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电池能量密度是什么意思,锂电池能量密度如何提高?

电池能量密度是什么意思,锂电池能量密度如何提高?

发布人:电池能量密度-格瑞普 发布时间:2023-09-11 浏览次数:1152

  电池能量密度是指单位体积或单位质量的电池所存储的能量量。它是评估电池性能的重要指标,对于电动车、移动设备和可再生能源等领域的发展至关重要,既然如此,那电池能量密度是什么意思,锂电池能量密度如何提高?

  能量密度(Energydensity)是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池能量密度=电池容量&TImes;放电平台/电池厚度/电池宽度/电池长度,基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)。

  电池的能量密度越大,单位体积内存储的电量越多。

  关于电池能量密度,现在我们都知道了它俨然是目前电池行业,甚至是电动汽车行业向前大跨步的最明显的突破口,但是突破它,真的是很难啊!

  据悉,电池的能量密度基本由电池的正负极决定的,但只是正负极活性材料也不能保证电池能发上电,得有很多非活性物质,比如导电辅助剂、活性粉末之间的粘结剂、隔离膜、阴阳极的箔材、绝缘固定的胶纸、铝塑膜壳或者钢铝壳等等。

电池能量密度

  什么是能量密度?

  能量密度(Energydensity)是指在单位一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度一般分重量能量密度和体积能量密度两个维度。

  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(瓦时/千克)

  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(瓦时/升)

  电池的能量密度越大,单位体积、或重量内存储的电量越多。

  什么是单体能量密度?

  电池的能量密度常常指向两个不同的概念,一个是单体电芯的能量密度,一个是电池系统的能量密度。

  电芯是一个电池系统的最小单元。M个电芯组成一个模组,N个模组组成一个电池包,这是车用动力电池的基本结构。

  单体电芯能量密度,顾名思义是单个电芯级别的能量密度。

  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300Wh/kg;2025年,电池能量密度达到400Wh/kg;2030年,电池能量密度达到500Wh/kg。这里指的就是单个电芯级别的能量密度。

  什么是系统能量密度?

  系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。因为电池系统内部包含电池管理系统,热管理系统,高低压回路等占据了电池系统的部分重量和内部空间,因此电池系统的能量密度都比单体能量密度低。

  系统能量密度=电池系统电量/电池系统重量OR电池系统体积

  究竟是什么限制了锂电池的能量密度?

  电池背后的化学体系是主要原因难逃其咎。

  一般而言,锂电池的四个部分非常关键:正极,负极,电解质,膈膜。正负极是发生化学反应的地方,相当于任督二脉,重要地位可见一斑。

方壳电芯结构图

  方壳电芯结构图

  我们都知道以三元锂为正极的电池包系统能量密度要高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统。这是为什么呢?

  现有的锂离子电池负极材料多以石墨为主,石墨的理论克容量372mAh/g。正极材料磷酸铁锂理论克容量只有160mAh/g,而三元材料镍钴锰(NCM)约为200mAh/g。

  根据木桶理论,水位的高低决定于木桶最短处,锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料。

  磷酸铁锂的电压平台是3.2V,三元的这一指标则是3.7V,两相比较,能量密度高下立分:16%的差额。

  当然,除了化学体系,生产工艺水平如压实密度、箔材厚度等,也会影响能量密度。一般来说,压实密度越大,在有限空间内,电池的容量就越高,所以主材的压实密度也被看做电池能量密度的参考指标之一。

  在《大国重器II》第四集中,宁德时代采用了6微米铜箔,利用先进的工艺水平,提升了能量密度。

  如果你能坚持每行读下来一直读到这里。恭喜,你对电池的理解已经上了一个层次。

  如何提高能量密度呢?

  新材料体系的采用、锂电池结构的精调、制造能力的提升是研发工程师“长袖善舞”的三块舞台。下面,我们会从单体和系统两个维度进行讲解。

  ——单体能量密度,主要依靠化学体系的突破

  1、增大电池尺寸

  电池厂家可以通过增大原来电池尺寸来达到电量扩容的效果。我们最熟悉的例子莫过于:率先使用松下18650电池的知名电动车企特斯拉将换装新款21700电池。

不同尺寸的圆柱电池对比

  不同尺寸的圆柱电池对比

  但是电芯“变胖”或者“长个”只是治标,并不治本。釜底抽薪的办法,是从构成电池单元的正负极材料以及电解液成分中,找到提高能量密度的关键技术。

  2、化学体系变革

  前面提到,电池的能量密度受制于由电池的正负极。由于目前负极材料的能量密度远大于正极,所以提高能量密度就要不断升级正极材料。

  高镍正极

  三元材料通指镍钴锰酸锂氧化物大家族,我们可以通过改变镍、钴、锰这三种元素的比例来改变电池的性能。

  在图5中几种典型三元材料中可以看出,镍的占比越来越高,钴的占比越来越低。镍的含量越高,意味着电芯的比容量就越高。另外,由于钴资源稀缺,提高镍的比例,将降低的降低钴的使用量。

  正极材料创新已到瓶颈期

  先来看看为什么说450这个数字不易得。

  据电车汇统计:从2019年第3批目录申报车型到2020年第13批推荐目录,磷酸铁锂电池系统能量密度雷打不动,一直都是161.27Wh/kg。

  2022年第1批推荐目录中,除了宇通的一款车型达到了最大值161.29Wh/kg以外,多数厂商依旧在161.27Wh/kg这个数字上打转。

  也就是说,磷酸铁锂电池的理论上限已经很难突破。

  可以说,能量密度是制约当前锂离子电池发展的很大瓶颈。不管是手机,还是电动汽车,人们都期待电池的能量密度能够达到一个全新的量级,使得产品的续航时间或续航里程不再成为困扰产品的主要因素。

  从铅酸电池、镍镉电池、镍氢电池、再到锂离子电池,能量密度一直在不断的提升。可是提升的速度相对于工业规模的发展速度而言,相对于人类对能量的需求程度而言,显得太慢了。甚至有人戏言,人类的进步都被卡在“电池”这儿了。当然,如果哪一天能够实现全球电力无线传输,到哪儿都能“无线”获得电能(像手机信号一样),那么人类也就不再需要电池了,社会发展自然也就不会卡在电池上面。

  针对能量密度成为瓶颈的现状,全球各国都制订了相关的电池产业政策目标,期望引领电池行业在能量密度方面取得显著的突破。中、美、日等国政府或行业组织所制定的2020年目标,基本上都指向300Wh/kg这一数值,相当于在当前的基础上提升接近1倍。2030年的远期目标,则要达到500Wh/kg,甚至700Wh/kg,电池行业必须要有化学体系的重大突破,才有可能实现这一目标。

  影响锂离子电池能量密度的因素有很多,就锂离子电池现有的化学体系和结构而言,具体都有哪些明显的限制呢?

  前面我们分析过,充当电能载体的,其实就是电池当中的锂元素,其他物质都是“废物”,可是要获得稳定的、持续的、安全的电能载体,这些“废物”又是不可或缺的。举个例子,一块锂离子电池当中,锂元素的质量占比一般也就在1%多一点,其余99%的成分都是不承担能量存储功能的其他物质。爱迪生有句名言,成功是99%的汗水加上1%的天赋,看来这个道理放之四海皆准啊,1%是红花,剩下的99%就是绿叶,少了哪个都不行。

  那么要提高能量密度,我们首先想到的就是提高锂元素的比例,同时要让尽可能多的锂离子从正极跑出来,移动到负极,然后还得从负极原数返回正极(不能变少了),周而复始的搬运能量。

  1、提高正极活性物质的占比

  提高正极活性物质占比,主要是为了提高锂元素的占比,在同一个电池化学体系中,锂元素的含量上去了(其他条件不变),能量密度也会有相应的提升。所以在一定的体积和重量限制下,我们希望正极活性物质多一些,再多一些。

  2、提高负极活性物质的占比

  这个其实是为了配合正极活性物质的增加,需要更多的负极活性物质来容纳游过来的锂离子,存储能量。如果负极活性物质不够,多出来的锂离子会沉积在负极表面,而不是嵌入内部,出现不可逆的化学反应和电池容量衰减。

  3、提高正极材料的比容量(克容量)

  正极活性物质的占比是有上限的,不能无限制提升。在正极活性物质总量一定的情况下,只有尽可能多的锂离子从正极脱嵌,参与化学反应,才能提升能量密度。所以我们希望可脱嵌的锂离子相对于正极活性物质的质量占比要高,也就是比容量指标要高。

  这就是我们研究和选择不同的正极材料的原因,从钴酸锂到磷酸铁锂,再到三元材料,都是奔着这个目标去的。

  前面已经分析过,钴酸锂可以达到137mAh/g,锰酸锂和磷酸铁锂的实际值都在120mAh/g左右,镍钴锰三元则可以达到180mAh/g。如果要再往上提升,就需要研究新的正极材料,并取得产业化进展。

  4、提高负极材料的比容量

  相对而言,负极材料的比容量还不是锂离子电池能量密度的主要瓶颈,但是如果进一步提升负极的比容量,则意味着以质量更少的负极材料,就可以容纳更多的锂离子,从而达到提升能量密度的目标。

  以石墨类碳材料做负极,理论比容量在372mAh/g,在此基础上研究的硬碳材料和纳米碳材料,则可以将比容量提高到600mAh/g以上。锡基和硅基负极材料,也可以将负极的比容量提升到一个很高的量级,这些都是当前研究的热点方向。

  5、减重瘦身

  除了正负极的活性物质之外,电解液、隔离膜、粘结剂、导电剂、集流体、基体、壳体材料等,都是锂离子电池的“死重”,占整个电池重量的比例在40%左右。如果能够减轻这些材料的重量,同时不影响电池的性能,那么同样也可以提升锂离子电池的能量密度。

  在这方面做文章,就需要针对电解液、隔离膜、粘结剂、基体和集流体、壳体材料、制造工艺等方面进行详细的研究和分析,从而找出合理的方案。各个方面都改善一些,就可以将电池的能量密度整体提升一个幅度。

  从以上的分析可以看出,提升锂离子电池的能量密度是一个系统工程,要从改善制造工艺、提升现有材料性能、以及开发新材料和新化学体系这几个方面入手,寻找短期、中期和长期的解决方案。

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