鋰電池干貨系列之鋰電和金屬鋰能量密度計(jì)算

純電動(dòng)車電池的能量密度高低有多重要？

這似乎就像在討論心臟的跳動(dòng)對于人體有多重要一般，一輛純電動(dòng)車，或者說的更標(biāo)準(zhǔn)一點(diǎn)，一輛電池動(dòng)力車的性能、續(xù)航里程、可靠性都取決于其電池包內(nèi)的電池?cái)?shù)量以及單節(jié)電池內(nèi)的能量密度。這個(gè)公式很好理解：總電量=電池?cái)?shù)量×單節(jié)電池能量密度。

而現(xiàn)代汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)其實(shí)已經(jīng)很死板了，留給電池組的空間也就那么一點(diǎn)，大部分車型都集中在坐艙地板下方，當(dāng)然這也是出于安全性和空間性的考慮。

所以說，電池?cái)?shù)量已經(jīng)被限制在某一個(gè)區(qū)間內(nèi)，無法大幅提升。想要增強(qiáng)電池車性能，唯有在能量密度上做文章。

首先，什么是電池能量密度？

能量密度（Energy density）是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲(chǔ)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。電池能量密度=電池容量×放電平臺(tái)/電池厚度/電池寬度/電池長度，基本單位為Wh/kg（瓦時(shí)/千克）。

電池的能量密度越大，單位體積內(nèi)存儲(chǔ)的電量越多。

△圓柱形鋰電池結(jié)構(gòu)圖

關(guān)于電池能量密度，現(xiàn)在我們都知道了它儼然是目前電池行業(yè)，甚至是電動(dòng)汽車行業(yè)向前大跨步的最明顯的突破口，但是突破它，真的是很難??！

△典型電池設(shè)計(jì)非活性物質(zhì)(除引線等)的占比

據(jù)悉，電池的能量密度基本由電池的正負(fù)極決定的，但只是正負(fù)極活性材料也不能保證電池能發(fā)上電，得有很多非活性物質(zhì)，比如導(dǎo)電輔助劑、活性粉末之間的粘結(jié)劑、隔離膜、陰陽極的箔材、絕緣固定的膠紙、鋁塑膜殼或者鋼鋁殼等等。

我們中大部分人總是有意無意的忽略這部分物質(zhì)的含量，得出的能量密度與事實(shí)相差較大，誤導(dǎo)吃瓜群眾。其實(shí)，這部分相當(dāng)重要，就拿過去十幾年的技術(shù)進(jìn)步來說，電池能量密度的提升主要就是靠著活性物質(zhì)占比的提升來實(shí)現(xiàn)的。

△能量密度的變化與預(yù)測

還有的就是以增大原來電池尺寸來達(dá)到電量擴(kuò)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(dòng)車企特斯拉將換裝新款21700電池。而原因并非18650電池有任何質(zhì)量問題，只是18650電池單顆容量小，普遍在2-4Ah左右，串并聯(lián)數(shù)量過多，單體失效風(fēng)險(xiǎn)概率較大，導(dǎo)致其在電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定的限制。

△圖中為21700電池

而21700電池在尺寸上相比18650電池（直徑18mm，長度65mm）更大，達(dá)到了直徑21mm，長度70mm。如果想再形象一點(diǎn)來考慮這個(gè)問題，我們不妨來看看來自Hitech Energy的計(jì)算，僅考慮單體的密集堆積進(jìn)行計(jì)算，可知：30支21700的體積是40支18650體積的1.1倍，質(zhì)量則為0.97倍。

在同等能量下，所需電池的數(shù)量可減少約1/3，電池包內(nèi)部金屬連接件數(shù)量減少，從而進(jìn)一步降低電池包的重量，整車的能量密度將得到部分提升，達(dá)到接近300kw/kg。

以下三點(diǎn)尤為引人注意：

1.到2020年，鋰離子動(dòng)力電池單體比能量大于300Wh/kg；系統(tǒng)比能量爭取達(dá)到260Wh/kg；成本小于1元/瓦時(shí)；使用環(huán)境達(dá)-30℃到55℃；具備3C充電能力。

2.到2025年，單體比能量達(dá)500Wh/kg。

3.力爭實(shí)現(xiàn)單體電池350Wh/kg、系統(tǒng)260Wh/kg的鋰離子電池產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)化和整車應(yīng)用。

日前，澳洋順昌（002245）在2018半年報(bào)中披露，在高鎳NCA產(chǎn)品儲(chǔ)備上，天鵬電源已經(jīng)完成18650型號3.5AH產(chǎn)品的技術(shù)儲(chǔ)備，可以根據(jù)電動(dòng)汽車客戶要求投產(chǎn)系統(tǒng)能量密度超過160Wh/kg的高能量密度電池。

三元圓柱領(lǐng)軍企業(yè)比克也對外表示，公司3.0Ah的18650動(dòng)力電芯已經(jīng)配套江淮大眾旗下一款新A00級SUV車型。

可以明確的是，隨著18650動(dòng)力電芯自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)水平的提升和下游車企對高能量密度電池的需求，18650電池企業(yè)正在往3.0AH以上的高容量電芯產(chǎn)品布局。

根據(jù)高工產(chǎn)研鋰電研究所（GGII）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)目前具備量產(chǎn)18650動(dòng)力電芯的企業(yè)數(shù)量超過20家。但各家囿于資金、技術(shù)、產(chǎn)能、工藝、設(shè)備等因素，最終能夠量產(chǎn)2.6AH以上18650動(dòng)力電芯的企業(yè)并不多。

從產(chǎn)能來看，高工鋰電盤點(diǎn)了比克、億緯鋰能、智航新能源、遠(yuǎn)東福斯特、天鵬電源、力神等6家技術(shù)及市場口碑較好的18650電池企業(yè)發(fā)現(xiàn)，比克以6GWh產(chǎn)能居第一位，力神產(chǎn)能雖不高，但從其內(nèi)部人士獲悉，目前公司18650供不應(yīng)求，產(chǎn)能緊張。

若以技術(shù)來衡量，國內(nèi)一家圓柱電池企業(yè)總工表示，國內(nèi)18650動(dòng)力電池還是主要對標(biāo)松下，其3.0AH以上的18650已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用于特斯拉，但在國內(nèi)穩(wěn)定量產(chǎn)2.8-2.9Ah18650就成為電池企業(yè)的一道門檻。

目前，2.4-2.6Ah的容量電池產(chǎn)品是當(dāng)下新能源汽車市場上的主流產(chǎn)品，也是國內(nèi)圓柱電池企業(yè)競爭最激烈的幾款產(chǎn)品。

作為生產(chǎn)工藝最為成熟的動(dòng)力電池技術(shù)路線，18650電芯具備交貨周期短、尺寸標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一等優(yōu)勢，尤其對車企來說，最大的優(yōu)勢在于國內(nèi)產(chǎn)能供應(yīng)滿足、性價(jià)比高的圓柱電池企業(yè)數(shù)量較多，可選擇性較廣，切換便捷。

但要滿足下游客戶對動(dòng)力電池高能量密度的需求，18650高容量化是未來發(fā)展的必然趨勢。盡管21700已經(jīng)有替代趨勢，但從現(xiàn)下來看，國內(nèi)能夠穩(wěn)定量產(chǎn)21700的企業(yè)屈指可數(shù)，18650至少在1-2年內(nèi)還將處于主流地位。

那么，從2.6Ah提升到3.0AH甚至更高的18650電芯，對電池企業(yè)來說，難點(diǎn)集中在哪呢？

包括比克、力神、遠(yuǎn)東福斯特、億緯鋰能等多家電池企業(yè)的共識是：

首先，高容量必須從材料端著手，導(dǎo)入高鎳甚至是配以硅碳等材料，電池企業(yè)需要攻克高鎳正極對應(yīng)用環(huán)境、水分敏感等難關(guān)。今年硅碳在動(dòng)力市場應(yīng)用放緩，也正與電池企業(yè)在工藝方面的推進(jìn)較慢有關(guān)。其次，具備實(shí)驗(yàn)水平后，最大的瓶頸在于如何實(shí)現(xiàn)規(guī)模化的量產(chǎn)，真正實(shí)現(xiàn)裝車應(yīng)用。

這兩大難點(diǎn)都對18650電池企業(yè)的設(shè)備、工藝和技術(shù)提出更高要求。高工鋰電特此梳理比克、力神、天鵬電源、遠(yuǎn)東福斯特、鵬輝能源、智航新能源、卓能新能源7家18650電池企業(yè)在高容量電芯產(chǎn)品方面的布局，以一窺國內(nèi)18650電池技術(shù)水平。

?比克：3.0Ah18650電芯配套A0級SUV車型

8月中旬，比克電池在官微宣布，公司為江淮大眾SOL(思皓)品牌首款A(yù)0級SUV車型產(chǎn)品E20X提供配套產(chǎn)品，采用3.0Ah的18650三元?jiǎng)恿﹄娦?，電池包還采用液冷電池安全管控技術(shù)，工況最大續(xù)航里程301km，最高車速為130km/h，預(yù)計(jì)將于9月正式上市。

7月12日，吉利全球鷹在上海宣布發(fā)售最新款純電動(dòng)車型EX3，該車型共有3個(gè)版本，配備了比克186502.75Ah高能芯鋰電池，電池容量為41.5kWh，最大續(xù)航里程可達(dá)380KM。

?力神：21700應(yīng)用裝車的國內(nèi)首家圓柱企業(yè)

力神是國內(nèi)目前首家規(guī)模量產(chǎn)21700并且應(yīng)用在乘用車上的動(dòng)力電池企業(yè)。作為國內(nèi)老牌的18650電池企業(yè)，力神總計(jì)擁有1GWh18650電芯產(chǎn)能，全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化生產(chǎn)，能夠滿足車企2500mAh以上高容量電芯生產(chǎn)需求。

?天鵬電源：NCA體系18650電池裝車

在今年3月12日澳洋順昌2017年業(yè)績報(bào)告路演上，天鵬電源總經(jīng)理陳璇表示：“2017年，天鵬電源在電動(dòng)工具電池和EV電池領(lǐng)域的業(yè)績占比已經(jīng)達(dá)到1:1，在EV領(lǐng)域主要定位微型乘用車市場，和上汽通用五菱、知豆、康迪、眾泰等車企建立了合作?！?/p>

比如上汽通用五菱爆款車型寶駿E100，新款升級版寶駿E200都配套應(yīng)用天鵬電源NCA體系18650電池。其中，寶駿E100在今年1-5月中以7972輛的銷量位居國內(nèi)新能源A00級乘用車十大暢銷車型第六名。

?遠(yuǎn)東福斯特：3100mAh動(dòng)力電芯進(jìn)入中試

遠(yuǎn)東福斯特深耕18650三元鋰電池多年，擁有18650-2400mAh、2600mAh、2800mAh、3100mAh等多種型號的產(chǎn)品，預(yù)計(jì)2019年NCM811高容量電芯將投產(chǎn)。其中，遠(yuǎn)東福斯特生產(chǎn)的2600-2900mAh18650產(chǎn)品已經(jīng)開始使用高鎳811材料，2017年已有少量出貨，今年3月實(shí)現(xiàn)批量出貨。

8月初，智慧能源(600869)表示，全資子公司遠(yuǎn)東福斯特的圓柱18650—3100mAh動(dòng)力電芯目前已進(jìn)入中試階段。

?鵬輝能源：主打2800mAh18650動(dòng)力電芯

6月份，鵬輝能源動(dòng)力研究院院長劉建生向高工鋰電透露，從今年4月起，公司動(dòng)力用圓柱電池新增產(chǎn)能均為NCM811，以2800mAh容量為主，采用811搭配石墨負(fù)極方案，能量密度達(dá)220Wh/kg，目前主要給上汽通用五菱配套。公司也正在加緊推進(jìn)NCM811體系3000mAh的18650電芯量產(chǎn)，以及NCM811搭配硅碳3300mAh電芯的進(jìn)展。

?智航新能源：3000mAh18650電池通過新國標(biāo)強(qiáng)檢

高工產(chǎn)研鋰電研究所（GGII）數(shù)據(jù)顯示，智航新能源在2018上半年動(dòng)力電池裝機(jī)量排名中位居第10。在5月份的高工鋰電2018動(dòng)力電池供應(yīng)鏈巡回活動(dòng)中，智航新能源稱，公司專注于三元技術(shù)路線，主打產(chǎn)品為18650-2600mAh三元電池，單體比能量達(dá)210wh/kg，更高能量密度的3000mAh新品已完成中試，并已通過新國標(biāo)強(qiáng)檢。公司擁有三元正極材料、電芯和PACK系統(tǒng)的完整產(chǎn)線，目前總計(jì)產(chǎn)能3.5GWh。

?卓能新能源：主推2800mAh及更高容量的電芯

目前，卓能新能源擁有深圳、廣西兩大生產(chǎn)基地，日產(chǎn)電芯160萬顆，均為實(shí)際生產(chǎn)產(chǎn)能。其中，深圳基地日產(chǎn)60萬顆，以3C消費(fèi)類電池為主；廣西基地日產(chǎn)100萬顆，以動(dòng)力電池為主。

去年，卓能新能源動(dòng)力電池主流型號為2600mAh型號產(chǎn)品，今年在動(dòng)力電池市場將主推2800mAh及更高容量的電芯，目前已進(jìn)入批量供貨階段。