【正文】 語從1990年到現(xiàn)在，電池實際能量密度的提高主要是提高正負(fù)極活性物質(zhì)在電池中的質(zhì)量比例，降低非活性物質(zhì)的質(zhì)量比。既糾結(jié)了自己，又打擾了別人。2. 若不是心寬似海，哪有人生風(fēng)平浪靜。對于儲能電池，能量密度、功率密度的要求不是直接的，對循環(huán)壽命、服役年限、成本要求很高。L1能量/kWh重量/kg一次充電續(xù)航里程/km20萬公里要求的電池循環(huán)壽命18036027820020003006003144709504008003146286005. 高能量密度鋰電池的成本依據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化的電芯組成和工藝條件，可以大致推算出不同電池電芯原材料成本價格，所用原材料的成本參見表9。kg1346 269 323 268 365 442 375 能量密度SiC1000/ Lirich300SiC2000/Lirich300LTO / LCO220Li/Lirich300Li 80%/ Lirich300Li 50%/ Lirich300Li 33%/ Lirich300電芯/WhL1NCR18650B249687NCR18650A233630NCR18650F225595NCR18650E180462表5 松下prismatic電池性能及參數(shù)Table 5 The performances of Panasonic prismatic cell電池型號寬/ mm高/ mm厚/ mm質(zhì)量能量密度/ Wh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)用價值，因此本文針對金屬鋰作為負(fù)極，也計算了與不同正極材料匹配的電芯能量密度。表1 計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，硅負(fù)極的容量可以達到4000mAh目前鋰離子電池技術(shù)實際能量密度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。但是目前可以利用的材料電極體系和電池技術(shù)是否能持續(xù)維持這一線性發(fā)展速度還需要細(xì)致考慮。本文根據(jù)主要正負(fù)極材料的比容量、電壓，同時考慮非活性物質(zhì)集流體、導(dǎo)電添加劑、粘結(jié)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(fù)極、嵌入類化合物正極的金屬鋰離子電池電芯的預(yù)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)。圖1參考了George Crabtree等人[2]總結(jié)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。以提高能量密度為主要發(fā)展目標(biāo)的第三代鋰離子電池中，正負(fù)極材料都在處于升級換代的階段[5, 6]。g1。計算結(jié)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。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(fù)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(yīng)用的含硅復(fù)合負(fù)極的比容量僅為420450mAh?g1。L1。表6 不同負(fù)極材料的最高電芯能量密度、最高單體能量密度總結(jié)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/Wh從前面的計算結(jié)果看，高容量鈷酸鋰正極、富鋰錳基正極匹配高容量硅負(fù)極的鋰離子電池有可能實現(xiàn)這一目標(biāo)，而大部分的金屬鋰離子電池都可以實現(xiàn)這一目標(biāo)。不同應(yīng)用領(lǐng)域，對鋰離子電池各個性能指標(biāo)的要求不盡相同，圖5a展示了不同應(yīng)用領(lǐng)域主要技術(shù)指標(biāo)的蜘蛛圖，示意圖上每個指標(biāo)值的大小，即為該指標(biāo)的標(biāo)簽值與對應(yīng)坐標(biāo)值的乘積。致謝：感謝北汽新能源俞會根總工提供的EV200的技術(shù)數(shù)據(jù)，感謝寧德時代新能源鐘開富博士、東莞振華新能源科技有限公司李樹軍博士、深圳市優(yōu)特利電源有限公司孟亞斌博士、中國電力科學(xué)研究院電工與新材料研究所劉道坦博士對本文有益的討論。歲月是有情的，假如你奉獻給她的是一些色彩，它奉獻給你的也是一些色彩。從計算的結(jié)果可以看出，采用高容量的硅碳負(fù)極，富鋰錳基正極，18650電池能量密度可以達到442Wh從計算結(jié)果來看，金屬鋰離子電池的成本相對于鋰離子電池，還可以進一步下降到甚至低于鉛酸電池的程度。kg1399452495523336368398336電芯/Wh可以看出，由于封裝材料所占電池總體比例更多，導(dǎo)致電池能量密度進一步降低。富鋰錳基正極材料目前低溫容量保持率及倍率特性還有待提高，綜合來看，高容量鈷酸鋰作為正極的金屬鋰離子電池在質(zhì)量能量密度和體積能量密度上很有優(yōu)勢。(1–x)LiMO2在此基礎(chǔ)上，我們還計算了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。本文中，我們按照文獻[9]的計算方法，計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。同時需要指出的是，在消費電子、電動汽車、航空航天等領(lǐng)域，電池體積能量密度更為重要。 batteries core 學(xué)習(xí)參考收稿日期：；修改稿日期：。 18650 cell。2025年實現(xiàn)400Wh?kg1, 2030年實現(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)。近幾年考慮非活性物質(zhì)對電芯能量密度計算的工作已經(jīng)開展起來[8, 9]。本文在固定了文獻[9]的計算依據(jù)后給出了計算結(jié)果，這些結(jié)果可以在一定程度上預(yù)測不同類型的正負(fù)極材料匹配后的能量密度的相對高低，但實際電池與這些計算結(jié)果可能還會有偏差，與電池制造工藝密切相關(guān)，請讀者特別注意。(M = Ni, Co, and Mn)280Lirich280280x Li2MnO3例如，Lirich300正極材料在金屬鋰作為負(fù)極時，能量密度可以達到649 Wh?kg1，即使是金屬鋰的容量發(fā)揮33%時，電芯的能量密度也可以達到521 Wh?kg1。表7給出SiC1000負(fù)極與不同正極材料電芯、單體能量密度，其中LCO220電芯能量密度為492Wh?kg1，單體電池能量密度為416Wh?kg1；LMO電芯能量密度為275Wh?kg1，單體電池能量密度為233Wh?kg1；NCM811電芯能量密度為399Wh?kg1，單體電池能量密度為338Wh?kg1；NCA220電芯能量密度為398Wh?kg1，單體電池能量密度為337Wh?kg1；LNM電芯能量密度為336Wh?kg1，單體電池能量密度為284Wh?kg1；Li rich300電芯能量密度為523Wh?kg1，單體電池能量密度為442Wh?kg1。kg1239 343 416 233 203 246 258 285 能量密度NCM811Lirich250Lirich280Lirich300NCA180NCA200NCA220LNM電芯/Wh才是單體電池的實際