鋰離子電池和金屬鋰離子電池的能量密度計(jì)算-全文預(yù)覽
【正文】 1）、Lirich300 (649Wh?kg1)。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。cm3面密度/ g(1–x)LiMO2(M = Ni, Co, and Mn)250Lirich250250x Li2MnO3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。該數(shù)值不包括封裝材料與極耳。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。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]。而且富鋰錳基正極材料2V以上的容量做到了320mAhg1，富鋰正極的容量設(shè)定為300mAh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。根據(jù)計(jì)算得到了預(yù)期能量密度，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步核算了電池成本。祖晨曦等人對(duì)化學(xué)儲(chǔ)能的理論能量密度進(jìn)行了系統(tǒng)的計(jì)算[7]。在實(shí)際電池中，正負(fù)極材料具有高的壓實(shí)密度有利于高的體積能量密度以及高的質(zhì)量能量密度的實(shí)現(xiàn)。同時(shí)需要指出的是，在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域，電池體積能量密度更為重要。美國政府USABC在2015年11月將2020年電芯能量密度由原來的220Wh?kg1修訂為350Wh?kg1。圖1可以看出，過去鋰離子電池能量密度的提升基本上是線性關(guān)系，按照這一發(fā)展速度，預(yù)計(jì)到2020年鋰離子電池能量密度應(yīng)該提升到300Wh?kg1，2025年能量密度達(dá)到320 Wh?kg1，2030年能量密度達(dá)到390Wh?kg1。近幾年隨著新能源電動(dòng)汽車、儲(chǔ)能、通信、數(shù)據(jù)中心等新興領(lǐng)域的發(fā)展，帶動(dòng)了大容量鋰離子電池的發(fā)展。 batteries core 學(xué)習(xí)參考收稿日期：；修改稿日期：。D. In this research paper, the energy densities of LIB and MLIB have been calculated. Our calculation includes the active electrode materials and inactive materials inside the cell. For practical applications, energy density is essential but not the only factor to be considered, other requirements on the performances have to be satisfied in a balanced way. Key words：lithium ion batteries。.. . . ..鋰離子電池和金屬鋰離子電池的能量密度計(jì)算吳嬌楊，劉品，胡勇勝，李泓（中國科學(xué)院物理研究所，北京，100190）摘要：鋰電池是理論能量密度最高的化學(xué)儲(chǔ)能體系，估算各類鋰電池電芯和單體能達(dá)到的能量密度，對(duì)于確定鋰電池的發(fā)展方向和研發(fā)目標(biāo)，具有積極的意義。關(guān)鍵詞：鋰離子電池；金屬鋰離子電池；能量密度；18650電池；電芯中圖分類號(hào)：O ：A 文章編號(hào)：Calculation on energy densities of lithium ion batteries and metallic lithium ion batteriesWU Jiaoyang，Liu pin, HU Yongsheng, LI Hong(Institute of Physics, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China)Abstract: Lithium batteries have the highest theoretical energy densities among all electrochemical energy storage devices. Prediction of the energy density of the different lithium ion batteries (LIB) and metallic lithium ion batteries (MLIB) is valuable for understanding the limitation of the batteries and determine the directions of Ramp。 18650 cell。鋰離子電池已經(jīng)成熟應(yīng)用于消費(fèi)電子類產(chǎn)品以及電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車等小型動(dòng)力鋰離子電池市場(chǎng)中。SONY公司在1991年將鋰離子電池首先進(jìn)行商業(yè)化，最初的能量密度為80 Wh?kg1[3]，經(jīng)過25年的發(fā)展，鋰離子的能量密度已經(jīng)達(dá)到265 Wh?kg1，是過去的3倍多。日本政府早在2009年就提出了高能量密度電池的研發(fā)目標(biāo)[4]，2020年，純電動(dòng)汽車用動(dòng)力電池電芯能量密度為250Wh?kg1，2030年達(dá)到500Wh?kg1, 2030年以后發(fā)展到700Wh?kg1。2025年實(shí)現(xiàn)400Wh?kg1, 2030年實(shí)現(xiàn)500 Wh?kg1的目標(biāo)，需要有超越原來發(fā)展速度的創(chuàng)新研發(fā)。對(duì)于負(fù)極材料來說是高容量，低的平均脫鋰電壓。鋰離子電池之后，進(jìn)一步提升能量密度將朝著采用金屬鋰負(fù)極的電池發(fā)展，包括采用嵌入化合物正極，金屬鋰負(fù)極的金屬鋰離子電池，以及鋰硫電池，鋰空氣電池等。然后計(jì)算了圓柱型18650電芯的能量密度。近幾年考慮非活性物質(zhì)對(duì)電芯能量密度計(jì)算的工作已經(jīng)開展起來[8, 9]。g1，NCM811設(shè)定的容量為220mAh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。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。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。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。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]。(1–x)LiMO2(M = Ni, Co, and Mn)280Lirich280280x Li2MnO3g1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
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