【正文】 可以達到理論能量密度的62%（18650電芯），參考這一數(shù)值，可以初步估算各類電池實際能達到的能量密度。優(yōu)秀的倍率特性將有利于高能量密度、功率密度在實際充放電過程中的實現(xiàn)，具備長循環(huán)壽命可以使高的能量密度在較長的服役期間維持，因此電池的實際能量密度也與倍率特性、循環(huán)特性以及材料的特例特性有關。目前18650圓柱鋰離子電池電芯能量密度達到了650680Wh?L1, 軟包及鋁殼動力電池電芯的能量密度達到了450490Wh?L1?！吨袊圃?025》確定的技術目標是2020年鋰離子電池能量密度到300Wh?kg1，2025年能量密度達到400 Wh?kg1，2030年能量密度達到500Wh?kg1。但是目前可以利用的材料電極體系和電池技術是否能持續(xù)維持這一線性發(fā)展速度還需要細致考慮。各個領域都對提高鋰離子電池能量密度提出了進一步要求[1]。基金項目：國家自然科學基金杰出青年基金項目（51325206），國家重點基礎研究發(fā)展計劃（973）項目（2012CB932900）。 metal lithium ion batteries。本文根據(jù)主要正負極材料的比容量、電壓，同時考慮非活性物質(zhì)集流體、導電添加劑、粘結劑、隔膜、電解液、封裝材料占比，計算了不同材料體系組成的鋰離子電池和采用金屬鋰負極、嵌入類化合物正極的金屬鋰離子電池電芯的預期能量密度，并計算了18650型小型圓柱電池單體的能量密度，為電池發(fā)展路線的選擇和能量密度所能達到的數(shù)值提供參考依據(jù)。同時指出，電池能量密度只是電池應用考慮的一個重要指標，面向實際應用，需要兼顧其它技術指標的實現(xiàn)。 energy density calculation。第一作者：吳嬌楊（1988），女, 博士研究生，研究方向鋰離子電池電解質(zhì)Email：wujiaoyang8；通訊聯(lián)系人：李泓，研究員，研究方向為固體離子學與鋰電池材料，Email：hli。圖1參考了George Crabtree等人[2]總結的過去25年小型圓柱（18650電池，以松下公司產(chǎn)品作為主要參考依據(jù)）鋰離子電池能量密度的數(shù)據(jù)，繪制了能量密度發(fā)展路線圖。高能量密度電池是各國政府及領先電池企業(yè)競相布局、重點研發(fā)的方向。顯然，按照原來的發(fā)展速度，2020年可以達到日本和中國提出的目標。鋰離子電池的活性儲能材料為正負極材料，提升能量密度的辦法對于正極來說是提高放電電壓，放電容量。以提高能量密度為主要發(fā)展目標的第三代鋰離子電池中，正負極材料都在處于升級換代的階段[5, 6]。本文首先在考慮活性材料和非活性材料的基礎上，計算了不包括封裝材料和極耳的電芯的能量密度。不少文獻中關于電池能量密度的計算，主要是基于單一的活性正極材料的質(zhì)量計算，有些文獻考慮了正負極材料的活性材料質(zhì)量之和，這種計算忽略了非活性電池材料的質(zhì)量，報道的結果與實際可能達到的偏差較大，容易誤導讀者。較高值是預計未來可能達到的水平，例如，LCO設定的最高容量為220mAhg1。g1, 但是正、負極活性材料的最高容量的選擇沒有采用報道中的最高值，而是考慮綜合技術指標的實現(xiàn)的可行性選擇了表 表2的數(shù)值。而且是按照文獻[9]提供的計算依據(jù)，實際上需要注意，由于電極涂布的允許厚度對這個計算結果有較大的影響，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，會對計算結果有一定的影響。圖2 a～j展示了10種不同負極與16種正極材料組合形成的電芯的能量密度計算結果。計算結果中，能量密度排名第二的是LCO220對SiC2000,可以分別達到536 Wh?kg1，1597 Wh?L1。g1平均電壓vs Li/ VLiCoO2140LCO140140LiCoO2180LCO180180LiCoO2220LCO220220LiMn2O4LMO130LiFePO4LFP160LiCoPO4LCP130NCM333160NCM523180NCM811220xLi2MnO3(M = Ni, Co, and Mn)300Lirich300300NCA180180NCA200200NCA220220LNM135表2 計算所用負極活性物質(zhì)及其比容量、電壓Table 2 Anode materials and their performances in the calculation負極活性物質(zhì)分子式本文縮寫比容量/mAh石墨的理論比容量為372mAh?g1[15]，目前可逆容量能達到365mAh?g1，高容量硅基負極材料可逆容量可以達到10001500 mAh?g1, 但在脫嵌鋰過程中存在較大體積膨脹和收縮，實際電池中高容量難以全部發(fā)揮，目前實際應用的含硅復合負極的比容量僅為420450mAh?g1。當一個電池的正極材料為鋰離子電池中常用的嵌入化合物正極，負極為金屬鋰或含金屬鋰的復合材料時，這種電池本文稱之為金屬鋰離子電池(Metallic lithium ion batteries, Li/LiMX, 縮寫為MLIB)。與圖2對比可以看出，對于相同正極的體系，金屬鋰離子電池相比鋰離子電池具有顯著更高的能量密度。表表5給出松下NCR18650圓柱電池和prismatic系列軟包方型單體電池的性能參數(shù)[17]。L1。kg1體積能量密度/ Wh其中Lirich300對SiC2000電芯體系，在所有的電池體系中具有電芯最高能量密度為584Wh?kg1，單體電池最高能量密度為442Wh?kg1。例如，軟包電池封裝材料和極耳所占比重一般為26%。表6 不同負極材料的最高電芯能量密度、最高單體能量密度總結Table 6 The summary of the highest energy densities of Liion batteries using different anodes能量密度Graphite/ Lirich300SC250/LCO220SC400/ Lirich300HC/LCO220SiOx420/ Lirich300SiOx1000/ Lirich300SiC450/ Lirich300電芯/Whkg1523584 187 649630578521電芯/WhL18361173140275457370986793918650/Whkg1338 382 419 442 284 311 337 284 4 電池能量密度與續(xù)航里程的關系續(xù)航里程是電動汽車的核心指標，為了提升續(xù)航里程，最簡單的辦法是直接增加單體電池或電池模塊的數(shù)量和容量，這樣同時也會相應增加電池在電動汽車中所占的成本；另一種是在汽車電池包體積或電池包質(zhì)量不變的前提下，提升電池的能量密度。從前面的計算結果看，高容量鈷酸鋰正極、富鋰錳基正極匹配高容量硅負極的鋰離子電池有可能實現(xiàn)這一目標，而大部分的金屬鋰離子電池都可以實現(xiàn)這一目標。均以100 A h容量的電芯為例，圖4展示了以硅碳為負極與不同正極材料組成的鋰離子電池電芯的成本，以及金屬鋰作為負極材料，富鋰，NCM作為正極材料的金屬鋰離子電池電芯的成本。需要說明的是，電芯材料的成本約占電池制造成本的6070%。公斤1品名單價/元不同應用領域，對鋰離子電池各個性能指標的要求不盡相同，圖5a展示了不同應用領域主要技術指標的蜘蛛圖，示意圖上每個指標值的大小，即為該指標的標簽值與對應坐標值的乘積。圖5b展示了純電動汽車各個指標期望值與目前實際值的蜘蛛圖，最外面一圈為我們的理想的期望值，內(nèi)圈為純電動汽車電池目前水平值，目前的差距還較大，需要開發(fā)新的動力電池技術。技術方面，目前的確還有可能進一步降低隔膜、Cu、Al箔的厚度和質(zhì)量以及封裝材料的質(zhì)量分數(shù)，但挑戰(zhàn)非常大。而采用富