是什么決定了新能源汽車的續(xù)航里程？新能源汽車的續(xù)航主要取決于可用電量和整車能耗。

續(xù)航能力↑=可用電量↑÷能耗↓

在相同能耗不變，電池包體積和重量不變都受到嚴(yán)格限制的情況下，新能源汽車的單次最大行駛里程主要取決于電池的能量密度。

 電池包系統(tǒng)在整車中的布局

▌什么是能量密度？

能量密度(Energydensity)是指在單位一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。電池的能量密度一般分重量能量密度和體積能量密度兩個(gè)維度。

電池重量能量密度=電池容量×放電平臺(tái)/重量，基本單位為Wh/kg(瓦時(shí)/千克)

電池體積能量密度=電池容量×放電平臺(tái)/體積，基本單位為Wh/L(瓦時(shí)/升)

電池的能量密度越大，單位體積、或重量內(nèi)存儲(chǔ)的電量越多。

▌什么是單體能量密度？

電池的能量密度常常指向兩個(gè)不同的概念，一個(gè)是單體電芯的能量密度，一個(gè)是電池系統(tǒng)的能量密度。

電芯是一個(gè)電池系統(tǒng)的最小單元。M個(gè)電芯組成一個(gè)模組，N個(gè)模組組成一個(gè)電池包，這是車用動(dòng)力電池的基本結(jié)構(gòu)。

圖2 動(dòng)力電池系統(tǒng)構(gòu)造示意圖

單體電芯能量密度，顧名思義是單個(gè)電芯級(jí)別的能量密度。

根據(jù)《中國制造2025》明確了動(dòng)力電池的發(fā)展規(guī)劃：2020年，電池能量密度達(dá)到300Wh/kg；2025年，電池能量密度達(dá)到400Wh/kg；2030年，電池能量密度達(dá)到500Wh/kg。這里指的就是單個(gè)電芯級(jí)別的能量密度。

▌什么是系統(tǒng)能量密度？

系統(tǒng)能量密度是指單體組合完成后的整個(gè)電池系統(tǒng)的電量比整個(gè)電池系統(tǒng)的重量或體積。因?yàn)殡姵叵到y(tǒng)內(nèi)部包含電池管理系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)，高低壓回路等占據(jù)了電池系統(tǒng)的部分重量和內(nèi)部空間，因此電池系統(tǒng)的能量密度都比單體能量密度低。

系統(tǒng)能量密度=電池系統(tǒng)電量/電池系統(tǒng)重量OR電池系統(tǒng)體積

▌究竟是什么限制了鋰電池的能量密度？

電池背后的化學(xué)體系是主要原因難逃其咎。

一般而言，鋰電池的四個(gè)部分非常關(guān)鍵：正極，負(fù)極，電解質(zhì)，膈膜。正負(fù)極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方，相當(dāng)于任督二脈，重要地位可見一斑。

圖3 方殼電芯結(jié)構(gòu)圖

我們都知道以三元鋰為正極的電池包系統(tǒng)能量密度要高于以磷酸鐵鋰為正極的電池包系統(tǒng)。這是為什么呢？

現(xiàn)有的鋰離子電池負(fù)極材料多以石墨為主，石墨的理論克容量372mAh/g。正極材料磷酸鐵鋰?yán)碚摽巳萘恐挥?60mAh/g，而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。

根據(jù)木桶理論，水位的高低決定于木桶最短處，鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料。

磷酸鐵鋰的電壓平臺(tái)是3.2V，三元的這一指標(biāo)則是3.7V，兩相比較，能量密度高下立分：16%的差額。

當(dāng)然，除了化學(xué)體系，生產(chǎn)工藝水平如壓實(shí)密度、箔材厚度等，也會(huì)影響能量密度。一般來說，壓實(shí)密度越大，在有限空間內(nèi)，電池的容量就越高，所以主材的壓實(shí)密度也被看做電池能量密度的參考指標(biāo)之一。

在《大國重器II》第四集中，寧德時(shí)代采用了6微米銅箔，利用先進(jìn)的工藝水平，提升了能量密度。

如果你能堅(jiān)持每行讀下來一直讀到這里。恭喜，你對(duì)電池的理解已經(jīng)上了一個(gè)層次。

▌如何提高能量密度呢？

新材料體系的采用、鋰電池結(jié)構(gòu)的精調(diào)、制造能力的提升是研發(fā)工程師“長袖善舞”的三塊舞臺(tái)。下面，我們會(huì)從單體和系統(tǒng)兩個(gè)維度進(jìn)行講解。

——單體能量密度，主要依靠化學(xué)體系的突破

01 增大電池尺寸

電池廠家可以通過增大原來電池尺寸來達(dá)到電量擴(kuò)容的效果。我們最熟悉的例子莫過于：率先使用松下18650電池的知名電動(dòng)車企特斯拉將換裝新款21700電池。

圖4 不同尺寸的圓柱電池對(duì)比

但是電芯“變胖”或者“長個(gè)”只是治標(biāo)，并不治本。釜底抽薪的辦法，是從構(gòu)成電池單元的正負(fù)極材料以及電解液成分中，找到提高能量密度的關(guān)鍵技術(shù)。

02 化學(xué)體系變革

前面提到，電池的能量密度受制于由電池的正負(fù)極。由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級(jí)正極材料。

高鎳正極

三元材料通指鎳鈷錳酸鋰氧化物大家族，我們可以通過改變鎳、鈷、錳這三種元素的比例來改變電池的性能。

在圖5中幾種典型三元材料中可以看出，鎳的占比越來越高，鈷的占比越來越低。鎳的含量越高，意味著電芯的比容量就越高。另外，由于鈷資源稀缺，提高鎳的比例，將降低的降低鈷的使用量。

圖5 不同正極材料的克容量對(duì)比

硅碳負(fù)極

硅基負(fù)極材料的比容量可以達(dá)到4200mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極理論比容量的372mAh/g，因此成為石墨負(fù)極的有力替代者。

目前，用硅碳復(fù)合材料來提升電池能量密度的方式，已是業(yè)界公認(rèn)的鋰離子電池負(fù)極材料發(fā)展方向之一。特斯拉發(fā)布的Model3就采用了硅碳負(fù)極。

在未來，如果想要百尺竿頭更進(jìn)一步——突破單體電芯350Wh/kg的關(guān)口，業(yè)內(nèi)同行們可能需要著眼于鋰金屬負(fù)極型的電池體系，不過這也意味著整個(gè)電池制作工藝的更迭與精進(jìn)。

圖6 鋰離子電池電池體系的高能化發(fā)展趨勢(shì)

03 系統(tǒng)能量密度：提升電池包的成組效率

電池包的成組考驗(yàn)的是電池“攻城獅“們對(duì)單體電芯和模組排兵布陣的能力，需要以安全性為前提，最大程度地利用每一寸空間。

電池包的“瘦身”主要有以下幾種方式。

優(yōu)化排布結(jié)構(gòu)

從外形尺寸方面，可以優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的布置，讓電池包內(nèi)部零部件排布更加緊湊高效。

拓?fù)鋬?yōu)化

我們通過仿真計(jì)算在確保剛強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，實(shí)現(xiàn)減重設(shè)計(jì)。通過該技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化最終幫助實(shí)現(xiàn)電池箱體輕量化。

選材

我們可以選擇低密度材料，如電池包上蓋已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金上蓋逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料上蓋，可以減重約35%。針對(duì)電池包下箱體，已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金方案逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殇X型材的方案，減重量約40%，輕量化效果明顯。

整車一體化設(shè)計(jì)

整車一體化設(shè)計(jì)與整車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通盤考慮，盡可能共享、共用結(jié)構(gòu)件，例如防碰撞設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)極致的輕量化

1、充電

　　鋰電安全工作電壓范圍是2.8~4.2V，低于或高于這個(gè)電壓范圍電池中的鋰離子變得非常不穩(wěn)定，甚至造成事故。為保證電池處于安全范圍，因此需要專門的充電器。這些充電器會(huì)自動(dòng)根據(jù)電池當(dāng)前狀態(tài)而調(diào)整充電方式。

　　2、激活

　　鋰充電器開始充電前，會(huì)以小電流供給電池，并同時(shí)檢測(cè)電池電壓變化，并逐漸加大電流直到設(shè)定值。此過程可以視作一種激活或者測(cè)試性充電。

　　3、恒流變壓充電

　　充電器以恒定的電流給電池充電，隨著電池電壓的升高，充電器同時(shí)提高充電電壓，以加快充電速度。

　　4、變流恒壓充電

　　當(dāng)電池到達(dá)4.2V截止電壓時(shí)候，此時(shí)電池大約僅沖入70%左右的電量（并未飽滿）。此時(shí)充電器即以恒定的電壓，逐漸變小的電流對(duì)電池繼續(xù)充電，值至小于0.1A充電仍然檢測(cè)到電池電壓繼續(xù)升高時(shí)候才停止充電。

　　聚合物鋰電池正確充電方法

　　1、聚合物鋰電池充電時(shí)，充電器最好是選擇原廠的專用充電器，否則會(huì)影響或損壞聚合物鋰電池。

　　2、聚合物鋰電池充電時(shí)最好以慢充方式進(jìn)行，盡量避免快充，反復(fù)充放電也會(huì)影響聚合物鋰電池的壽命。

　　3、手機(jī)超過7天不使用，應(yīng)將聚合物鋰電池完全充足后再使用，聚合物鋰電池有自放電現(xiàn)象。

　　4、聚合物鋰電池充電時(shí)間并不是越長越好，對(duì)普通充電器來說，當(dāng)聚合物鋰電池充滿后應(yīng)立即停止充電，否則聚合物鋰電池會(huì)因發(fā)熱或過熱影響電池性能。

　　5、聚合物鋰電池充電結(jié)束后，盡量避免在充電器上放置超過10小時(shí)，如長期不用時(shí)應(yīng)做到手機(jī)和聚合物鋰電池電池分離。

　　鋰電池正確充電注意事項(xiàng)

　　1、避免在過高溫度下充電

　　如果在高于規(guī)定的操作溫度，即35°C以上的環(huán)境中使用鋰電，電池的電量將會(huì)不斷的減少，即電池的供電時(shí)間不會(huì)像往常那樣長。如果在這樣的溫度下，還要為設(shè)備充電，那對(duì)電池的損傷將更大。即使是在較熱的環(huán)境中存放電池，也會(huì)不可避免的對(duì)電池的質(zhì)量造成相應(yīng)的損壞。所以，盡量保持在適益的操作溫度是延長鋰電壽命的好方法。

　　2、避免在過低溫度下充電

　　如果在低溫環(huán)境，即4°C以下中使用鋰電，同樣也會(huì)發(fā)現(xiàn)電池的使用時(shí)間減少了，有些手機(jī)的原裝鋰電在低溫環(huán)境中甚至充不上電。但不必太擔(dān)心，這只是暫時(shí)狀況，不同于高溫環(huán)境下的使用，一旦溫度升起來，電池中的分子受熱，就馬上恢復(fù)到以前的電量。

　　3、經(jīng)常使用

　　生命在于運(yùn)動(dòng)。要想發(fā)揮鋰離子電池的最大效能，就需要經(jīng)常用它，讓鋰電內(nèi)的電子始終處于流動(dòng)狀態(tài)。如果不經(jīng)常使用鋰電，請(qǐng)一定記得每月給鋰電完成一個(gè)充電周期，做一次電量校準(zhǔn)，即深放深充一次。

電池是一個(gè)很全方位的產(chǎn)品，你要提升某一方面的性能，可能會(huì)犧牲其他方面的性能，這是電池設(shè)計(jì)研發(fā)的理解基礎(chǔ)。動(dòng)力電池屬于車載專用，因而能量密度不是衡量電池品質(zhì)的唯一尺度。

作為新一代可充電電源，鋰離子電池具有能量密度大、工作電壓高、工作溫度范圍寬、循環(huán)壽命長、安全性能高等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng)前充電電池的主流發(fā)展方向。它還具有低維護(hù)需求和無記憶效應(yīng)等特點(diǎn)，在作戰(zhàn)中可隨時(shí)充放電，且?guī)缀醪恍枞魏螒?zhàn)場(chǎng)維護(hù)，減少后勤負(fù)擔(dān)，因此受到各國軍隊(duì)的重視和發(fā)展。近年來，鋰離子電池被廣泛用于單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、潛艇、無人機(jī)、空天飛行器等軍事裝備，在陸、海、空、天領(lǐng)域展示出廣闊的應(yīng)用前景。

優(yōu)勢(shì)不可替代

鋰離子電池是繼鎳氫等傳統(tǒng)蓄電池之后的新一代可充電電池，由日本索尼公司于1990年最先研發(fā)成功。鋰離子電池工作原理簡單，具有較好的安全性和較長的充放電壽命，被認(rèn)為是新型動(dòng)力源的首選。

鋰離子電池在軍事應(yīng)用中具有以下優(yōu)點(diǎn)。工作電壓高。一節(jié)鋰離子電池的放電電壓相當(dāng)于3節(jié)傳統(tǒng)蓄電池，同等使用條件下，大大減少電池使用量。能量密度高。是普通蓄電池的2至3倍，加上體積小、重量輕，用于野戰(zhàn)便攜式電子設(shè)備有不可替代的優(yōu)勢(shì)。循環(huán)使用壽命長。使用壽命長達(dá)10至15年，與傳統(tǒng)蓄電池7至8年相比，降低了造價(jià)高昂帶來的影響。無環(huán)境污染。不含鉛、汞等重金屬，是一種潔凈的“綠色”能源。無記憶效應(yīng)?？呻S意充放電，尤其在戰(zhàn)時(shí)和緊急情況下顯示出優(yōu)異的使用性能。低維護(hù)率。幾乎不需要任何維護(hù)，減少戰(zhàn)時(shí)后勤負(fù)擔(dān)。此外，還有安全性能高、工作溫度范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。

近年來，各國將鋰離子電池作為替代傳統(tǒng)蓄電池的新型電池大力發(fā)展，新型鋰離子電池具備諸多特色，在便攜式電子設(shè)備應(yīng)用方面展現(xiàn)出不可替代的優(yōu)勢(shì)。

趨于可彎曲輕量化。隨著小型化、便攜式、可穿戴電子裝備日益增多，要求與之適配的電源具有重量輕、體積小、比能量高、可任意形變等特點(diǎn)，鋰離子電池憑借優(yōu)異性能成為上述電子設(shè)備的首選電源。2013年，美軍研發(fā)出一款可拉伸的鋰離子電池，能內(nèi)置手表腕帶中，為單兵智能手表等裝置供電。日本新推出一種柔性超薄鋰離子電池，在彎曲折疊后依然保持穩(wěn)定的電量輸出。該電池的另一個(gè)技術(shù)亮點(diǎn)是采用無線充電技術(shù)，使可穿戴設(shè)備無需專門設(shè)計(jì)電池安裝區(qū)域。

能量密度持續(xù)提高。促進(jìn)鋰離子電池發(fā)展的一大因素是新興電池材料的應(yīng)用。近年來，隨著多種新型電極材料被應(yīng)用，大大提升鋰離子電池的能量密度、循環(huán)使用壽命和穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能。另外，鋰離子電池的制造工藝也取得多項(xiàng)技術(shù)突破。日本新型耐高溫全固態(tài)鋰離子電池，在150℃的高溫環(huán)境中仍具備良好的導(dǎo)電性能，此項(xiàng)技術(shù)擴(kuò)大鋰離子電池的應(yīng)用范圍。美國采用噴涂工藝可大面積制造鋰離子電池，幾乎可以在所有物體表面形成電池，可進(jìn)一步提高戰(zhàn)場(chǎng)能源的保障能力。

安全性能取得技術(shù)突破。高安全性是軍事裝備對(duì)鋰離子電池的剛性要求，保證電池在受到高強(qiáng)度打擊和沖擊時(shí)絕對(duì)安全，主要通過使用高安全材料和優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。2017年1月，美國斯坦福大學(xué)研發(fā)出一種含有阻燃劑的微型“智能”纖維，插在電池的電極之間，可阻止電池短路起火。在測(cè)試中，當(dāng)鋰離子電池溫度達(dá)到160℃以上時(shí)，阻燃劑會(huì)被釋放到電解質(zhì)中，確保電池安全。

未來軍事裝備的主選

鋰離子電池作為動(dòng)力源，近年來被廣泛應(yīng)用在單兵電子設(shè)備、潛艇、魚雷、無人機(jī)中，展現(xiàn)出良好的使用性能，逐漸成為軍事裝備的重要能源。

單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)的首選電源。鋰離子電池作為目前性能最好的蓄電池，不僅能為戰(zhàn)場(chǎng)上的單兵電子設(shè)備提供持久穩(wěn)定電源，還可大大減輕單兵負(fù)重，增強(qiáng)單兵作戰(zhàn)的靈活性和機(jī)動(dòng)性，成為未來單兵裝備的首選電源。美陸軍開發(fā)的“士兵適形電池”，就是一種可穿戴的鋰離子聚合物電池，外形輕薄，排列放置在士兵穿著的防彈板上，減輕士兵承重。英國國防部將鋰離子電池作為單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)補(bǔ)給能源，研制的袋狀鋰離子電池具有超高比能量。此外，當(dāng)前世界各國軍隊(duì)研發(fā)的未來士兵作戰(zhàn)系統(tǒng)大多采用鋰離子電池作為動(dòng)力源，如美國“陸地勇士”單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)和德國“未來士兵”系統(tǒng)都使用鋰離子電池。

海上裝備的“能源新寵”。鋰離子電池用作潛艇的動(dòng)力源，可極大提高潛艇航速、續(xù)航里程、生存能力，降低潛艇維護(hù)成本。近年來，多國海軍將鋰離子電池應(yīng)用于微型潛艇，同時(shí)開發(fā)適用于中遠(yuǎn)程潛艇的鋰離子電池。例如，法軍天蝎級(jí)潛艇裝備新一代鋰離子電池，能夠承受大電流充電，使?jié)撏С潆姇r(shí)間大幅縮短，水下續(xù)航時(shí)間翻倍。

鋰離子電池用于魚雷，可大幅降低魚雷動(dòng)力部分的體積和重量，并能在訓(xùn)練中反復(fù)使用，滿足部隊(duì)訓(xùn)練需求。目前，法國海軍已成功開發(fā)鋰離子電池魚雷，運(yùn)行速度超過50節(jié)（92．5千米／小時(shí)），續(xù)航時(shí)間超過1小時(shí)，可靠性和安全性均滿足作戰(zhàn)性能要求。此外，外軍還探索將鋰離子電池用作水面艦艇的電力系統(tǒng)。

空天飛行器的“第三代電源”。鋰離子電池被稱為第三代航天電源，近年來逐步應(yīng)用于各類航天設(shè)備。例如，新式鋰離子電池已經(jīng)用作國際太空站電源。在軍事航空領(lǐng)域，鋰離子電池主要應(yīng)用于小型、微型無人機(jī)。美軍在阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中投入使用的“龍眼”無人偵察機(jī)，采用鋰離子電池作為動(dòng)力源，已在作戰(zhàn)中得到檢驗(yàn)。不過總體看，鋰離子電池在這一領(lǐng)域的應(yīng)用仍處于起步階段，主要制約因素是小型化不足、動(dòng)力不夠等。

大型裝備的動(dòng)力源不足。在地面裝備中，鋰離子電池主要應(yīng)用于軍用無人地面車輛、機(jī)器人、混合電動(dòng)戰(zhàn)車等。對(duì)使用油電混合驅(qū)動(dòng)的地面戰(zhàn)車來說，采用鋰離子電池作為動(dòng)力源不僅可以降低油耗，減少后勤負(fù)擔(dān)，還可以提高戰(zhàn)術(shù)車輛的機(jī)動(dòng)力和生存能力。目前，外軍積極為混合電驅(qū)動(dòng)戰(zhàn)車、無人地面車輛、地面機(jī)器人研發(fā)鋰離子電池模塊。不過，對(duì)大型地面裝備來說，鋰離子電池功率偏弱是制約其進(jìn)一步應(yīng)用的主要因素。因此，未來還需要繼續(xù)研發(fā)高比功率、低成本的鋰離子電池，滿足地面裝備的任務(wù)需求。