動力電池能量密度的全面解析

續(xù)航能力↑=可用電量↑÷能耗↓ 在相同能耗不變，電池包體積和重量不變都受到嚴格限制的情況下，新能源汽車的單次最大行駛里程主要取決于電池的能量密度。

圖1 電池包系統(tǒng)在整車中的布局 什么是能量密度？ 能量密度(Energydensity)是指在單位一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。電池的能量密度一般分重量能量密度和體積能量密度兩個維度。 電池重量能量密度=電池容量×放電平臺/重量，基本單位為Wh/kg(瓦時/千克) 電池體積能量密度=電池容量×放電平臺/體積，基本單位為Wh/L(瓦時/升) 電池的能量密度越大，單位體積、或重量內(nèi)存儲的電量越多。 什么是單體能量密度？ 電池的能量密度常常指向兩個不同的概念，一個是單體電芯的能量密度，一個是電池系統(tǒng)的能量密度。 電芯是一個電池系統(tǒng)的最小單元。M個電芯組成一個模組，N個模組組成一個電池包，這是車用動力電池的基本結(jié)構(gòu)。

圖2 動力電池系統(tǒng)構(gòu)造示意圖 單體電芯能量密度，顧名思義是單個電芯級別的能量密度。 根據(jù)《中國制造2025》明確了動力電池的發(fā)展規(guī)劃：2020年，電池能量密度達到300Wh/kg；2025年，電池能量密度達到400Wh/kg；2030年，電池能量密度達到500Wh/kg。這里指的就是單個電芯級別的能量密度。 什么是系統(tǒng)能量密度？ 系統(tǒng)能量密度是指單體組合完成后的整個電池系統(tǒng)的電量比整個電池系統(tǒng)的重量或體積。因為電池系統(tǒng)內(nèi)部包含電池管理系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)，高低壓回路等占據(jù)了電池系統(tǒng)的部分重量和內(nèi)部空間，因此電池系統(tǒng)的能量密度都比單體能量密度低。 系統(tǒng)能量密度=電池系統(tǒng)電量/電池系統(tǒng)重量OR電池系統(tǒng)體積 究竟是什么限制了鋰電池的能量密度？ 電池背后的化學體系是主要原因難逃其咎。 一般而言，鋰電池的四個部分非常關(guān)鍵：正極，負極，電解質(zhì)，膈膜。正負極是發(fā)生化學反應(yīng)的地方，相當于任督二脈，重要地位可見一斑。

圖3 方殼電芯結(jié)構(gòu)圖 我們都知道以三元鋰為正極的電池包系統(tǒng)能量密度要高于以磷酸鐵鋰為正極的電池包系統(tǒng)。這是為什么呢？ 現(xiàn)有的鋰離子電池負極材料多以石墨為主，石墨的理論克容量372mAh/g。正極材料磷酸鐵鋰理論克容量只有160mAh/g，而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。 根據(jù)木桶理論，水位的高低決定于木桶最短處，鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料。 磷酸鐵鋰的電壓平臺是3.2V，三元的這一指標則是3.7V，兩相比較，能量密度高下立分：16%的差額。 當然，除了化學體系，生產(chǎn)工藝水平如壓實密度、箔材厚度等，也會影響能量密度。一般來說，壓實密度越大，在有限空間內(nèi)，電池的容量就越高，所以主材的壓實密度也被看做電池能量密度的參考指標之一。 在《大國重器II》第四集中，寧德時代采用了6微米銅箔，利用先進的工藝水平，提升了能量密度。 如果你能堅持每行讀下來一直讀到這里。恭喜，你對電池的理解已經(jīng)上了一個層次。 如何提高能量密度呢？ 新材料體系的采用、鋰電池結(jié)構(gòu)的精調(diào)、制造能力的提升是研發(fā)工程師“長袖善舞”的三塊舞臺。下面，我們會從單體和系統(tǒng)兩個維度進行講解。 ——單體能量密度，主要依靠化學體系的突破 增大電池尺寸 電池廠家可以通過增大原來電池尺寸來達到電量擴容的效果。我們最熟悉的例子莫過于：率先使用松下18650電池的知名電動車企特斯拉將換裝新款21700電池。

圖4 不同尺寸的圓柱電池對比 但是電芯“變胖”或者“長個”只是治標，并不治本。釜底抽薪的辦法，是從構(gòu)成電池單元的正負極材料以及電解液成分中，找到提高能量密度的關(guān)鍵技術(shù)。 化學體系變革 前面提到，電池的能量密度受制于由電池的正負極。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極，所以提高能量密度就要不斷升級正極材料。 高鎳正極 三元材料通指鎳鈷錳酸鋰氧化物大家族，我們可以通過改變鎳、鈷、錳這三種元素的比例來改變電池的性能。 在圖5中幾種典型三元材料中可以看出，鎳的占比越來越高，鈷的占比越來越低。鎳的含量越高，意味著電芯的比容量就越高。另外，由于鈷資源稀缺，提高鎳的比例，將降低的降低鈷的使用量。

圖5 不同正極材料的克容量對比 硅碳負極 硅基負極材料的比容量可以達到4200mAh/g，遠高于石墨負極理論比容量的372mAh/g，因此成為石墨負極的有力替代者。 目前，用硅碳復(fù)合材料來提升電池能量密度的方式，已是業(yè)界公認的鋰離子電池負極材料發(fā)展方向之一。特斯拉發(fā)布的Model3就采用了硅碳負極。 在未來，如果想要百尺竿頭更進一步——突破單體電芯350Wh/kg的關(guān)口，業(yè)內(nèi)同行們可能需要著眼于鋰金屬負極型的電池體系，不過這也意味著整個電池制作工藝的更迭與精進。

圖6 鋰離子電池電池體系的高能化發(fā)展趨勢 系統(tǒng)能量密度：提升電池包的成組效率 電池包的成組考驗的是電池“攻城獅“們對單體電芯和模組排兵布陣的能力，需要以安全性為前提，最大程度地利用每一寸空間。 電池包的“瘦身”主要有以下幾種方式 優(yōu)化排布結(jié)構(gòu) 從外形尺寸方面，可以優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的布置，讓電池包內(nèi)部零部件排布更加緊湊高效。 拓撲優(yōu)化 我們通過仿真計算在確保剛強度及結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，實現(xiàn)減重設(shè)計。通過該技術(shù)，可以實現(xiàn)拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化最終幫助實現(xiàn)電池箱體輕量化。 選材 我們可以選擇低密度材料，如電池包上蓋已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金上蓋逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料上蓋，可以減重約35%。針對電池包下箱體，已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金方案逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殇X型材的方案，減重量約40%，輕量化效果明顯。 整車一體化設(shè)計 整車一體化設(shè)計與整車結(jié)構(gòu)設(shè)計通盤考慮，盡可能共享、共用結(jié)構(gòu)件，例如防碰撞設(shè)計，實現(xiàn)極致的輕量化

圖7 整車集成模態(tài)仿真

圖8 整車集成模態(tài)仿真 電池是一個很全方位的產(chǎn)品，你要提升某一方面的性能，可能會犧牲其他方面的性能，這是電池設(shè)計研發(fā)的理解基礎(chǔ)。動力電池屬于車載專用，因而能量密度不是衡量電池品質(zhì)的唯一尺度。