锂电池专题

　　摘要

　　能量密度是指单位空间或质量中储存的能量。电池的能量密度是电池平均单位体积或质量所释放的电能。电池的能量密度一般分为两个维度：重量能量密度和体积能量密度。

　　什么是能量密度？

　　能量密度是指单位空间或质量中储存的能量。电池的能量密度是电池平均单位体积或质量所释放的电能。电池的能量密度一般分为两个维度：重量能量密度和体积能量密度。

　　电池重量能量密度=电池容量放电平台/重量，基本单位为Wh/kg(瓦特小时/kg)

　　电池体积能量密度=电池容量放电平台/体积，基本单位为Wh/L(瓦特小时/升)

　　电池的能量密度越大，单位体积或重量能储存的电就越多。

　　单体能量密度是多少？

　　电池的能量密度往往指向两个不同的概念，一个是单体电池的能量密度，一个是电池系统的能量密度。

　　电池单元是电池系统的最小单位。m个电池组成一个模块，N个模块组成一个电池组，这是车辆动力电池的基本结构。

　　单细胞的能量密度，顾名思义，就是单个细胞水平的能量密度。

　　根据《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300 Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400w  h/kg；2030年，电池能量密度将达到500Wh/kg。这是指单个细胞水平的能量密度。

　　什么是系统能量密度？

　　系统能量密度是指单体组合完成后，整个电池系统的电量与整个电池系统的重量或体积的比值。因为电池系统包含电池管理系统、热管理系统、高低压电路等。其占据电池系统的部分重量和内部空间，电池系统的能量密度低于单体的能量密度。

　　系统能量密度=电池系统功率/电池系统重量或电池系统体积

　　是什么限制了锂电池的能量密度？

　　电池背后的化学系统是主要原因。

　　一般来说，锂电池的四个部分很重要：正极、负极、电解液和隔膜。正负极是化学反应发生的地方，相当于任督二脉，其重要地位可见一斑。我们都知道以三元锂为正极的电池组体系比以磷酸亚铁锂为正极的电池组体系能量密度高。这是为什么？

　　目前锂离子电池的负极材料主要是石墨，石墨的理论克容量为372 mAh/g，正极材料磷酸亚铁锂的理论克容量仅为160mAh/g，而三元材料镍钴锰(NCM)的理论克容量约为200 mAh/g根据木桶理论，水位取决于木桶的最短部分，锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料。

　　磷酸亚铁锂的电压平台为3.2V，三元的指数为3.7V，两相相比，能量密度相差16%。

　　当然，除了化学体系，压实密度、箔片厚度等生产工艺水平也会影响能量密度。一般来说，压实密度越大，在有限的空间内，电池的容量越高，所以主材料的压实密度也被视为电池能量密度的参考指标之一。

　　【0x9A8B】第四集，当代安培科技有限公司采用了6微米铜箔，利用先进的工艺水平提高了能量密度。

　　如果你能一直读到这里。恭喜你，你对电池的认识又上了一个台阶。

　　如何提高能量密度？

　　采用新材料体系、微调锂电池结构和提高产能是研发的三个阶段。d工程师要“长袖善舞”。接下来从单体和体系两个维度来解释。

　　3354单体的能量密度主要取决于化学体系的突破。

　　1.增加电池尺寸

　　电池厂商可以通过增加原有电池的尺寸来达到扩容的效果。我们最熟悉的例子是，率先使用松下18650电池的知名电动车公司特斯拉将更换新的21700电池。

　　但是，“变胖”或者“变长”只是治标不治本。最好的办法是从电池单元的正负极材料和电解液成分中找到提高能量密度的关键技术。

　　2.化工系统改革

　　如前所述，电池的能量密度由电池的正负极控制。目前负极材料的能量密度远高于正极，需要不断升级正极材料来提高能量密度。

　　高镍阳极

　　三元材料一般指镍-钴-锰酸锂氧化物的大家族。我们可以通过改变镍、钴和锰的比例来改变电池的性能。

　　在图中，硅碳阴极

　　硅基负极材料的比容量可达4200mAh/g，远高于石墨负极的理论比容量372mAh/g，因此成为石墨负极的有力替代品。

　　目前，利用硅碳复合材料提高电池的能量密度已被公认为锂离子电池负极材料的发展方向之一。特斯拉的Model3使用硅碳阳极。

　　未来要想更进一步，——突破单节350Wh/kg的关口，业内同行可能需要重点关注锂金属负极电池体系，但这也意味着整个电池制造工艺的改变和提升。从几种典型的三元材料可以看出，镍的比例越来越高，钴的比例越来越低。镍含量越高，电池单元的比容量越高。此外，由于钴资源的稀缺性，提高镍的比例会减少钴的消耗。3.系统能量密度：提高电池组的分组效率。

　　电池的分组测试是电池“攻城狮”排列单体电池和模块的能力。要以安全为前提，最大限度利用每一寸空间。

　　有几种方法可以减轻电池组的重量。

　　优化布局结构

　　从外部尺寸方面，可以优化系统的内部布局，并且可以更紧凑和高效地布置电池组的内部部件。

　　拓扑优化

　　通过仿真计算，在保证刚度、强度和结构可靠性的前提下，实现了减重设计。通过该技术可以实现拓扑优化和形状优化，最终实现电池盒轻量化。

　　选择合格的人员

　　我们可以选择低密度的材料。比如电池组的上盖，已经从传统的钣金上盖逐渐变成了复合材料上盖，可以减轻35%左右的重量。对于电池组的下壳，已经从传统的钣金方案逐渐转变为铝型材方案，减重40%左右，轻量化效果明显。

　　一体化车辆设计

　　整车的一体化设计和整车的结构设计要综合考虑，尽量共享结构件，比如防撞设计，做到极致轻量化。

　　电池是一个非常全面的产品。想要提高某一方面的性能，就可能牺牲其他方面的性能，这是电池设计和研究的认识基础。动力电池属于车载专用，能量密度不是衡量电池质量的唯一标准。

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