鉅大LARGE | 點擊量：10153次 | 2018年05月09日
鋰電池能量密度上限在哪里？550Wh/kg可信嗎？
摘要：電池的能量密度基本由電池的正負極決定的，但光是正負極活性材料也不能保證電池能發上電，得有很多非活性物質，比如導電輔助劑、活性粉末之間的粘結劑、隔離膜、陰陽極的箔材、絕緣固定的膠紙、外邊鋁塑膜殼子或者鋼鋁殼等等（表1典型電池設計非活性物質的占比）。
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電池新聞三大月經貼：能量密度更高，電池安全更好，快充時間更短。其實也怪不得，這也是老百姓的客觀需求，就拿電動車來說，人家就拿燃油車的油缸來搪塞你，看你那么大坨電池，我加那么一丟丟汽油，就能跑幾百公里，電池車呢，跑幾十公里就趴著了。氣啊，還不是能量密度低整的事兒。
從下圖(圖1汽油與鋰電池能量密度的對比)來看，鋰離子電池的能量密度和體積能量密度確實比較低。開安全環保的電動車的人就回過頭來指著搞電池的說，咋不像摩爾定律那樣，18個月就把電池能量密度翻個番，鋰電池不行，咱就換個其他的，誰行誰上。這還真不能那么急，咱來看看這些個能進行充放電的電池都啥水平?再打開地圖找一找，看看是不是有啥錯過的寶貝，看看是不是那么容易，鋰電池是不是能達到燃油車的能量密度水平。
電池的能量密度基本由電池的正負極決定的，但光是正負極活性材料也不能保證電池能發上電，得有很多非活性物質，比如導電輔助劑、活性粉末之間的粘結劑、隔離膜、陰陽極的箔材、絕緣固定的膠紙、外邊鋁塑膜殼子或者鋼鋁殼等等(表1典型電池設計非活性物質的占比)。我們的媒體，總喜歡搞大新聞，有意無意的忽略這部分物質的含量，得出的能量密度老能高到天上去，與事實相差較大，誤導無辜吃瓜群眾。其實，這部分相當重要，就拿過去十幾年的技術進步來說，我們電池的能量密度提升主要就是靠著活性物質占比的提升來實現的。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
表1典型電池設計非活性物質(除引線等)的占比
圖3能量密度的變化與預測
CRABTREE2015年在Theenergy-storagefrontier:Lithium-ionbatteriesandbeyond中總結了過去25年松下18650電芯能量密度的變化。經過千辛萬苦，現在電芯實際R占比(Real/Cal.)已經達到了61%左右，實際電池系統加上管理系統、冷卻系統、引線等，成組實際能量密度會更進一步降低。下表例舉了一部分現有實際電池能量密度，可憐的明日之星鋰硫電池才10%左右的理論容量發揮;按照Rmax=61%算，理論能量密度最高的鋰空的能量密度大概為3182Wh/kg。
中科院的吳嬌楊博士對于選取了現有理論容量較高、理論容量較低但是商業化比較成熟等綜合性能比較好的正負極材料，進行正負極搭配，大致得出了結果：Li-rich-300對Si-C-2000的電芯體系，在所有的電池體系中具有最高質量能能量密度584W·h/kg以及最高體積能量密度1645W·h/L。該數值不包括封裝材料與極耳。
計算結果中，能量密度排名第二的是LCO-220對Si-C-2000，可以分別達到536W·h/kg和1597W·h/L。LiCoO2理論比容量是274mA·h/g，目前報道的可逆容量已經達到了220mA·h/g[12-14]。但是也有相應的問題，LiCoO2的放電可逆容量可以達到240～260mA·h/g，但高容量LiCoO2(>180mA·h/g)應用還需要解決高電壓電解液、析氧、結構不可逆轉等問題。
實際電池中富鋰錳基正極材料和硅負極實現300mA·h/g和2000mA·h/g還是非常困難的，現有的富鋰錳基正極材料也還需要提高倍率性能。另外，還核算了一下鋰金屬電池的最高實際發揮容量，100%Li容量發揮時候，基于最高的正極材料LCO-220，重量能量密度也僅僅只有587W·h/kg，體積能量密度只有1545W·h/L。另外，從圖5和圖6可以看到，負極采用金屬，與空氣等搭配可以獲得更高的能量密度，但是這類電池的應用可能性較小。
看了這些數據，我們大致可以得到結論，近期我們能夠觸碰到的能量密度可能是550Wh/kg左右，如果按照一次充電續航700公里的要求，我們大致需要配備約135KWh電量，只需要0.245T電池，對于車輛輕量化會有很大貢獻。
同時，電池能量密度提升，也會對電池的壽命要求有很大的降低;更為重要的是，電池的成本甚至可以降至0.2元/Wh，遠低于各大政府機構和商業機構的規劃和預期。
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