锂電(diàn)大(dà)講堂：拿什麽解鎖你，我(wǒ)的能量密度？ 2018-08-27

锂電(diàn)大(dà)講堂：拿什麽解鎖你，我(wǒ)的能量密度？

來源：上海廣爲日期：2018-08-27
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是什麽決定了新能源汽車(chē)的續航裏程？新能源汽車(chē)的續航主要取決于可用電(diàn)量和整車(chē)能耗。在相同能耗不變，電(diàn)池包體(tǐ)積和重量不變都受到嚴格限制的情況下(xià)，新能源汽車(chē)的單次最大(dà)行駛裏程主要取決于電(diàn)池的能量密度。

續航能力↑=可用電(diàn)量↑÷能耗↓

圖1. 電(diàn)池包系統在整車(chē)中(zhōng)的布局

電(diàn)池的能量密度常常指向兩個不同的概念，一(yī)個是單體(tǐ)電(diàn)芯的能量密度，一(yī)個是電(diàn)池系統的能量密度。電(diàn)芯是一(yī)個電(diàn)池系統的最小(xiǎo)單元。M個電(diàn)芯組成一(yī)個模組，N個模組組成一(yī)個電(diàn)池包，這是車(chē)用動力電(diàn)池的基本結構。

圖2. 動力電(diàn)池系統構造示意圖

單體(tǐ)電(diàn)芯能量密度，顧名思義是單個電(diàn)芯級别的能量密度。
根據《中(zhōng)國制造2025》明确了動力電(diàn)池的發展規劃：2020年，電(diàn)池能量密度達到300Wh/kg；2025年，電(diàn)池能量密度達到400Wh/kg；2030年，電(diàn)池能量密度達到500Wh/kg。這裏指的就是單個電(diàn)芯級别的能量密度。

系統能量密度是指單體(tǐ)組合完成後的整個電(diàn)池系統的電(diàn)量比整個電(diàn)池系統的重量或體(tǐ)積。
系統能量密度=電(diàn)池系統電(diàn)量/電(diàn)池系統重量OR電(diàn)池系統體(tǐ)積

究竟是什麽限制了锂電(diàn)池的能量密度？電(diàn)池背後的化學體(tǐ)系是主要原因難逃其咎。
一(yī)般而言，锂電(diàn)池的四個部分(fēn)非常關鍵：正極，負極，電(diàn)解質，膈膜。正負極是發生(shēng)化學反應的地方，相當于任督二脈，重要地位可見非一(yī)般。

圖3. 方殼電(diàn)芯結構圖

我(wǒ)們都知(zhī)道以三元锂爲正極的電(diàn)池包系統能量密度要高于以磷酸鐵锂爲正極的電(diàn)池包系統。這是爲什麽呢？
現有的锂離(lí)子電(diàn)池負極材料多以石墨爲主，石墨的理論克容量372mAh/g。正極材料磷酸鐵锂理論克容量隻有160mAh/g，而三元材料鎳钴錳（NCM）約爲200mAh/g。
根據木桶理論，水位的高低決定于木桶最短處，锂離(lí)子電(diàn)池的能量密度下(xià)限取決于正極材料。
磷酸鐵锂的電(diàn)壓平台是3.2V，三元的這一(yī)指标則是3.7V，兩相比較，能量密度高下(xià)立分(fēn)：16%的差額。
當然，除了化學體(tǐ)系，生(shēng)産工(gōng)藝水平如壓實密度、箔材厚度等，也會影響能量密度。一(yī)般來說，壓實密度越大(dà)，在有限空間内，電(diàn)池的容量就越高，所以主材的壓實密度也被看做電(diàn)池能量密度的參考指标之一(yī)。
如果你能堅持每行讀下(xià)來一(yī)直讀到這裏。恭喜，你對電(diàn)池的理解已經上了一(yī)個層次。

新材料體(tǐ)系的采用、锂電(diàn)池結構的精調、制造能力的提升是研發工(gōng)程師“長袖善舞”的三塊舞台。下(xià)面，我(wǒ)們會從單體(tǐ)和系統兩個維度進行講解。

單體(tǐ)能量密度，主要依靠化學體(tǐ)系的突破
1、增大(dà)電(diàn)池尺寸
電(diàn)池廠家可以通過增大(dà)原來電(diàn)池尺寸來達到電(diàn)量擴容的效果。

圖4. 不同尺寸的圓柱電(diàn)池對比

但是電(diàn)芯“變胖”或者“長個”隻是治标，并不治本。釜底抽薪的辦法，是從構成電(diàn)池單元的正負極材料以及電(diàn)解液成分(fēn)中(zhōng)，找到提高能量密度的關鍵技術。

2、化學體(tǐ)系變革
前面提到，電(diàn)池的能量密度受制于由電(diàn)池的正負極。由于目前負極材料的能量密度遠大(dà)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
三元材料通指鎳钴錳酸锂氧化物(wù)大(dà)家族，我(wǒ)們可以通過改變鎳、钴、錳這三種元素的比例來改變電(diàn)池的性能。
在圖5中(zhōng)幾種典型三元材料中(zhōng)可以看出，鎳的占比越來越高，钴的占比越來越低。鎳的含量越高，意味着電(diàn)芯的比容量就越高。另外(wài)，由于钴資(zī)源稀缺，提高鎳的比例，将降低的降低钴的使用量。

圖5. 不同正極材料的克容量對比

矽碳負極
矽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，因此成爲石墨負極的有力替代者。
目前，用矽碳複合材料來提升電(diàn)池能量密度的方式，已是業界公認的锂離(lí)子電(diàn)池負極材料發展方向之一(yī)。特斯拉發布的Model 3就采用了矽碳負極。
在未來，如果想要百尺竿頭更進一(yī)步——突破單體(tǐ)電(diàn)芯350Wh/kg的關口，業内同行們可能需要着眼于锂金屬負極型的電(diàn)池體(tǐ)系，不過這也意味着整個電(diàn)池制作工(gōng)藝的更叠與精進。

圖6. 锂離(lí)子電(diàn)池電(diàn)池體(tǐ)系的高能化發展趨勢

3、系統能量密度：提升電(diàn)池包的成組效率
電(diàn)池包的成組考驗的是電(diàn)池“攻城獅“們對單體(tǐ)電(diàn)芯和模組排兵布陣的能力，需要以安全性爲前提，最大(dà)程度地利用每一(yī)寸空間。
電(diàn)池包的“瘦身”主要有以下(xià)幾種方式：
a、優化排布結構：從外(wài)形尺寸方面，可以優化系統内部的布置，讓電(diàn)池包内部零部件排布更加緊湊高效
b、拓撲優化：我(wǒ)們通過仿真計算在确保剛強度及結構可靠性的前提下(xià)，實現減重設計。通過該技術，可以實現拓撲優化和形貌優化最終幫助實現電(diàn)池箱體(tǐ)輕量化。
c、選材：我(wǒ)們可以選擇低密度材料，如電(diàn)池包上蓋已經從傳統的钣金上蓋逐步轉變爲複合材料上蓋，可以減重約35%。針對電(diàn)池包下(xià)箱體(tǐ)，已經從傳統的钣金方案逐步轉變爲鋁型材的方案，減重量約40%，輕量化效果明顯。
d、整車(chē)一(yī)體(tǐ)化設計：整車(chē)一(yī)體(tǐ)化設計與整車(chē)結構設計通盤考慮，盡可能共享、共用結構件，例如防碰撞設計，實現極緻的輕量化。

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