鋰離子電池的活性儲能材料為正負(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。

因此，計(jì)算鋰電池中的能量密度顯得尤為重要。本文在考慮活性材料和非活性材料的基礎(chǔ)上，計(jì)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(jì)算了圓柱形18650單體的能量密度，根據(jù)計(jì)算得到預(yù)期能量密度，進(jìn)一步核算電池成本。

圖1 1990-2030年鋰離子電池能量密度發(fā)展路線圖

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)^[1]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)^[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(jì)算是基于電芯的結(jié)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(jì)算結(jié)果有某程度上的影響，該表格計(jì)算結(jié)果與實(shí)際電池會有一定偏差，這與電池制造工藝密切相關(guān)。

圖29(a)-(j)展示了10種不同負(fù)極與16中正極材料組合形成的電芯的能量密度的計(jì)算結(jié)果。圖2(i)標(biāo)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）。

不同負(fù)極材料與不同正極材料匹配的電芯能量密度計(jì)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