本文在考慮活性材料和非活性材料的基礎上，計算了不同不包括封裝材料和極耳的電芯的能量密度。然后計算了圓柱形18650單體的能量密度，根據(jù)計算得到預期能量密度，進一步核算電池成本。

 

根據(jù)計算得到鋰電池中的能量密度，進一步核算電池成本

 

 

一、不同負極材料的鋰離子電池電芯能量密度計算

 

正負極材料決定了電池能量密度，但是大部分文獻計算能量密度時都是基于單一的活性正極材料質(zhì)量，部分文獻考慮正負極材料的活性材料質(zhì)量之和，忽略了非活性電池材料的質(zhì)量，使得計算結果與實際偏差較大。

 

按照文獻[4]的計算方法，計算了常見的正負極鋰電材料能量密度，其容量和電壓如表1和表2所示。最近正極材料的容量正在不斷提高，但是與理論值還有較大差距，最高容量的選擇沒有采用報道中的最高值而是綜合考慮技術指標實現(xiàn)的可行性選擇表1和表2的數(shù)值。達到該值仍有許多問題，如控制體積膨脹、倍率特性、循環(huán)特性等。表3給出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)[4]。

 

然而，電池形狀各異，本工作中的電芯是指不含封裝材料和引線的所有其他材料，大部分計算是基于電芯的結果。并且，由于電極涂布的允許厚度、不同形狀的電池、非活性材料特征參數(shù)對計算結果有某程度上的影響，該表格計算結果與實際電池會有一定偏差，這與電池制造工藝密切相關。

 

圖29(a)-(j)展示了10種不同負極與16中正極材料組合形成的電芯的能量密度的計算結果。圖2(i)標明，Li-rich-300對Si-C-2000的電芯體系，所有的電池體系中具有最高質(zhì)量能量密度584Wh kg-2，以及最高的體積能量密度1645Wh L-1（不包括封裝材料和極耳）。

 

表1 計算所用正極活性物質(zhì)及其比容量、電壓

 

 

 

表2 計算所用負極活性物質(zhì)質(zhì)量及其比容量、電壓

 

根據(jù)計算得到鋰電池中的能量密度，進一步核算電池成本

 

根據(jù)計算得到鋰電池中的能量密度，進一步核算電池成本

 

根據(jù)計算得到鋰電池中的能量密度，進一步核算電池成本

 

根據(jù)計算得到鋰電池中的能量密度，進一步核算電池成本

 

根據(jù)計算得到鋰電池中的能量密度，進一步核算電池成本

 

根據(jù)計算得到鋰電池中的能量密度，進一步核算電池成本

 

圖2 不同負極材料與不同正極材料匹配的電芯能量密度計算(a)石墨；(b)軟碳SC-400；(d)硬碳-250；(e)SiOx-420；(f) SiOx-1000；(g)Si-C-450;(h)Si-C-1000；(j)鈦酸鋰

 

二、金屬鋰離子電池電芯能量密度計算

 

以上計算結果均為負極材料，石墨理論比容量為372mAh g-1[5]，目前可逆容量能達到365mAh g-1，高容量軌跡負極材料可逆容量可達到1000-1500mAh g-1。但在脫嵌鋰過程中存在較大的體積膨脹和收縮，實際容量難以全部發(fā)揮，僅為380-450mAh g-1。相對地，金屬鋰的理論比容量高達3860mAh g-1，即使利用率33%，也有1287mAh g-1，而且可以充當鋰源。然而金屬鋰有許多諸如鋰枝晶、孔洞不均勻生長、與電解液持續(xù)副反應、體積膨脹問題、循環(huán)過程中界面穩(wěn)定性等安全問題。

 

考慮到不同電池中金屬鋰容量發(fā)揮可能性不同，本工作計算了金屬鋰利用率分別為100%、80%、50%、33%匹配不同正極材料的鋰金屬電池的能量密度。圖3與圖2對比，可以看出金屬鋰容量發(fā)揮的時候，相同正極的體系，金屬鋰離子電池比鋰電池有更顯著的能量密度。如Li-rich-300正極材料在金屬鋰作為負極時，能量密度649Wh kg-1，即使發(fā)揮只有33%的時候能量密度也有521Wh kg-1。 

 

根據(jù)計算得到鋰電池中的能量密度，進一步核算電池成本

 

根據(jù)計算得到鋰電池中的能量密度，進一步核算電池成本

 

圖3 金屬鋰作為負極的電芯能量密度計算

 

(a)Li容量全部發(fā)揮；

 

(b)Li容量發(fā)揮80%；

 

(c)Li容量發(fā)揮50%；

 

(d)Li容量發(fā)揮33%.

 

三、18650單體電池能量密度估算

 

考慮連接的極耳和封裝材料，可以計算單體電池的能量密度。表4、5給出松NCR18650圓柱電池和Prismatic系列軟包方形單體電池的性能參數(shù)[6]。以NCR18650為例，其極耳以及封裝材料占單體電池的質(zhì)量分數(shù)一般為15%-20%。表6總結了鋰電池不同負極材料對應電芯最高能量密度以及18650最高能量密度。表7則給出Si-C-1000負極與不同正極材料電芯、單體能量密度，其中LCO-220電芯能量密度為492Wh kg-1，單體能量密度為416Wh kg-1，可以看出由于封裝材料所占電池總體比例更多，導致電池的能量密度進一步降低。

 

表4 松下NCR18560電池性能及參數(shù)

 

 

 

表5 松下Prismastic電池性能及參數(shù)

 

 

 

表6 不同負極材料的最高電芯能量密度、最高單體能量密度總結

 

 

 

表7 Si-C-1000負極與不同正極材料電芯能量密度、單體能量密度總結

 

 

 

四、電池能量密度與續(xù)航里程的關系

 

續(xù)航里程是電動車的核心指標，增加續(xù)航里程的最簡單方法是直接增加單體電池或電池模塊和容量，但是這卻會相應增加電池在電動汽車中所占的成本；另一種是在汽車電池包體積或者質(zhì)量不變的前提下，提升電池的能量密度。

 

以北汽EV200（整備質(zhì)量1.290t）為例，百公里耗電為14kWh，電池箱為220L，壽命要求為20萬公里。電池的質(zhì)量能量密度為180Wh kg-1時，EV200標準工況常溫下續(xù)航里程為200km。循環(huán)壽命的估計需要考慮全壽命里程設計要求，每次使用續(xù)航里程和壽命末期每次充電續(xù)駛里程因素，這樣估算20萬公里需要的電池循環(huán)壽命為2000次；在不提高電動車能量利用效率[10.85kWh/(100kmt)]，保持電池包體積不變的情況下，當電池的質(zhì)量能量密度達到400Wh kg-1時，電動車的續(xù)航里程可以達到521km，20萬公里要求的電池循環(huán)壽命估算值為600次，如果能達到這一技術標準將解決消費者對電動汽車里程焦慮的問題（表8）。

 

表8 電池能量密度與電動汽車續(xù)航里程關系的估算

 

 

 

五、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。均以100Ah容量的電芯為例，圖4展示了以硅碳為負極與不同正極材料組成的鋰電電芯成本以及以金屬鋰為負極，富鋰，NCM作為正極材料的金屬鋰離子電池電芯的成本?？梢缘贸鲭姵爻杀局?，正極材料和電解液的成本接近電芯成本的37%-56%，硅碳負極成本普遍接近38%-48%，占電芯成本比重較大。當金屬鋰作為負極時，富鋰，NCM作為正極材料電芯成本分別為0.2元/瓦時和0.29元/瓦時。相比硅碳作為負極，金屬鋰能量密度更高，成本顯著降低。

 

需要說明的是，電芯材料成本占電池制造成本的60%-70%。以上成本估值還需除以0.6-0.7，才是單體電池的實際成本。從結果上看，金屬鋰離子電池的成本相對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。

 

表9 100Ah電芯原材料成本