锂离子锂离子电池能量密度发展路线图(1)_光明网(组图)

近年来，新能源汽车、储能、通信、数据中心等新兴领域发展迅速，极大地推动了大容量锂离子电池的发展。各个领域对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求。[1]。

锂离子电池的活性储能材料有正负极材料。提高能量密度的方法是提高正极的放电电压和放电容量。对于负极材料，它具有高容量和低平均脱锂电压。在以提高能量密度为主要发展目标的第三代锂离子电池中，正负极材料正处于升级换代阶段[2-3]。未来能量密度的进一步提高将转向使用金属锂阳极的电池。

因此，计算锂电池中的能量密度尤为重要。本文在考虑活性材料和非活性材料的基础上，计算了没有封装材料和极耳的不同电池的能量密度。然后计算圆柱形18650单体的能量密度，根据计算得到预期的能量密度，进而计算电池成本。

图1 1990-2030年锂离子电池能量密度发展路线图

【文本】

一、不同负极材料锂离子电池的能量密度计算

正负极材料决定了电池的能量密度，但大多数文献都是根据单一活性正极材料的质量来计算能量密度的。一些文献考虑了正极材料和负极材料的活性材料质量之和，而忽略了非活性电池材料的质量。, 从而使计算结果与实际结果有较大偏差。

根据文献[4]的计算方法，计算了常见的正负极锂电池材料的能量密度，容量和电压见表1和表2。最近正极材料的容量在增加，但是与理论值仍有较大差距。最高容量的选择没有使用报告中的最高值，而是综合考虑技术指标的可行性。选择表1和表2中的值。达到这个值还有很多问题，比如控制体积膨胀、倍率特性、循环特性等。表3给出了封装材料内部非活性材料的典型参数，除了封装材料和引线[4]。

但是，单元的形状各不相同，这项工作中的单元是指除封装材料和引线之外的所有其他材料，并且大多数计算都是基于单元结果的。此外，由于电极涂层的允许厚度、电池的不同形状、非活性材料的特性参数等对计算结果有一定影响，因此本表的计算结果与实际电池会有一定的偏差，与电池实际情况密切相关。与电池制造工艺有关。

图29(a)-(j)显示了由10种不同的负极和16种正极材料组合形成的电池的能量密度计算结果。图 2(i) 显示，在所有电池系统（不包括封装材料和标签）。

表1 计算所用正极活性物质及其比容量和电压

表2 计算所用负极活性物质的质量、比容量和电压

图2 不同正极材料和不同正极材料匹配的电池能量密度计算（a）石墨；(b) 软碳 SC-400；(d) 硬碳 250；(e) SiOx-420；(f) SiOx-1000；(g) Si-C-450；(h) Si-C-1000；(j) 钛酸锂

二、金属锂离子电池单体能量密度计算

以上计算结果均为负极材料，石墨理论比容量为372mAh g-1 [5]，目前可逆容量可达365mAh g-1，大容量轨道负极材料可逆容量可达1000 -1500mAh g-1。但锂脱嵌过程中存在较大的体积膨胀和收缩，实际容量难以充分发挥，仅为380-450mAh g-1。相比之下，金属锂的理论比容量高达3860mAh g-1，即使利用率为33%锂电功率密度计算公式，仍有1287mAh g-1，可作为锂源使用。然而，锂金属存在锂枝晶、孔隙生长不均匀、与电解液连续发生副反应、体积膨胀问题等诸多安全问题，

考虑到不同电池中金属锂容量的不同可能性，本工作计算了金属锂利用率分别为100%、80%、50%和33%匹配不同正极材料的锂金属电池的能量密度。对比图3和图2可以看出，在发挥金属锂容量时，金属锂离子电池在相同正极体系下比锂电池具有更显着的能量密度。例如，当使用富锂300正极材料作为负极时，能量密度为649Wh kg-1，即使只有33%，能量密度也为521Wh kg-1。

图3 以金属锂为负极的电池能量密度计算

(a) Li容量被充分利用；

(b) 80% 的锂容量；

(c) 锂容量的 50%；

(d) 锂容量发挥 33%。

三、18650单体电池能量密度估算

可以通过考虑上部连接的极耳和封装材料来计算单个电池的能量密度。表4、5给出了松下NCR18650圆柱电池和Prismatic系列软包方形单体电池的性能参数[6]。以NCR18650为例，其极耳和封装材料一般占单节电池质量分数的15%-20%。表6总结了锂电池不同负极材料对应的电芯最高能量密度和18650的最高能量密度。表7给出了Si-C-1000负极和不同正极材料电芯和单体的能量密度。LCO-220电池能量密度为492Wh kg-1，单体能量密度为416Wh kg-1。

表4松下NCR18560电池性能及参数

表 5 松下 Prismastic 电池性能及参数

表6 不同负极材料的最高电池能量密度和最高单体能量密度汇总

表7 Si-C-1000负极和不同正极材料的电池能量密度和单体能量密度汇总

四、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。增加续航里程最简单的方法是直接增加单体电池或电池模组和容量，但这会相应增加电动汽车中电池的成本；另一种是增加车内的电池。在电池组体积或质量不变的前提下，提高了电池的能量密度。

以北汽EV200（整备质量1.290t）为例，百公里耗电量14kWh，电池箱220L，寿命20万公里。当电池的质量能量密度为180Wh kg-1时，EV200在常温标准工况下的续航里程为200km。循环寿命估算需要考虑全寿命里程、每次使用里程和使用寿命结束时每次充电里程的设计要求，这样估算20万公里所需的电池循环寿命为2000次；在不提高电动汽车能量利用效率[10.85kWh/(100kmt)]的情况下，保持电池组体积不变，当电池的质量能量密度达到400Wh kg-1时，

表 8 电池能量密度与电动汽车续航里程关系的估计

五、高能量密度锂电池的成本

根据现有的工业化电芯组成和工艺条件，可以粗略计算出不同电芯的原材料成本价格。所用原材料成本如表9所示。以容量为100Ah的电芯为例，图4为以硅碳为负极和不同正极材料的锂电池电芯成本，金属锂离子电池电芯以金属锂为负极，富锂，NCM为正极材料。的代价。可以得出结论，在电池成本中，正极材料和电解液成本接近电芯成本的37%-56%，硅碳负极成本普遍接近38 %-48%, 占电芯成本的很大一部分。使用金属锂作为负极时，富锂和NCM作为正极材料的成本分别为0.2元/Wh和0.29元/Wh。与作为负极的硅碳相比，金属锂具有更高的能量密度和显着降低的成本。

需要注意的是，电芯材料成本占电池制造成本的60%-70%。以上成本估算需要除以0.6-0.7，即为单节电池的实际成本。从结果来看，与锂离子电池相比，金属锂离子电池的成本可以进一步降低到铅酸电池的水平。

表9 100Ah电池原材料成本

图 4 锂离子电池电芯成本估算

六、综合技术指标

电池的应用不仅需要能量密度，还需要功率密度、充电倍率、循环寿命、使用寿命、能效、安全指标、单体电池成本等其他技术指标。电池能否应用，取决于能否使用一定的技术指标。满足应用的最低要求称为电池的“桶效应”。图5(a)为不同应用领域主要技术指标的蛛网图，图5(b)为纯电动汽车各指标预期值与当前实际值的蛛网图。当前水平与预期值存在较大差距，需要开发新的动力电池技术。

图5 锂离子电池综合技术指标蜘蛛图

(a) 不同的应用领域；

(b) 纯电动汽车的理想值和实际值

【结束语】

1990年至今，电池实际能量密度的提高主要是提高电池中正负极活性物质的质量比，降低非活性物质的质量比。在技​​术方面，确实可以进一步降低隔膜、Cu、Al箔的厚度和质量，以及包装材料的质量分数，但挑战非常大。选择新的正负极材料体系已成为提高电池能量密度相对容易的技术选择。从计算结果可以看出，使用高容量硅碳负极和富锂锰基正极，18650电池的能量密度可以达到442Wh kg-1，并且相应的电芯价格可以降低到0.4元/W，可以很好的满足纯电动汽车的续航和成本控制要求。富锂锰基金属离子电池的电芯质量能量密度最高，可达521 Wh kg-1，成本可降至0.2元/Wh。目前，使用液态电解质的可充电金属电池存在重大技术瓶颈，主要是金属电池与液态电解质之间的化学和电化学副反应。后续的固态电池有望解决这些问题。需要注意的是，在提高能量密度的同时，还需要满足其他性能指标的要求，这需要进行复杂而艰巨的科技研究，

参考

[1] ARMAND M, TARASCON J M. 制造更好的电池[J]. 自然, 2008 , 451(7179):652-657.

[2] 李红. 锂离子电池的基础科学问题——综述与展望[J]. 能源科技, 2015, 4(3):306-318.

[3] 罗非，刘波锂电功率密度计算公式，郑杰，等。综述-纳米硅/碳复合负极材料向下一代锂离子电池的实际应用[J].电化学学会学报, 2015, 162(1 4):A2509-A2528.

[4] BERG EJ，VILLEVIEILLEC，STREICHD，等人。可充电电池：把握化学极限[J]. 电化学学会学报, 2015, 162(4): A2468-A2475.@ >

[5] 常玉清，李赫，吴力，等。锂离子电池中石墨电极的不可逆容量损失[J]. 电源杂志, 1997, 68(2):187-190.

[6]松下官网.工业...

【引用】锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算