一、不同負極材料的鋰離子電池電芯能量密度計算

正負極材料決定了電池能量密度，但是大部分文獻計算能量密度時都是基于單一的活性正極材料質(zhì)量，部分文獻考慮正負極材料的活性材料質(zhì)量之和，忽略了非活性電池材料的質(zhì)量，使得計算結(jié)果與實際偏差較大。

按照文獻[1]的計算方法，計算了常見的正負極鋰電材料能量密度，其容量和電壓如表1和表2所示。最近正極材料的容量正在不斷提高，但是與理論值還有較大差距，最高容量的選擇沒有采用報道中的最高值而是綜合考慮技術指標實現(xiàn)的可行性選擇表1和表2的數(shù)值。達到該值仍有許多問題，如控制體積膨脹、倍率特性、循環(huán)特性等。表3給出除去封裝材料和引線，封裝材料內(nèi)部的非活性材料的典型參數(shù)[4]。

然而，電池形狀各異，本工作中的電芯是指不含封裝材料和引線的所有其他材料，大部分計算是基于電芯的結(jié)果。并且，由于電極涂布的允許厚度、不同形狀的電池、非活性材料特點參數(shù)對計算結(jié)果有某程度上的影響，該表格計算結(jié)果與實際電池會有一定偏差，這與電池制造工藝密切相關。

二、金屬鋰離子電池電芯能量密度計算

以上計算結(jié)果均為負極材料，石墨理論比容量為372mAhg-1，目前可逆容量能達到365mAhg-1，高容量軌跡負極材料可逆容量可達到1000-1500mAhg-1。但在脫嵌鋰過程中存在較大的體積膨脹和收縮，實際容量難以全部發(fā)揮，僅為380-450mAhg-1。相對地，金屬鋰的理論比容量高達3860mAhg-1，即使利用率33%，也有1287mAhg-1，而且可以充當鋰源。然而金屬鋰有許多諸如鋰枝晶、孔洞不均勻生長、與電解液持續(xù)副反應、體積膨脹問題、循環(huán)過程中界面穩(wěn)定性等安全問題。

考慮到不同電池中金屬鋰容量發(fā)揮可能性不同，本工作計算了金屬鋰利用率分別為100%、80%、50%、33%匹配不同正極材料的鋰金屬電池的能量密度。圖3與圖2比較，可以看出金屬鋰容量發(fā)揮的時候，相同正極的體系，金屬鋰離子電池比鋰離子電池有更顯著的能量密度。如Li-rich-300正極材料在金屬鋰作為負極時，能量密度649Whkg-1，即使發(fā)揮只有33%的時候能量密度也有521Whkg-1。

三、18650單體電池能量密度估算

考慮上連接的極耳和封裝材料，可以計算單體電池的能量密度。給出松下NCR18650圓柱電池和Prismatic系列軟包方形單體電池的性能參數(shù)[6]。以NCR18650為例，其極耳以及封裝材料占單體電池的質(zhì)量分數(shù)一般為15%-20%?？偨Y(jié)了鋰離子電池不同負極材料對應電芯最高能量密度以及18650最高能量密度。表7則給出Si-C-1000負極與不同正極材料電芯、單體能量密度，其中LCO-220電芯能量密度為492Whkg-1，單體能量密度為416Whkg-1，可以看出由于封裝材料所占電池總體比例更多，導致電池的能量密度進一步降低。

續(xù)航里程是電動汽車的核心指標，新增續(xù)航里程的最簡單方法是直接新增單體電池或電池模塊和容量，但是這卻會相應新增電池在電動汽車中所占的成本；另一種是在汽車電池包體積或者質(zhì)量不變的前提下，提升電池的能量密度。

以北汽EV200（整備質(zhì)量1.290t）為例，百公里耗電為14kWh，電池箱為220L，壽命要求為20萬公里。電池的質(zhì)量能量密度為180Whkg-1時，EV200標準工況常溫下續(xù)航里程為200km。循環(huán)壽命的估計要考慮全壽命里程設計要求，每次使用續(xù)航里程和壽命末期每次充電續(xù)駛里程因素，這樣估算20萬公里要的電池循環(huán)壽命為2000次；在不提高電動汽車能量利用效率[10.85kWh/(100kmt)]，保持電池包體積不變的情況下，當電池的質(zhì)量能量密度達到400Whkg-1時，電動汽車的續(xù)航里程可以達到521km，20萬公里要求的電池循環(huán)壽命估算值為600次，假如能達到這一技術標準將解決消費者對電動汽車里程焦慮的問題（表8）。

五、高能量密度鋰離子電池的成本

依據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)化的電芯組成和工藝條件，可以大致推算出不同電池電芯原材料成本價格，所用原材料的成本參見表9。均以100Ah容量的電芯為例，圖4展示了以硅碳為負極與不同正極材料組成的鋰電電芯成本以及以金屬鋰為負極，富鋰，NCM作為正極材料的金屬鋰離子電池電芯的成本。可以得出電池成本中，正極材料和電解液的成本接近電芯成本的37%-56%，硅碳負極成本普遍接近38%-48%，占電芯成本比重較大。當金屬鋰作為負極時，富鋰，NCM作為正極材料電芯成本分別為0.2元/瓦時和0.29元/瓦時。相比硅碳作為負極，金屬鋰能量密度更高，成本顯著降低。

要說明的是，電芯材料成本占電池制造成本的60%-70%。以上成本估值還需除以0.6-0.7，才是單體電池的實際成本。從結(jié)果上看，金屬鋰離子電池的成本相對鋰離子電池還可以進一步下降到甚至低于鉛酸電池的程度。

六、綜合技術指標

電池的應用不僅要能量密度，還需功率密度、充電速率、循環(huán)壽命、服役年限、能量效率、安全性指數(shù)、單體電池成本等其他技術指標，電池能否應用取決于某項技術指標能否滿足應用的最低要求，稱之為電池的木桶效應。目前水平與期望值差距較大，要開發(fā)新的動力鋰電池技術。首先，我們進行第一個是電池為何要進行熱管理？一般來說電池的系統(tǒng)在15度到35度的區(qū)間可以實現(xiàn)最佳功率輸出和輸入的，最大的可比能量和最長的循環(huán)壽命，這里面15-35并不是一個固定的值，因為之前我在剛接觸的時候，也聽了很多講課，關于這個數(shù)據(jù)包括這個溫度的一個范圍出現(xiàn)都有不一致的，有0-60，20-40的，之前我還是很迷糊的，后面看了了解了一下，也請教了一些電池方面的專家，他們給我供應了一個因為體系不相同，所以里面的化學反映包括材料對溫度的一個催化的階段不一致的，所以這個區(qū)間并不是固定的區(qū)間，并不適用于每一個電池。但是基本上可以說在30度左右，基本上都是一個比較合適的，這是電池在不同溫度范圍的一個情況，我們正常來做論文策略的時候，就是根據(jù)下面這一張圖來做的，正常15-35上面說的溫度區(qū)間是比較適合適宜的工作范圍，一旦在這個范圍之外，也就是綠色和黃色中間斜線中間要進行限功率。