近些年來，新能源汽車、儲能、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)︿囯x子電池的能量密度提出了更高的要求[1]。

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[2-3]。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(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)[4]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)。

表1 計(jì)算所用正極活性物質(zhì)及其比容量、電壓

表2 計(jì)算所用負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量及其比容量、電壓

圖2 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

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[5]，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。

考慮到不同電池中金屬鋰容量發(fā)揮可能性不同，本工作計(jì)算了金屬鋰?yán)寐史謩e為100%、80%、50%、33%匹配不同正極材料的鋰金屬電池的能量密度。圖3與圖2對比，可以看出金屬鋰容量發(fā)揮的時(shí)候，相同正極的體系，金屬鋰離子電池比鋰電池有更顯著的能量密度。如Li-rich-300正極材料在金屬鋰作為負(fù)極時(shí)，能量密度649Wh kg-1，即使發(fā)揮只有33%的時(shí)候能量密度也有521Wh kg-1。

圖3 金屬鋰作為負(fù)極的電芯能量密度計(jì)算(a)Li容量全部發(fā)揮;(b)Li容量發(fā)揮80%;(c)Li容量發(fā)揮50%;(d)Li容量發(fā)揮33%.

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)[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。

表4 松下NCR18560電池性能及參數(shù)

表5 松下Prismastic電池性能及參數(shù)

表6 不同負(fù)極材料的最高電芯能量密度、最高單體能量密度總結(jié)

表7 Si-C-1000負(fù)極與不同正極材料電芯能量密度、單體能量密度總結(jié)

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;在不提高電動(dòng)車能量利用效率[10.85kWh/(100kmt)]，保持電池包體積不變的情況下，當(dāng)電池的質(zhì)量能量密度達(dá)到400Wh kg-1時(shí)，電動(dòng)車的續(xù)航里程可以達(dá)到521km，20萬公里要求的電池循環(huán)壽命估算值為600次，如果能達(dá)到這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將解決消費(fèi)者對電動(dòng)汽車里程焦慮的問題(表8)。

表8 電池能量密度與電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程關(guān)系的估算

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。可以得出電池成本中，正極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。

需要說明的是，電芯材料成本占電池制造成本的60%-70%。以上成本估值還需除以0.6-0.7，才是單體電池的實(shí)際成本。從結(jié)果上看，金屬鋰離子電池的成本相對鋰離子電池還可以進(jìn)一步下降到甚至低于鉛酸電池的程度

表9 100Ah電芯原材料成本

圖4 鋰離子電池電芯成本估算

六、綜合技術(shù)指標(biāo)

電池的應(yīng)用不僅需要能量密度，還需功率密度、充電速率、循環(huán)壽命、服役年限、能量效率、安全性指數(shù)、單體電池成本等其他技術(shù)指標(biāo)，電池能否應(yīng)用取決于某項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)能否滿足應(yīng)用的最低要求，稱之為電池的“木桶效應(yīng)”。圖5(a)展示不同應(yīng)用領(lǐng)域主要技術(shù)指標(biāo)的蜘蛛圖，圖5(b)展示純電動(dòng)汽車各個(gè)指標(biāo)期望值與目前實(shí)際值的蜘蛛圖。目前水平與期望值差距較大，需要開發(fā)新的動(dòng)力電池技術(shù)。

圖5 鋰離子電池綜合技術(shù)指標(biāo)蜘蛛圖(a)不同應(yīng)用領(lǐng)域;(b)純電動(dòng)車?yán)硐胫蹬c實(shí)際值

從 1990年到現(xiàn)在，電池實(shí)際能量密度的提高主要是提高正負(fù)極活性物質(zhì)在電池中的質(zhì)量比例，降低非活性物質(zhì)的質(zhì)量比。技術(shù)方面，目前的確還有可能進(jìn)一步降低隔膜、Cu、Al 箔的厚度和質(zhì)量以及封裝材料的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但挑戰(zhàn)非常大。選擇新的正負(fù)極材料體系，成為提高電池能量密度相對更容易的技術(shù)選擇。從計(jì)算的結(jié)果可以看出，采用高容量的硅碳負(fù)極，富鋰錳基正極，18650電池能量密度可以達(dá)到442Wh kg-1，相應(yīng)的電芯價(jià)格可以降到0.4元/瓦時(shí)，能很好地滿足純電動(dòng)車對續(xù)航以及成本控制的要求。而采用富鋰錳基的金屬理離子電池的電 芯質(zhì)量能量密度最高，可以達(dá)到 521 Wh kg-1 ，成本可以降到0.2元/瓦時(shí)。目前采用液態(tài)電解質(zhì)的可充放金屬理電池存在較大的技術(shù)瓶頸，主要是金屬理與液體電解液的化學(xué)與電化學(xué)副反應(yīng)，后續(xù)固態(tài)電池將有望解決這些難題。需要注意的是，提升能量密度的同時(shí)還需滿足其它性能指標(biāo)的要求，這需要復(fù)雜艱巨的科學(xué)與技術(shù)的研究，充滿挑戰(zhàn)，但又富有強(qiáng)大的吸引力。