù)航以及成本控制的要求。而采用富鋰錳基的金屬理離子電池的電芯質(zhì)量能量密度最高，可以達到521Whkg-1，成本可以降到0.2元/瓦時。目前采用液態(tài)電解質(zhì)的可充放金屬理電池存在較大的技術(shù)瓶頸，重要是金屬理與液體電解液的化學(xué)與電化學(xué)副反應(yīng)，后續(xù)固態(tài)電池將有望解決這些難題。要注意的是，提升能量密度的同時還需滿足其它性能指標(biāo)的要求，這要復(fù)雜艱巨的科學(xué)與技術(shù)的研究，充滿挑戰(zhàn)，但又富有強大的吸引力。