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(biāo)，對于電動車、移動設(shè)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/電池長度，基本單位為Wh/kg(瓦時/千克)。

　　電池的能量密度越大，單位體積內(nèi)存儲的電量越多。

　　關(guān)于電池能量密度，現(xiàn)在我們都知道了它儼然是目前電池行業(yè)，甚至是電動汽車行業(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(jù)悉，電池的能量密度基本由電池的正負(fù)極決定的，但只是正負(fù)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(dǎo)電輔助劑、活性粉末之間的粘結(jié)劑、隔離膜、陰陽極的箔材、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/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/升)

　　電池的能量密度越大，單位體積、或重量內(nèi)存儲的電量越多。

　　什么是單體能量密度?

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

　　電芯是一個電池系統(tǒng)的最小單元。M個電芯組成一個模組，N個模組組成一個電池包，這是車用動力電池的基本結(jié)構(gòu)。

　　單體電芯能量密度，顧名思義是單個電芯級別的能量密度。

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

　　什么是系統(tǒng)能量密度?

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

　　系統(tǒng)能量密度=電池系統(tǒng)電量/電池系統(tǒng)重量OR電池系統(tǒng)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，鋰電池的四個部分非常關(guān)鍵：正極，負(fù)極，電解質(zhì)，膈膜。正負(fù)極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方，相當(dāng)于任督二脈，重要地位可見一斑。

　　方殼電芯結(jié)構(gòu)圖

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

　　現(xiàn)有的鋰離子電池負(fù)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?yán)碚摽巳萘恐挥?60mAh/g，而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。

　　根據(jù)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(biāo)則是3.7V，兩相比較，能量密度高下立分：16%的差額。

　　當(dāng)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，也會影響能量密度。一般來說，壓實(shí)密度越大，在有限空間內(nèi)，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(biāo)之一。

　　在《大國重器II》第四集中，寧德時代采用了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一直讀到這里。恭喜，你對電池的理解已經(jīng)上了一個層次。

　　如何提高能量密度呢?

　　新材料體系的采用、鋰電池結(jié)構(gòu)的精調(diào)、制造能力的提升是研發(fā)工程師“長袖善舞”的三塊舞臺。下面，我們會從單體和系統(tǒng)兩個維度進(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

　　電池廠家可以通過增大原來電池尺寸來達(dá)到電量擴(kuò)容的效果。我們最熟悉的例子莫過于：率先使用松下18650電池的知名電動車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“長個”只是治標(biāo)，并不治本。釜底抽薪的辦法，是從構(gòu)成電池單元的正負(fù)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(fù)極。由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)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，我們可以通過改變鎳、鈷、錳這三種元素的比例來改變電池的性能。

　　在圖5中幾種典型三元材料中可以看出，鎳的占比越來越高，鈷的占比越來越低。鎳的含量越高，意味著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

　　先來看看為什么說450這個數(shù)字不易得。

　　據(jù)電車匯統(tǒng)計：從2019年第3批目錄申報車型到2020年第13批推薦目錄，磷酸鐵鋰電池系統(tǒng)能量密度雷打不動，一直都是161.27Wh/kg。

　　2022年第1批推薦目錄中，除了宇通的一款車型達(dá)到了最大值161.29Wh/kg以外，多數(shù)廠商依舊在161.27Wh/kg這個數(shù)字上打轉(zhuǎn)。

　　也就是說，磷酸鐵鋰電池的理論上限已經(jīng)很難突破。

　　可以說，能量密度是制約當(dāng)前鋰離子電池發(fā)展的很大瓶頸。不管是手機(jī)，還是電動汽車，人們都期待電池的能量密度能夠達(dá)到一個全新的量級，使得產(chǎn)品的續(xù)航時間或續(xù)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(guī)模的發(fā)展速度而言，相對于人類對能量的需求程度而言，顯得太慢了。甚至有人戲言，人類的進(jìn)步都被卡在“電池”這兒了。當(dāng)然，如果哪一天能夠?qū)崿F(xiàn)全球電力無線傳輸，到哪兒都能“無線”獲得電能(像手機(jī)信號一樣)，那么人類也就不再需要電池了，社會發(fā)展自然也就不會卡在電池上面。

　　針對能量密度成為瓶頸的現(xiàn)狀，全球各國都制訂了相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)政策目標(biāo)，期望引領(lǐng)電池行業(yè)在能量密度方面取得顯著的突破。中、美、日等國政府或行業(yè)組織所制定的2020年目標(biāo)，基本上都指向300Wh/kg這一數(shù)值，相當(dāng)于在當(dāng)前的基礎(chǔ)上提升接近1倍。2030年的遠(yuǎn)期目標(biāo)，則要達(dá)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(xiàn)這一目標(biāo)。

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

　　前面我們分析過，充當(dāng)電能載體的，其實(shí)就是電池當(dāng)中的鋰元素，其他物質(zhì)都是“廢物”，可是要獲得穩(wěn)定的、持續(xù)的、安全的電能載體，這些“廢物”又是不可或缺的。舉個例子，一塊鋰離子電池當(dāng)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(dān)能量存儲功能的其他物質(zhì)。愛迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天賦，看來這個道理放之四海皆準(zhǔn)啊，1%是紅花，剩下的99%就是綠葉，少了哪個都不行。

　　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，同時要讓盡可能多的鋰離子從正極跑出來，移動到負(fù)極，然后還得從負(fù)極原數(shù)返回正極(不能變少了)，周而復(fù)始的搬運(yùn)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)，能量密度也會有相應(yīng)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(fù)極活性物質(zhì)的占比

　　這個其實(shí)是為了配合正極活性物質(zhì)的增加，需要更多的負(fù)極活性物質(zhì)來容納游過來的鋰離子，存儲能量。如果負(fù)極活性物質(zhì)不夠，多出來的鋰離子會沉積在負(fù)極表面，而不是嵌入內(nèi)部，出現(xiàn)不可逆的化學(xué)反應(yīng)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(yīng)，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(biāo)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，都是奔著這個目標(biāo)去的。

　　前面已經(jīng)分析過，鈷酸鋰可以達(dá)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(dá)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(fù)極材料的比容量

　　相對而言，負(fù)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(fù)極的比容量，則意味著以質(zhì)量更少的負(fù)極材料，就可以容納更多的鋰離子，從而達(dá)到提升能量密度的目標(biāo)。

　　以石墨類碳材料做負(fù)極，理論比容量在372mAh/g，在此基礎(chǔ)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(fù)極材料，也可以將負(fù)極的比容量提升到一個很高的量級，這些都是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)方向。

　　5、減重瘦身

　　除了正負(fù)極的活性物質(zhì)之外，電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、導(dǎo)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(jié)劑、基體和集流體、殼體材料、制造工藝等方面進(jìn)行詳細(xì)的研究和分析，從而找出合理的方案。各個方面都改善一些，就可以將電池的能量密度整體提升一個幅度。

　　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系統(tǒng)工程，要從改善制造工藝、提升現(xiàn)有材料性能、以及開發(fā)新材料和新化學(xué)體系這幾個方面入手，尋找短期、中期和長期的解決方案。