電池能量密度是什么意思,鋰電池能量密度如何提高?

　　電池能量密度是指單位體積或單位質(zhì)量的電池所存儲的能量量。它是評估電池性能的重要指標，對于電動(dòng)車(chē)、移動(dòng)設備和可再生能源等領(lǐng)域的發(fā)展至關(guān)重要，既然如此，那電池能量密度是什么意思,鋰電池能量密度如何提高？

　　能量密度(Energydensity)是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。電池能量密度=電池容量&TImes;放電平臺/電池厚度/電池寬度/電池長(cháng)度，基本單位為Wh/kg(瓦時(shí)/千克)。

　　電池的能量密度越大，單位體積內存儲的電量越多。

　　關(guān)于電池能量密度，現在我們都知道了它儼然是目前電池行業(yè)，甚至是電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)向前大跨步的最明顯的突破口，但是突破它，真的是很難啊!

　　據悉，電池的能量密度基本由電池的正負極決定的，但只是正負極活性材料也不能保證電池能發(fā)上電，得有很多非活性物質(zhì)，比如導電輔助劑、活性粉末之間的粘結劑、隔離膜、陰陽(yáng)極的箔材、絕緣固定的膠紙、鋁塑膜殼或者鋼鋁殼等等。

　　什么是能量密度?

　　能量密度(Energydensity)是指在單位一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。電池的能量密度一般分重量能量密度和體積能量密度兩個(gè)維度。

　　電池重量能量密度=電池容量×放電平臺/重量，基本單位為Wh/kg(瓦時(shí)/千克)

　　電池體積能量密度=電池容量×放電平臺/體積，基本單位為Wh/L(瓦時(shí)/升)

　　電池的能量密度越大，單位體積、或重量?jì)却鎯Φ碾娏吭蕉唷?/p>

　　什么是單體能量密度?

　　電池的能量密度常常指向兩個(gè)不同的概念，一個(gè)是單體電芯的能量密度，一個(gè)是電池系統的能量密度。

　　電芯是一個(gè)電池系統的最小單元。M個(gè)電芯組成一個(gè)模組，N個(gè)模組組成一個(gè)電池包，這是車(chē)用動(dòng)力電池的基本結構。

　　單體電芯能量密度，顧名思義是單個(gè)電芯級別的能量密度。

　　根據《中國制造2025》明確了動(dòng)力電池的發(fā)展規劃：2020年，電池能量密度達到300Wh/kg;2025年，電池能量密度達到400Wh/kg;2030年，電池能量密度達到500Wh/kg。這里指的就是單個(gè)電芯級別的能量密度。

　　什么是系統能量密度?

　　系統能量密度是指單體組合完成后的整個(gè)電池系統的電量比整個(gè)電池系統的重量或體積。因為電池系統內部包含電池管理系統，熱管理系統，高低壓回路等占據了電池系統的部分重量和內部空間，因此電池系統的能量密度都比單體能量密度低。

　　系統能量密度=電池系統電量/電池系統重量OR電池系統體積

　　究竟是什么限制了鋰電池的能量密度?

　　電池背后的化學(xué)體系是主要原因難逃其咎。

　　一般而言，鋰電池的四個(gè)部分非常關(guān)鍵：正極，負極，電解質(zhì)，膈膜。正負極是發(fā)生化學(xué)反應的地方，相當于任督二脈，重要地位可見(jiàn)一斑。

　　方殼電芯結構圖

　　我們都知道以三元鋰為正極的電池包系統能量密度要高于以磷酸鐵鋰為正極的電池包系統。這是為什么呢?

　　現有的鋰離子電池負極材料多以石墨為主，石墨的理論克容量372mAh/g。正極材料磷酸鐵鋰理論克容量只有160mAh/g，而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。

　　根據木桶理論，水位的高低決定于木桶最短處，鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料。

　　磷酸鐵鋰的電壓平臺是3.2V，三元的這一指標則是3.7V，兩相比較，能量密度高下立分：16%的差額。

　　當然，除了化學(xué)體系，生產(chǎn)工藝水平如壓實(shí)密度、箔材厚度等，也會(huì )影響能量密度。一般來(lái)說(shuō)，壓實(shí)密度越大，在有限空間內，電池的容量就越高，所以主材的壓實(shí)密度也被看做電池能量密度的參考指標之一。

　　在《大國重器II》第四集中，寧德時(shí)代采用了6微米銅箔，利用先進(jìn)的工藝水平，提升了能量密度。

　　如果你能堅持每行讀下來(lái)一直讀到這里。恭喜，你對電池的理解已經(jīng)上了一個(gè)層次。

　　如何提高能量密度呢?

　　新材料體系的采用、鋰電池結構的精調、制造能力的提升是研發(fā)工程師“長(cháng)袖善舞”的三塊舞臺。下面，我們會(huì )從單體和系統兩個(gè)維度進(jìn)行講解。

　　——單體能量密度，主要依靠化學(xué)體系的突破

　　1、增大電池尺寸

　　電池廠(chǎng)家可以通過(guò)增大原來(lái)電池尺寸來(lái)達到電量擴容的效果。我們最熟悉的例子莫過(guò)于：率先使用松下18650電池的知名電動(dòng)車(chē)企特斯拉將換裝新款21700電池。

　　不同尺寸的圓柱電池對比

　　但是電芯“變胖”或者“長(cháng)個(gè)”只是治標，并不治本。釜底抽薪的辦法，是從構成電池單元的正負極材料以及電解液成分中，找到提高能量密度的關(guān)鍵技術(shù)。

　　2、化學(xué)體系變革

　　前面提到，電池的能量密度受制于由電池的正負極。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料。

　　高鎳正極

　　三元材料通指鎳鈷錳酸鋰氧化物大家族，我們可以通過(guò)改變鎳、鈷、錳這三種元素的比例來(lái)改變電池的性能。

　　在圖5中幾種典型三元材料中可以看出，鎳的占比越來(lái)越高，鈷的占比越來(lái)越低。鎳的含量越高，意味著(zhù)電芯的比容量就越高。另外，由于鈷資源稀缺，提高鎳的比例，將降低的降低鈷的使用量。

　　正極材料創(chuàng )新已到瓶頸期

　　先來(lái)看看為什么說(shuō)450這個(gè)數字不易得。

　　據電車(chē)匯統計：從2019年第3批目錄申報車(chē)型到2020年第13批推薦目錄，磷酸鐵鋰電池系統能量密度雷打不動(dòng)，一直都是161.27Wh/kg。

　　2022年第1批推薦目錄中，除了宇通的一款車(chē)型達到了最大值161.29Wh/kg以外，多數廠(chǎng)商依舊在161.27Wh/kg這個(gè)數字上打轉。

　　也就是說(shuō)，磷酸鐵鋰電池的理論上限已經(jīng)很難突破。

　　可以說(shuō)，能量密度是制約當前鋰離子電池發(fā)展的很大瓶頸。不管是手機，還是電動(dòng)汽車(chē)，人們都期待電池的能量密度能夠達到一個(gè)全新的量級，使得產(chǎn)品的續航時(shí)間或續航里程不再成為困擾產(chǎn)品的主要因素。

　　從鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、再到鋰離子電池，能量密度一直在不斷的提升?？墒翘嵘乃俣认鄬τ诠I(yè)規模的發(fā)展速度而言，相對于人類(lèi)對能量的需求程度而言，顯得太慢了。甚至有人戲言，人類(lèi)的進(jìn)步都被卡在“電池”這兒了。當然，如果哪一天能夠實(shí)現全球電力無(wú)線(xiàn)傳輸，到哪兒都能“無(wú)線(xiàn)”獲得電能(像手機信號一樣)，那么人類(lèi)也就不再需要電池了，社會(huì )發(fā)展自然也就不會(huì )卡在電池上面。

　　針對能量密度成為瓶頸的現狀，全球各國都制訂了相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)政策目標，期望引領(lǐng)電池行業(yè)在能量密度方面取得顯著(zhù)的突破。中、美、日等國政府或行業(yè)組織所制定的2020年目標，基本上都指向300Wh/kg這一數值，相當于在當前的基礎上提升接近1倍。2030年的遠期目標，則要達到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，電池行業(yè)必須要有化學(xué)體系的重大突破，才有可能實(shí)現這一目標。

　　影響鋰離子電池能量密度的因素有很多，就鋰離子電池現有的化學(xué)體系和結構而言，具體都有哪些明顯的限制呢?

　　前面我們分析過(guò)，充當電能載體的，其實(shí)就是電池當中的鋰元素，其他物質(zhì)都是“廢物”，可是要獲得穩定的、持續的、安全的電能載體，這些“廢物”又是不可或缺的。舉個(gè)例子，一塊鋰離子電池當中，鋰元素的質(zhì)量占比一般也就在1%多一點(diǎn)，其余99%的成分都是不承擔能量存儲功能的其他物質(zhì)。愛(ài)迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天賦，看來(lái)這個(gè)道理放之四海皆準啊，1%是紅花，剩下的99%就是綠葉，少了哪個(gè)都不行。

　　那么要提高能量密度，我們首先想到的就是提高鋰元素的比例，同時(shí)要讓盡可能多的鋰離子從正極跑出來(lái)，移動(dòng)到負極，然后還得從負極原數返回正極(不能變少了)，周而復始的搬運能量。

　　1、提高正極活性物質(zhì)的占比

　　提高正極活性物質(zhì)占比，主要是為了提高鋰元素的占比，在同一個(gè)電池化學(xué)體系中，鋰元素的含量上去了(其他條件不變)，能量密度也會(huì )有相應的提升。所以在一定的體積和重量限制下，我們希望正極活性物質(zhì)多一些，再多一些。

　　2、提高負極活性物質(zhì)的占比

　　這個(gè)其實(shí)是為了配合正極活性物質(zhì)的增加，需要更多的負極活性物質(zhì)來(lái)容納游過(guò)來(lái)的鋰離子，存儲能量。如果負極活性物質(zhì)不夠，多出來(lái)的鋰離子會(huì )沉積在負極表面，而不是嵌入內部，出現不可逆的化學(xué)反應和電池容量衰減。

　　3、提高正極材料的比容量(克容量)

　　正極活性物質(zhì)的占比是有上限的，不能無(wú)限制提升。在正極活性物質(zhì)總量一定的情況下，只有盡可能多的鋰離子從正極脫嵌，參與化學(xué)反應，才能提升能量密度。所以我們希望可脫嵌的鋰離子相對于正極活性物質(zhì)的質(zhì)量占比要高，也就是比容量指標要高。

　　這就是我們研究和選擇不同的正極材料的原因，從鈷酸鋰到磷酸鐵鋰，再到三元材料，都是奔著(zhù)這個(gè)目標去的。

　　前面已經(jīng)分析過(guò)，鈷酸鋰可以達到137mAh/g，錳酸鋰和磷酸鐵鋰的實(shí)際值都在120mAh/g左右，鎳鈷錳三元則可以達到180mAh/g。如果要再往上提升，就需要研究新的正極材料，并取得產(chǎn)業(yè)化進(jìn)展。

　　4、提高負極材料的比容量

　　相對而言，負極材料的比容量還不是鋰離子電池能量密度的主要瓶頸，但是如果進(jìn)一步提升負極的比容量，則意味著(zhù)以質(zhì)量更少的負極材料，就可以容納更多的鋰離子，從而達到提升能量密度的目標。

　　以石墨類(lèi)碳材料做負極，理論比容量在372mAh/g，在此基礎上研究的硬碳材料和納米碳材料，則可以將比容量提高到600mAh/g以上。錫基和硅基負極材料，也可以將負極的比容量提升到一個(gè)很高的量級，這些都是當前研究的熱點(diǎn)方向。

　　5、減重瘦身

　　除了正負極的活性物質(zhì)之外，電解液、隔離膜、粘結劑、導電劑、集流體、基體、殼體材料等，都是鋰離子電池的“死重”，占整個(gè)電池重量的比例在40%左右。如果能夠減輕這些材料的重量，同時(shí)不影響電池的性能，那么同樣也可以提升鋰離子電池的能量密度。

　　在這方面做文章，就需要針對電解液、隔離膜、粘結劑、基體和集流體、殼體材料、制造工藝等方面進(jìn)行詳細的研究和分析，從而找出合理的方案。各個(gè)方面都改善一些，就可以將電池的能量密度整體提升一個(gè)幅度。

　　從以上的分析可以看出，提升鋰離子電池的能量密度是一個(gè)系統工程，要從改善制造工藝、提升現有材料性能、以及開(kāi)發(fā)新材料和新化學(xué)體系這幾個(gè)方面入手，尋找短期、中期和長(cháng)期的解決方案。