近些年來(lái)，新能源汽車(chē)、儲(chǔ)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。

鋰離子電池的活性?xún)?chǔ)能材料為正負(fù)極材料，提高能量密度的辦法關(guān)于正極來(lái)說(shuō)就是提高放電電壓和放電容量。關(guān)于負(fù)極材料來(lái)說(shuō)就是高容量和低的平均脫鋰電壓。以提高能量密度為重要發(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)算鋰離子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)的計(jì)算方法，計(jì)算了常見(jiàn)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(méi)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(wèn)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)。

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、非活性材料特點(diǎn)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)。

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372mAhg-1，目前可逆容量能達(dá)到365mAhg-1，高容量軌跡負(fù)極材料可逆容量可達(dá)到1000-1500mAhg-1。但在脫嵌鋰過(guò)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380-450mAhg-1。相對(duì)地，金屬鋰的理論比容量高達(dá)3860mAhg-1，即使利用率33%，也有1287mAhg-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(zhǎng)、與電解液持續(xù)副反應(yīng)、體積膨脹問(wèn)題、循環(huán)過(guò)程中界面穩(wěn)定性等安全問(wèn)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比較，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離子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649Whkg-1，即使發(fā)揮只有33%的時(shí)候能量密度也有521Whkg-1。

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)。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)了鋰離子電池不同負(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492Whkg-1，單體能量密度為416Whkg-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。

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)汽車(chē)的核心指標(biāo)，新增續(xù)航里程的最簡(jiǎn)單方法是直接新增單體電池或電池模塊和容量，但是這卻會(huì)相應(yīng)新增電池在電動(dòng)汽車(chē)中所占的成本；另一種是在汽車(chē)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(wàn)公里。電池的質(zhì)量能量密度為180Whkg-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)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(wàn)公里要的電池循環(huán)壽命為2000次；在不提高電動(dòng)汽車(chē)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400Whkg-1時(shí)，電動(dòng)汽車(chē)的續(xù)航里程可以達(dá)到521km，20萬(wàn)公里要求的電池循環(huán)壽命估算值為600次，假如能達(dá)到這一技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)將解決消費(fèi)者對(duì)電動(dòng)汽車(chē)?yán)锍探箲]的問(wèn)題（表8）。

五、高能量密度鋰離子電池的成本

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(jiàn)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。

要說(shuō)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(duì)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。

六、綜合技術(shù)指標(biāo)

電池的應(yīng)用不僅要能量密度，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(mǎn)足應(yīng)用的最低要求，稱(chēng)之為電池的木桶效應(yīng)。圖5(a)展示不同應(yīng)用領(lǐng)域重要技術(shù)指標(biāo)的蜘蛛圖，圖5(b)展示純電動(dòng)汽車(chē)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，要開(kāi)發(fā)新的動(dòng)力鋰電池技術(shù)。

七、從數(shù)據(jù)看未來(lái)

從1990年到現(xiàn)在，電池實(shí)際能量密度的提高重要是提高正負(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(duì)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442Whkg-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(mǎn)足純電動(dòng)汽車(chē)對(duì)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521Whkg-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，重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。