如何提高動(dòng)力電池能量密度_解析動(dòng)力電池提升能量密度的三大路徑

　　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(zhǎng)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，真的是很難啊！

　　△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(yáng)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(wú)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(guò)去十幾年的技術(shù)進(jìn)步來(lái)說(shuō)，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(lái)實(shí)現(xiàn)的。

　　△能量密度的變化與預(yù)測(cè)

　　動(dòng)力電池提升能量密度的重要性

　　動(dòng)力電池在一定意義上代替了燃油車油箱，增大容量便可獲得更長(zhǎng)的續(xù)航能力，不過(guò)現(xiàn)代汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)早已固定不變，即使純EV正向研發(fā)，預(yù)留給動(dòng)力電池的布局空間也僅僅是前后軸之間的固定位置。

　　在無(wú)法改變布局空間的前提下，提升電池整體容量便是解決續(xù)航問(wèn)題的基礎(chǔ)。實(shí)質(zhì)上從13年開(kāi)始至今，國(guó)產(chǎn)純電動(dòng)車的續(xù)航里程，已經(jīng)從150公里提升至400公里左右，在一次次刷新續(xù)航里程的背后。動(dòng)力電池往往會(huì)以更輕的整備質(zhì)量，獲得更大的電池容量，作為核心升級(jí)的便是電池能量密度。

　　實(shí)質(zhì)上，鋰離子電池是指以離子嵌入化合物為正極材質(zhì)的電池總成。無(wú)論是三元鋰、還是磷酸鐵鋰電池。整體的充放電過(guò)程基本相同，不同的是不同材質(zhì)追求的性能取向不同。

　　鋰離子電池主要由正極+電解液+負(fù)極組合而成，正極材質(zhì)多采用含金屬鋰的化合物，負(fù)極大多采用石墨或碳材質(zhì)，兩者之間的有機(jī)溶劑則是電解質(zhì)。充電時(shí)，正極上分解成鋰離子，通過(guò)電解質(zhì)進(jìn)入電池負(fù)極，并且嵌入負(fù)極材質(zhì)。放電時(shí)，嵌入負(fù)極材質(zhì)的鋰離子通過(guò)電解質(zhì)回流指正極，回到正極的鋰離子越多電池容量越高。

　　動(dòng)力電池提升能量密度的三大路徑

　　一、提升輕量化水平間接提高動(dòng)力電池能量密度

　　以前新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)多采用鋼材料制作電動(dòng)汽車動(dòng)力電池托盤，現(xiàn)在很多企業(yè)都在以鋁合金材料為主。鋁合金的密度為2.7 g/c m3，無(wú)論在壓縮還是焊接等方面，鋁合金材質(zhì)都已非常優(yōu)秀。而鎂合金的密度為1.8 g/ c m3，碳纖維是1.5 g/ c m3，這些材料用來(lái)生產(chǎn)電池托盤，將可以極大地提高新能源整車的輕量化水平。王子冬認(rèn)為，輕量化技術(shù)仍在不斷發(fā)展中，未來(lái)也將有更多輕量化材料問(wèn)世。他表示，不僅應(yīng)研究電池托盤材質(zhì)的輕量化，從動(dòng)力電池單體到系統(tǒng)，都要考慮材質(zhì)的輕量化問(wèn)題，這樣才能最大限度地提高動(dòng)力電池的能量密度。

　　輕量化需要減輕配件重量，但不能降低配件的強(qiáng)度，因此材料的堅(jiān)固性需要考慮。另外，采用更輕的材料，將會(huì)面臨成本上漲的問(wèn)題。因此在動(dòng)力電池成本還未大規(guī)模下降的情況下，實(shí)現(xiàn)整車輕量化的當(dāng)務(wù)之急是研發(fā)出更可靠、經(jīng)濟(jì)的輕量化材料。2016年，沃爾沃表示，如果將目前的電動(dòng)汽車電池全部更換成新型輕量化材料，可以降低車重超15%，而且材料成本更低也更為環(huán)保。

　　二、糾結(jié)鐵鋰還是三元不如布局硅碳負(fù)極

　　作為國(guó)內(nèi)兩大主流技術(shù)路線，近些年磷酸鐵鋰和三元材料的能量密度都有所提升。由于三元的能量密度更高，而補(bǔ)貼政策又更傾向于高能量密度產(chǎn)品，因此各大電池企業(yè)都將三元電池作為公司下一代產(chǎn)品的主力。但比亞迪股份有限公司總經(jīng)理沈晞?wù)J為，雖然三元和鐵鋰兩者在單體能量密度方面相差較大，但在成組后的系統(tǒng)能量密度方面相差無(wú)幾，在成本和電池儲(chǔ)存難度上也無(wú)較大差異。所以沈晞建議企業(yè)在提升動(dòng)力電池能量密度的規(guī)劃上，可以考慮從動(dòng)力電池負(fù)極材料入手，在量產(chǎn)產(chǎn)品中應(yīng)用硅材料（如氧化亞硅負(fù)極材料等），從而提升電池組的整體能量密度。

　　三、更改電池尺寸提升系統(tǒng)能量密度

　　更改電池尺寸依然是提升電池能量密度的有效方式。雖然特斯拉選擇18650技術(shù)路線成功吸引了國(guó)內(nèi)眾多動(dòng)力電池企業(yè)的追隨，但由于18650電芯單顆容量小，普遍在2-4Ah左右，串并聯(lián)數(shù)量太多，單體失效風(fēng)險(xiǎn)概率較大，導(dǎo)致其在主流新能源乘用車和客車領(lǐng)域的應(yīng)用受到一定限制。2017年，率先使用18650電池的特斯拉將目光轉(zhuǎn)向了21700電池并已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。

　　據(jù)特斯拉CEO馬斯克介紹，當(dāng)使用21700電池的Model 3汽車上市之后，將會(huì)重新審核是否選用21700電池制造Model S和Model X型號(hào)汽車。一旦審核通過(guò)，21700電池很有可能全面替代特斯拉汽車上的18650電池。據(jù)了解，特斯拉采用21700電池后，由于同等能量下，所需電池的數(shù)量減少約1/3，這將帶來(lái)整個(gè)Pack內(nèi)部金屬連接件數(shù)量的減少，從而進(jìn)一步降低電池Pack的重量，整車的能量密度將得到部分提升。而這種方式也為國(guó)內(nèi)18650電池企業(yè)在提升能量密度和降成本方面提供了參考。據(jù)了解，目前國(guó)內(nèi)18650電池企業(yè)基本上都對(duì)特斯拉的方式表示認(rèn)可，并且也在進(jìn)行相關(guān)布局。