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(duì)于正極來說就是提高放電電壓和放電容量。對(duì)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。

 

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。

 

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)[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(duì)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(huì)有一定偏差，這與電池制造工藝密切相關(guān)。

 

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。Li-rich-300對(duì)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）。

 

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(duì)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。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)[6]。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(duì)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。