鉅大LARGE | 點擊量：1590次 | 2022年02月22日
鋰電池的能量密度分析
可以說，能量密度是制約當前鋰離子電池發(fā)展的最大瓶頸。不管是手機，還是電動汽車，人們都期待電池的能量密度能夠達到一個全新的量級，使得產(chǎn)品的續(xù)航時間或續(xù)航里程不再成為困擾產(chǎn)品的主要因素。
從鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、再到鋰離子電池，能量密度一直在不斷的提升。可是提升的速度相對于工業(yè)規(guī)模的發(fā)展速度而言，相對于人類對能量的需求程度而言，顯得太慢了。甚至有人戲言，人類的進步都被卡在“電池”這兒了。當然，如果哪一天能夠?qū)崿F(xiàn)全球電力無線傳輸，到哪兒都能“無線”獲得電能（像手機信號一樣），那么人類也就不再需要電池了，社會發(fā)展自然也就不會卡在電池上面。
針對能量密度成為瓶頸的現(xiàn)狀，全球各國都制訂了相關(guān)的電池產(chǎn)業(yè)政策目標，期望引領(lǐng)電池行業(yè)在能量密度方面取得顯著的突破。中、美、日等國政府或行業(yè)組織所制定的2020年目標，基本上都指向300Wh/kg這一數(shù)值，相當于在當前的基礎(chǔ)上提升接近1倍。2030年的遠期目標，則要達到500Wh/kg，甚至700Wh/kg，電池行業(yè)必須要有化學體系的重大突破，才有可能實現(xiàn)這一目標。
影響鋰離子電池能量密度的因素有很多，就鋰離子電池現(xiàn)有的化學體系和結(jié)構(gòu)而言，具體都有哪些明顯的限制呢？
前面我們分析過，充當電能載體的，其實就是電池當中的鋰元素，其他物質(zhì)都是“廢物”，可是要獲得穩(wěn)定的、持續(xù)的、安全的電能載體，這些“廢物”又是不可或缺的。舉個例子，一塊鋰離子電池當中，鋰元素的質(zhì)量占比一般也就在1%多一點，其余99%的成分都是不承擔能量存儲功能的其他物質(zhì)。愛迪生有句名言，成功是99%的汗水加上1%的天賦，看來這個道理放之四海皆準啊，1%是紅花，剩下的99%就是綠葉，少了哪個都不行。
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充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
那么要提高能量密度，我們首先想到的就是提高鋰元素的比例，同時要讓盡可能多的鋰離子從正極跑出來，移動到負極，然后還得從負極原數(shù)返回正極（不能變少了），周而復始的搬運能量。
1.提高正極活性物質(zhì)的占比
提高正極活性物質(zhì)占比，主要是為了提高鋰元素的占比，在同一個電池化學體系中，鋰元素的含量上去了（其他條件不變），能量密度也會有相應的提升。所以在一定的體積和重量限制下，我們希望正極活性物質(zhì)多一些，再多一些。
2.提高負極活性物質(zhì)的占比
這個其實是為了配合正極活性物質(zhì)的增加，需要更多的負極活性物質(zhì)來容納游過來的鋰離子，存儲能量。如果負極活性物質(zhì)不夠，多出來的鋰離子會沉積在負極表面，而不是嵌入內(nèi)部，出現(xiàn)不可逆的化學反應和電池容量衰減。
3.提高正極材料的比容量（克容量）
正極活性物質(zhì)的占比是有上限的，不能無限制提升。在正極活性物質(zhì)總量一定的情況下，只有盡可能多的鋰離子從正極脫嵌，參與化學反應，才能提升能量密度。所以我們希望可脫嵌的鋰離子相對于正極活性物質(zhì)的質(zhì)量占比要高，也就是比容量指標要高。
這就是我們研究和選擇不同的正極材料的原因，從鈷酸鋰到磷酸鐵鋰，再到三元材料，都是奔著這個目標去的。
前面已經(jīng)分析過，鈷酸鋰可以達到137mAh/g，錳酸鋰和磷酸鐵鋰的實際值都在120mAh/g左右，鎳鈷錳三元則可以達到180mAh/g。如果要再往上提升，就需要研究新的正極材料，并取得產(chǎn)業(yè)化進展。
4.提高負極材料的比容量
相對而言，負極材料的比容量還不是鋰離子電池能量密度的主要瓶頸，但是如果進一步提升負極的比容量，則意味著以質(zhì)量更少的負極材料，就可以容納更多的鋰離子，從而達到提升能量密度的目標。
以石墨類碳材料做負極，理論比容量在372mAh/g，在此基礎(chǔ)上研究的硬碳材料和納米碳材料，則可以將比容量提高到600mAh/g以上。錫基和硅基負極材料，也可以將負極的比容量提升到一個很高的量級，這些都是當前研究的熱點方向。
5.減重瘦身
除了正負極的活性物質(zhì)之外，電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、導電劑、集流體、基體、殼體材料等，都是鋰離子電池的“死重”，占整個電池重量的比例在40%左右。如果能夠減輕這些材料的重量，同時不影響電池的性能，那么同樣也可以提升鋰離子電池的能量密度。
在這方面做文章，就需要針對電解液、隔離膜、粘結(jié)劑、基體和集流體、殼體材料、制造工藝等方面進行詳細的研究和分析，從而找出合理的方案。各個方面都改善一些，就可以將電池的能量密度整體提升一個幅度。
從以上的分析可以看出，提升鋰離子電池的能量密度是一個系統(tǒng)工程，要從改善制造工藝、提升現(xiàn)有材料性能、以及開發(fā)新材料和新化學體系這幾個方面入手，尋找短期、中期和長期的解決方案。
