【正文】 、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。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?yàn)楣腆w離子學(xué)與鋰電池材料，Email：hli。 batteries core 學(xué)習(xí)參考收稿日期：；修改稿日期：。 energy density calculation。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。同時(shí)指出，電池能量密度只是電池應(yīng)用考慮的一個(gè)重要指標(biāo)，面向?qū)嶋H應(yīng)用，需要兼顧其它技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。.. . . ..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(guó)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(lèi)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。本文根據(jù)主要正負(fù)極材料的比容量、電壓，同時(shí)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(jì)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(lèi)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(jì)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(xiàn)的選擇和能量密度所能達(dá)到的數(shù)值提供參考依據(jù)。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(lèi)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。 metal lithium ion batteries。 18650 cell?；痦?xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金項(xiàng)目（51325206），國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2012CB932900）。鋰離子電池已經(jīng)成熟應(yīng)用于消費(fèi)電子類(lèi)產(chǎn)品以及電動(dòng)工具、電動(dòng)自行車(chē)等小型動(dòng)力鋰離子電池市場(chǎng)中。各個(gè)領(lǐng)域都對(duì)提高鋰離子電池能量密度提出了進(jìn)一步要求[1]。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(guò)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(guò)去的3倍多。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(xiàn)性發(fā)展速度還需要細(xì)致考慮。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(chē)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。《中國(guó)制造2025》確定的技術(shù)目標(biāo)是2020年鋰離子電池能量密度到300Wh?kg1，2025年能量密度達(dá)到400 Wh?kg1，2030年能量密度達(dá)到500Wh?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(lái)發(fā)展速度的創(chuàng)新研發(fā)。目前18650圓柱鋰離子電池電芯能量密度達(dá)到了650680Wh?L1, 軟包及鋁殼動(dòng)力電池電芯的能量密度達(dá)到了450490Wh?L1。對(duì)于負(fù)極材料來(lái)說(shuō)是高容量，低的平均脫鋰電壓。優(yōu)秀的倍率特性將有利于高能量密度、功率密度在實(shí)際充放電過(guò)程中的實(shí)現(xiàn)，具備長(zhǎng)循環(huán)壽命可以使高的能量密度在較長(zhǎng)的服役期間維持，因此電池的實(shí)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(guān)。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。目前鋰離子電池技術(shù)實(shí)際能量密度可以達(dá)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(lèi)電池實(shí)際能達(dá)到的能量密度。然后計(jì)算了圓柱型18650電芯的能量密度。圖1 1990年2025年鋰離子電池能量密度發(fā)展路線(xiàn)圖 Development of lithium batteries energy density during the period of 1990–20251 不同負(fù)極材料的鋰離子電池電芯能量密度計(jì)算正負(fù)極材料的選擇決定了電池能量密度。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(kāi)展起來(lái)[8, 9]。從近年來(lái)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。g1，NCM811設(shè)定的容量為220mAhg1，NCA設(shè)定為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。g1，硅負(fù)極的容量可以達(dá)到4000mAh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。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(xiàn)的所有其它材料，大部分的計(jì)算是基于電芯的結(jié)果。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(lèi)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。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(shuō)的電芯的區(qū)別。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。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]。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]。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 pe