鋰離子電池和金屬鋰離子電池的能量密度計(jì)算-文庫(kù)吧資料
2025-07-01 01:25本頁(yè)面
【正文】 549 533 489 表7 SiC1000負(fù)極與不同正極材料電芯能量密度、單體能量密度總結(jié)Table 7 The summary of energy densities of Liion battery using SiC1000 anode with different cathodes能量密度LCO140LCO180LCO220LMOLFPLCPNCM333NCM523電芯/Whkg1523584 187 649630578521電芯/WhL1968730862708 10681404 110518650/Wh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對(duì)于動(dòng)力電池而言，關(guān)鍵是看電池包的質(zhì)量能量密度和體積能量密度，這與熱管理、散熱、模塊設(shè)計(jì)、安全性、電源管理系統(tǒng)等密切相關(guān)。例如，軟包電池封裝材料和極耳所占比重一般為26%?？梢钥闯觯捎诜庋b材料所占電池總體比例更多，導(dǎo)致電池能量密度進(jìn)一步降低。其中Lirich300對(duì)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。18650極耳以及封裝材料占單體電池的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為1520%，%左右，%質(zhì)量分?jǐn)?shù)為基礎(chǔ)，估算得出單體電池的能量密度。kg1體積能量密度/ Whkg1體積能量密度/ WhL1。L1。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]。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(lái)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(shì)。與圖2對(duì)比可以看出，對(duì)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。圖3可以看出當(dāng)金屬鋰容量全部發(fā)揮時(shí)，不同正極材料的MLIB分別達(dá)到如下能量密度：LCO220（587Wh?kg1）、LMO（320 Wh?kg1）、NCM811（485 Wh?kg1）、NCA220（483 Wh?kg1）、LNM（387 Wh?kg1）、Lirich300 (649Wh?kg1)。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合物正極，負(fù)極為金屬鋰或含金屬鋰的復(fù)合材料時(shí)，這種電池本文稱(chēng)之為金屬鋰離子電池(Metallic lithium ion batteries, Li/LiMX, 縮寫(xiě)為MLIB)。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(wèn)題、循環(huán)過(guò)程中的界面穩(wěn)定性、由此導(dǎo)致的安全性問(wèn)題還未得到最終解決。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(guò)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。cm3面密度/ g(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(xiě)比容量/mAh(1–x)LiMO2(M = Ni, Co, and Mn)250Lirich250250x Li2MnO3g1平均電壓vs Li/ VLiCoO2140LCO140140LiCoO2180LCO180180LiCoO2220LCO220220LiMn2O4LMO130LiFePO4LFP160LiCoPO4LCP130NCM333160NCM523180NCM811220xLi2MnO3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(wèn)題。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。該數(shù)值不包括封裝材料與極耳。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。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(chēng)之為單體電池。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。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]。g1, 但是正、負(fù)極活性材料的最高容量的選擇沒(méi)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。而且富鋰錳基正極材料2V以上的容量做到了320mAhg1。g1，富鋰正極的容量設(shè)定為300mAh較高值是預(yù)計(jì)未來(lái)可能達(dá)到的水平，例如，LCO設(shè)定的最高容量為220mAh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(jiàn)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(jiàn)表1，表2。不少文獻(xiàn)中關(guān)于電池能量密度的計(jì)算，主要是基于單一的活性正極材料的質(zhì)量計(jì)算，有些文獻(xiàn)考慮了正負(fù)極材料的活性材料質(zhì)量之和，這種計(jì)算忽略了非活性電池材料的質(zhì)量，報(bào)道的結(jié)果與實(shí)際可能達(dá)到的偏差較大，容易誤導(dǎo)讀者。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。本文首先在考慮活性材料和非活性材料的基礎(chǔ)上，計(jì)算了不包括封裝材料和極耳的電芯的能量密度。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]。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(jí)換代的階段[5, 6]。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)。鋰離子電池的活性?xún)?chǔ)能材料為正負(fù)極材料，提升能量密度的辦法對(duì)于正極來(lái)說(shuō)是提高放電電壓，放電容量。同時(shí)需要指出的是，在消費(fèi)電子、電動(dòng)汽車(chē)、航空航天等領(lǐng)域，電池體積能量密度更為重要。顯然，按照原來(lái)的發(fā)展速度，2020年可以達(dá)到日本和中國(guó)提出的目標(biāo)。美國(guó)政府USABC在2015年11月將2020年電芯能量密度由原來(lái)的220Wh?kg1修訂為350Wh?kg1。高能量密度電池是各國(guó)政府及領(lǐng)先電池企業(yè)競(jìng)相布局、重點(diǎn)研發(fā)的方向。圖1可以看出，過(guò)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。圖1參考了George Crabtree等人[2]總結(jié)的過(guò)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。近幾年隨著新能源電動(dòng)汽車(chē)、儲(chǔ)能
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