如何計(jì)算鋰離子電池的能量密度？電池能量密度和續(xù)航里程有什么關(guān)系？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-07-15 22:27
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近些年來，新能源汽車、儲(chǔ)能、通信、數(shù)據(jù)中心等新興領(lǐng)域得到了迅速發(fā)展，極大地推動(dòng)了大容量鋰離子電池的發(fā)展，各個(gè)領(lǐng)域?qū)?a class="seo-anchor" data-anchorid="121" href="http://www.pdszhhs.com/" style="box-sizing: border-box; color: rgb(169, 131, 38); text-decoration: none; background-color: transparent;" target="_blank">鋰離子電池的能量密度提出了更高的要求。
鋰離子電池的活性儲(chǔ)能材料為正負(fù)極材料，提高能量密度的辦法對于正極來說就是提高放電電壓和放電容量。對于負(fù)極材料來說就是高容量和低的平均脫鋰電壓。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)極材料都處于升級(jí)換代的階段。今后進(jìn)一步提高能量密度將朝著采用金屬鋰負(fù)極的電池發(fā)展。
一、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)極材料決定了電池能量密度，但是大部分文獻(xiàn)計(jì)算能量密度時(shí)都是基于單一的活性正極材料質(zhì)量，部分文獻(xiàn)考慮正負(fù)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(jì)算結(jié)果與實(shí)際偏差較大。
按照文獻(xiàn)的計(jì)算方法，計(jì)算了常見的正負(fù)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(bào)道中的最高值而是綜合考慮技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可行性選擇表1和表2的數(shù)值。達(dá)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)。
二、金屬鋰離子電池電芯能量密度計(jì)算
以上計(jì)算結(jié)果均為負(fù)極材料，石墨理論比容量為372mAh g-1，目前可逆容量能達(dá)到365mAh g-1，高容量軌跡負(fù)極材料可逆容量可達(dá)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(shí)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(dá)3860mAh g-1，即使利用率33%，也有1287mAh g-1，而且可以充當(dāng)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(yīng)、體積膨脹問題、循環(huán)過程中界面穩(wěn)定性等安全問題。
三、18650單體電池能量密度估算
考慮上連接的極耳和封裝材料，可以計(jì)算單體電池的能量密度。表4、5給出松下NCR18650圓柱電池和Prismatic系列軟包方形單體電池的性能參數(shù)。以NCR18650為例，其極耳以及封裝材料占單體電池的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為15%-20%。表6總結(jié)了鋰電池不同負(fù)極材料對應(yīng)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(fù)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(dǎo)致電池的能量密度進(jìn)一步降低。
四、電池能量密度與續(xù)航里程的關(guān)系
續(xù)航里程是電動(dòng)車的核心指標(biāo)，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(huì)相應(yīng)增加電池在電動(dòng)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(shí)，EV200標(biāo)準(zhǔn)工況常溫下續(xù)航里程為200km。循環(huán)壽命的估計(jì)需要考慮全壽命里程設(shè)計(jì)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
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(jià)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(fù)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(fù)極，富鋰，NCM作為正極材料的金屬鋰離子電池電芯的成本?？梢缘贸鲭姵爻杀局校龢O材料和電解液的成本接近電芯成本的37%-56%，硅碳負(fù)極成本普遍接近38%-48%，占電芯成本比重較大。當(dāng)金屬鋰作為負(fù)極時(shí)，富鋰，NCM作為正極材料電芯成本分別為0.2元/瓦時(shí)和0.29元/瓦時(shí)。相比硅碳作為負(fù)極，金屬鋰能量密度更高，成本顯著降低。
