鉅大LARGE | 點擊量：10138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(fù)極決定的，但光是正負(fù)極活性材料也不能保證電池能發(fā)上電，得有很多非活性物質(zhì)，比如導(dǎo)電輔助劑、活性粉末之間的粘結(jié)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(shè)計非活性物質(zhì)的占比）。
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電池新聞三大月經(jīng)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(huán)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(jìn)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(dá)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(fù)極決定的，但光是正負(fù)極活性材料也不能保證電池能發(fā)上電，得有很多非活性物質(zhì)，比如導(dǎo)電輔助劑、活性粉末之間的粘結(jié)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(shè)計非活性物質(zhì)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(zhì)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(dǎo)無辜吃瓜群眾。其實，這部分相當(dāng)重要，就拿過去十幾年的技術(shù)進(jìn)步來說，我們電池的能量密度提升主要就是靠著活性物質(zhì)占比的提升來實現(xiàn)的。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
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(shè)計非活性物質(zhì)(除引線等)的占比
圖3能量密度的變化與預(yù)測
CRABTREE2015年在Theenergy-storagefrontier:Lithium-ionbatteriesandbeyond中總結(jié)了過去25年松下18650電芯能量密度的變化。經(jīng)過千辛萬苦，現(xiàn)在電芯實際R占比(Real/Cal.)已經(jīng)達(dá)到了61%左右，實際電池系統(tǒng)加上管理系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、引線等，成組實際能量密度會更進(jìn)一步降低。下表例舉了一部分現(xiàn)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(fā)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(xiàn)有理論容量較高、理論容量較低但是商業(yè)化比較成熟等綜合性能比較好的正負(fù)極材料，進(jìn)行正負(fù)極搭配，大致得出了結(jié)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(zhì)量能能量密度584W·h/kg以及最高體積能量密度1645W·h/L。該數(shù)值不包括封裝材料與極耳。
計算結(jié)果中，能量密度排名第二的是LCO-220對Si-C-2000，可以分別達(dá)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(jīng)達(dá)到了220mA·h/g[12-14]。但是也有相應(yīng)的問題，LiCoO2的放電可逆容量可以達(dá)到240～260mA·h/g，但高容量LiCoO2(>180mA·h/g)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)等問題。
實際電池中富鋰錳基正極材料和硅負(fù)極實現(xiàn)300mA·h/g和2000mA·h/g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。另外，還核算了一下鋰金屬電池的最高實際發(fā)揮容量，100%Li容量發(fā)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(fù)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(yīng)用可能性較小。
看了這些數(shù)據(jù)，我們大致可以得到結(jié)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(xù)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(xiàn)。
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(yuǎn)低于各大政府機(jī)構(gòu)和商業(yè)機(jī)構(gòu)的規(guī)劃和預(yù)期。
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