鋰離子電池和金屬鋰離子電池的能量密度計(jì)算-文庫吧
2025-06-10 01:25 本頁面
【正文】 , 9]。本文中，我們按照文獻(xiàn)[9]的計(jì)算方法，計(jì)算了目前已知的常見正、負(fù)極材料組成的鋰離子電池的能量密度，其容量和電壓分別參見表1，表2。從近年來的發(fā)展趨勢(shì)看，正極材料的容量正不斷提升，為此我們給出了高中低三種容量的選擇，較低數(shù)值是目前的商業(yè)產(chǎn)品的水平。較高值是預(yù)計(jì)未來可能達(dá)到的水平，例如，LCO設(shè)定的最高容量為220mAhg1，NCM811設(shè)定的容量為220mAhg1，富鋰正極的容量設(shè)定為300mAhg1，NCA設(shè)定為220mAhg1。這些數(shù)值并非技術(shù)研究已經(jīng)達(dá)到的最高值，與理論值還有一些差距。而且富鋰錳基正極材料2V以上的容量做到了320mAhg1，硅負(fù)極的容量可以達(dá)到4000mAhg1, 但是正、負(fù)極活性材料的最高容量的選擇沒有采用報(bào)道中的最高值，而是考慮綜合技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)的可行性選擇了表 表2的數(shù)值。即便如此，表1和表2中最高容量值的實(shí)現(xiàn)依然具有很大的挑戰(zhàn)，特別是在控制體積膨脹、倍率特性、循環(huán)性方面。表3給出了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)[9]。由于電池外殼形狀各異，目前也不統(tǒng)一，本文中電芯是指不含封裝材料和引線的所有其它材料，大部分的計(jì)算是基于電芯的結(jié)果。而且是按照文獻(xiàn)[9]提供的計(jì)算依據(jù)，實(shí)際上需要注意，由于電極涂布的允許厚度對(duì)這個(gè)計(jì)算結(jié)果有較大的影響，因此不同幾何形狀的電池，不同非活性材料的特征參數(shù)不同，會(huì)對(duì)計(jì)算結(jié)果有一定的影響。本文在固定了文獻(xiàn)[9]的計(jì)算依據(jù)后給出了計(jì)算結(jié)果，這些結(jié)果可以在一定程度上預(yù)測(cè)不同類型的正負(fù)極材料匹配后的能量密度的相對(duì)高低，但實(shí)際電池與這些計(jì)算結(jié)果可能還會(huì)有偏差，與電池制造工藝密切相關(guān)，請(qǐng)讀者特別注意。在此基礎(chǔ)上，我們還計(jì)算了18650型電池的能量密度，在本文后續(xù)的描述中，包含封裝材料和極耳的稱之為單體電池。而約定俗成的叫法是把單體電池也叫電芯，因此提請(qǐng)讀者注意本文計(jì)算時(shí)電芯定義和文獻(xiàn)中說的電芯的區(qū)別。圖2 a～j展示了10種不同負(fù)極與16種正極材料組合形成的電芯的能量密度計(jì)算結(jié)果。圖i表明，Lirich300對(duì)SiC2000的電芯體系，在所有的電池體系中具有最高質(zhì)量能量密度584Wh?kg1，以及最高體積能量密度1645 Wh?L1。該數(shù)值不包括封裝材料與極耳。按照目前的理解，實(shí)際電池中富鋰錳基正極材料和硅負(fù)極實(shí)現(xiàn)300和2000mAh?g1還是非常困難的，現(xiàn)有的富鋰錳基正極材料也還需要提高倍率性能[10, 11]。計(jì)算結(jié)果中，能量密度排名第二的是LCO220對(duì)SiC2000,可以分別達(dá)到536 Wh?kg1，1597 Wh?L1。LiCoO2理論比容量是274mAh?g1，目前報(bào)道的可逆容量已經(jīng)達(dá)到了220 mAh?g1[1214]。但高容量LiCoO2（180 mAh?g1）應(yīng)用還需要解決高電壓電解液、析氧、結(jié)構(gòu)不可逆轉(zhuǎn)變等問題。 表1 計(jì)算所用正極活性物質(zhì)及其比容量、電壓Table 1 Cathode materials and their performances in the calculation正極活性物質(zhì)分子式本文縮寫比容量/mAhg1平均電壓vs Li/ VLiCoO2140LCO140140LiCoO2180LCO180180LiCoO2220LCO220220LiMn2O4LMO130LiFePO4LFP160LiCoPO4LCP130NCM333160NCM523180NCM811220xLi2MnO3(1–x)LiMO2(M = Ni, Co, and Mn)250Lirich250250x Li2MnO3(1–x)LiMO2(M = Ni, Co, and Mn)280Lirich280280x Li2MnO3(1–x)LiMO2(M = Ni, Co, and Mn)300Lirich300300NCA180180NCA200200NCA220220LNM135 表2 計(jì)算所用負(fù)極活性物質(zhì)及其比容量、電壓Table 2 Anode materials and their performances in the calculation負(fù)極活性物質(zhì)分子式本文縮寫比容量/mAhg1平均電壓vs Li/ VGraphiteGraphite365soft carbon250容量SC250250soft carbon400容量SC400400hard carbonHC250SiOx420容量SiOx420420SiOx1000容量SiOx10001000SiC450容量SiC450450SiC1000容量SiC10001000SiC2000容量SiC20002000Li4Ti5O12LTO160Li metalLi3860Li metal 80%容量Li 80%3088Li metal 50%容量Li 50%1930Li metal 33%容量Li 33%1287表3 計(jì)算所用其他非活性物質(zhì)參數(shù)Table 3 Inactive materials considered in the calculation組成厚度/um體密度/ gcm3面密度/ gcm2質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%銅箔4鋁箔10隔膜25隔膜+電解液25粘結(jié)劑3電解液導(dǎo)電添加劑4注：比例參考文獻(xiàn)[9] 圖2 不同負(fù)極材料與不同正極材料匹配的電芯能量密度計(jì)算 (a) 石墨 (b) 軟碳SC250 (c) 軟碳SC400 (d) 硬碳250 (e) SiOx420 (f) SiOx1000 (g) SiC450 (h) SiC1000 (i) SiC2000 (j) 鈦酸鋰 Calculated energy densities of Liion battery (core parts in the cell) using different anodes(a) Graphite (b) SC250 (c) SC400 (d) HC (e) SiOx420 (f) SiOx1000 (g) SiC450 (h) SiC1000 (i) SiC2000 (j) LTO2 金屬鋰離子電池電芯能量密度計(jì)算以上電芯的計(jì)算結(jié)果中負(fù)極材料均為鋰離子電池負(fù)極。石墨的理論比容量為372mAh?g1[15]，目前可逆容量能達(dá)到365mAh?g1，高容量硅基負(fù)極材料可逆容量可以達(dá)到10001500 mAh?g1, 但在脫嵌鋰過程中存在較大體積膨脹和收縮，實(shí)際電池中高容量難以全部發(fā)揮，目前實(shí)際應(yīng)用的含硅復(fù)合負(fù)極的比容量?jī)H為420450mAh?g1。金屬鋰的理論比容量達(dá)到3860 mAh?g1，即使利用率為33%，容量也可以達(dá)到1287 mAh?g1，而且負(fù)極可以作為鋰源。用金屬鋰作為電池負(fù)極的可充放鋰電池研究很早就已經(jīng)受到人們的關(guān)注[16]，但金屬鋰枝晶和孔洞的不均勻生長(zhǎng)、與電解液的持續(xù)副反應(yīng)、體積膨脹問題、循環(huán)過程中的界面穩(wěn)定性、由此導(dǎo)致的安全性問題還未得到最終解決。然而從理論上考慮，一旦這些問題獲得解決，將具有重大的應(yīng)用價(jià)值，因此本文針對(duì)金屬鋰作為負(fù)極，也計(jì)算了與不同正極材料匹配的電芯能量密度。當(dāng)一個(gè)電池的正極材料為鋰離子電池中常用的嵌入化
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