三元材料的理论容量电极材料理论的克容量和硅负极

(1）电极材料的理论容量

电极材料的理论容量，即假设材料中的所有锂离子都参与电化学反应所提供的容量，计算公式如下：

其中，法拉第常数（F）表示每摩尔电子所携带的电荷，单位为C/mol，即阿伏伽德罗数NA=6.02214 × 1023mol-1 与基本电荷e=<乘积@1.602176 × 10-19 C，其值为96485.3383±0.0083 C/mol

因此，主流材料理论容量计算公式如下：

LiFePO4的摩尔质量为157.756 g/mol，其理论容量为：

同理，三元材料NCM(1:1:1)(LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2)摩尔质量为96.461g/mol，理论容量为278 mAh / g、LiCoO2摩尔质量97.8698 g/mol，如果去除所有锂离子，其理论克容量为274 mAh/g。

在石墨负极中，当锂插层量最大时，形成锂-碳插层化合物，化学式LiC6，即6个碳原子与1个Li结合。 6 Cs的摩尔质量为72.066 g/mol，石墨的最大理论容量为：

对于硅阳极，由5Si+22Li++22e-↔Li22Si5可知，5个硅原子的摩尔质量为140.430 g/mol，5个硅原子与22个Li结合，则硅阳极的摩尔质量为 140.430 g/mol。理论容量为：

这些计算值是理论克容量。为保证材料结构的可逆性，实际锂离子脱嵌系数小于1。材料实际克容量为：材料实际克容量=锂离子脱嵌系数×理论容量

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(2）电池设计容量

电池设计容量=镀层表面密度×活性物质比例×活性物质克容量×电极包覆面积

其中，面密度是一个关键的设计参数，主要在涂层和轧制过程中控制。当压实密度不变时，涂层表面密度的增加意味着极片厚度增加，电子传输距离增加，电子电阻增加，但增加有限。在厚极片中，电解液中锂离子迁移阻力的增加是影响倍率特性的主要原因。考虑到孔隙的孔隙度和曲折度，离子在孔隙中的迁移距离是极片厚度的数倍。

(3）N/P比

负极活性物质的克容量×负极表面密度×负极活性物质含有比÷（正极活性物质克容量×正极表面密度×正极活性物质含有比）

石墨负极电池的N/P应该大于<@1.0，一般<@1.04~<@1.20，这个主要是为了安全设计，主要是为了防止锂析出负极、设计 考虑工艺能力时，如涂层偏差。但当N/P过大时，会损失电池的不可逆容量，导致电池容量低，电池能量密度下降。

钛酸锂负极采用正极过剩设计，电池容量由钛酸锂负极容量决定。正极的过剩设计有利于提高电池的高温性能：高温气体主要来自负极。正极设计过多时，负极电位较低，更容易在钛酸锂表面形成SEI膜。

（4）涂层致密密度和孔隙率

生产过程中，电池极片涂层压实密度计算公式：

考虑到极片轧制时金属箔被拉伸，轧制后涂层的面密度按下式计算：

涂层由活性物质相、碳胶体相和孔隙组成。孔隙率计算公式为：

其中，涂层的平均密度为：

(5）第一效果

第一次效应=第一次放电容量/第一次充电容量

在日常生产中，一般是先形成后分容，形成一部分电，分容补电再放电，所以：

第一效应=分割容量的第一放电容量/（形成的充电容量+补充容量的分割容量）

(6）能量密度

体积能量密度(Wh/L)=电池容量(mAh)×3.6(V)/(厚度(cm)*宽度(cm)*长度(cm))

质能密度(Wh/KG)=电池容量(mAh)×3.6(V)/电池重量

参数详情

能量密度（Wh/L&Wh;/kg）

电池单位体积或单位质量释放的能量，如果是单位体积，即体积能量密度（Wh/L），很多地方直接称为能量密度；如果是单位质量，就是质量能量密度（Wh/kg），很多地方也叫比能。如果锂电池重300g，额定电压3.7V，容量10Ah，比能量123Wh/kg。

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根据2016年发布的《节能与新能源汽车技术》，可以对动力电池的发展趋势有一个概念。如上图所示，到2020年，纯电动汽车电芯的比能量将达到350Wh/kg。

功率密度（W/L&W;/kg）

将能量除以时间以获得以瓦特或千瓦为单位的功率。同理，功率密度是指单位质量（也有的地方直接称为比功率）或单位体积电池所输出的功率，单位为W/kg或W/L。比功率是评价电池是否满足电动汽车加速性能的重要指标。

比能量和比功率有什么区别？

举个形象的例子：比能量高的动力电池就像龟兔赛跑中的乌龟。续航能力好，可以长时间工作，保证汽车的超长续航里程。

高比功率的动力电池就像龟兔赛跑中的兔子。速度快，能提供高瞬时电流，保证汽车良好的加速性能。

电池放电率（C）

放电率是指在规定时间内将其额定容量（Q）放电所需的电流值，数值上等于电池额定容量的倍数。即充放电电流（A）/额定容量（Ah），其单位一般为C（C-rate的简称），如0.5C、1C、5C等

例如，对于 24Ah 电池：

48A放电，放电倍率2C，反之，2C放电，放电电流48A，0.放电5小时；

12A充电，充电速率0.5C，反之0.5C充电，充电电流12A，2小时充电完成；

电池的充放电速率决定了我们能以多快的速度在电池中储存一定量的能量，或者我们能以多快的速度释放电池中的能量。

充电状态 (%)

SOC，全称StateofCharge，充电状态，也称为剩余电量，表示电池放电后剩余容量与充满电状态容量的比值。

取值范围为0~1。当SOC=0时，表示电池已完全放电，当SOC=1时锂电功率密度计算公式，表示电池已完全充电。电池管理系统（BMS）主要通过对SOC的管理和估算来保证电池的高效工作，是电池管理的核心。

目前SOC估计主要有开路电压法、安时测量法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法等，后面会详细讲解。

内阻

内阻是指电池工作时电流流过电池的电阻。

包括欧姆内阻和极化内阻，其中：欧姆内阻包括电极材料、电解液、隔膜电阻和各部分电阻；极化内阻包括电化学极化电阻和浓差极化电阻。

用数据说话，下图是一个电池的放电曲线，X轴代表放电量，Y轴代表电池开路电压，电池的理想放电状态是黑色曲线，红色曲线是考虑电池内阻时的真实状态。

图示：Qmax为电池的最大化学容量； Quse是电池的实际容量； Rbat 为电池的内阻； EDV 是放电终止电压； I 是放电电流。

从图中可以看出，电池的实际容量是Quse

由于电阻的存在，电池的实际容量会降低。我们还可以看到，实际电池容量Quse取决于两个因素：

放电电流I与电池内阻R的乘积，放电终止电压EDV是多少。

需要指出的是，随着电池的使用，电池的内阻Rbat会逐渐增大。

内阻的单位一般为毫欧（mΩ）。内阻大的电池内部功耗大锂电功率密度计算公式，充放电时发热严重，会导致电池加速老化和寿命下降。额定充电和放电应用。因此，内阻越小，电池寿命和倍率性能就越好。通常，电池内阻的测量方法有交流测试法和直流测试法。

电池自放电

指开路静置时电压下降的现象，也称为电池的电荷保持能量

一般来说，电池的自放电主要受制造工艺、材料、储存条件的影响。

自放电根据容量损失是否可逆分为两种：容量损失可逆，即充电后容量可恢复；容量损失是不可逆的，即容量无法恢复。

目前，关于电池自放电原因的研究理论很多，可归纳为物理原因（储存环境、制造工艺、材料等）和化学原因（电解液中的电极不稳定性、内部化学反应、活性物质消耗等），电池自放电会直接降低电池的容量和存储性能。

电池寿命

分为循环寿命和日历寿命两个参数。循环寿命是指电池可以循环充电和放电的次数。即在理想温度和湿度下，以额定充放电电流充放电，计算电池容量衰减到80%时所经历的循环次数。

日历寿命是指在使用环境条件下，在特定运行条件下，电池达到报废状态（容量衰减至80%）的时间跨度。日历寿命与具体的使用要求紧密结合，通常需要规定具体的操作条件、环境条件、储存间隔等。

循环寿命是一个理论参数，而日历寿命更实用。但是日历寿命计算复杂且耗时，所以一般电池厂家只给出循环寿命数据。

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上图为三元锂电池的充放电特性。可以看出，不同的充放电方式对电池寿命的影响是不同的。 2500次，也就是我们所说的电池浅充浅放。电池寿命的话题将在后面更深入地讨论。

电池组的一致性

这个参数很有趣。即使将相同规格和型号的电芯组合在一起，电池组在电压、容量、内阻、使用寿命等方面的表现也大相径庭。用于电动汽车时，性能指标往往达不到单体电池的原始水平。

单体电池制成后，由于工艺问题，内部结构和材料不完全一致，存在一定的性能差异。

初始不一致性随着电池在使用过程中的连续充电和放电循环而累积。此外，电池组内的使用环境对于每一个单体电池也不同，导致每一个单体电池的状态差异较大。这种差异在使用过程中会逐渐放大，在某些情况下会加速部分单体电芯的性能退化，最终导致电池组过早失效。

需要指出的是，动力电池包的性能是由电芯的性能决定的，但绝不是单体电芯性能的简单累加。由于单体电芯的性能不一致，动力电池组在电动汽车中反复使用时，会出现各种问题，缩短使用寿命。

除了要求在生产和组装过程中严格控制工艺，尽量保持单体电芯的一致性外，目前行业普遍采用具有平衡功能的电池管理系统来控制电芯在生产和组装过程中的一致性。电池组，以确保延长产品寿命。

转型

电池制成后，需要用小电流给电芯充电，激活内部的正负极，并在负极表面形成钝化层——SEI（固体电解质界面）膜，使电池性能更加稳定，电池成型后才能体现其真实性能，这个过程称为化学成型。

化成过程中的分选过程可以提高电池组的一致性，提高最终电池组的性能。化成能力是筛选合格电池的重要指标。下图是SEI膜，看起来像一朵黑玫瑰。

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