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鋰離子電池能量密度介紹

鉅大LARGE  |  點擊量:2800次  |  2018年12月17日  

是什么決定了新能源汽車的續(xù)航里程?新能源汽車的續(xù)航主要取決于可用電量和整車能耗。


續(xù)航能力↑=可用電量↑÷能耗↓


在相同能耗不變,電池包體積和重量不變都受到嚴格限制的情況下,新能源汽車的單次最大行駛里程主要取決于電池的能量密度。


能量密度有哪些小秘密呢?


什么是能量密度?

過針刺 低溫防爆18650 2200mah
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準

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%

能量密度(Energydensity)是指在單位一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。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。電池的能量密度一般分重量能量密度和體積能量密度兩個維度。


電池重量能量密度=電池容量×放電平臺/重量,基本單位為Wh/kg(瓦時/千克)。


電池體積能量密度=電池容量×放電平臺/體積,基本單位為Wh/L(瓦時/升)。


電池的能量密度越大,單位體積、或重量內(nèi)存儲的電量越多。


什么是單體能量密度?

無人船智能鋰電池
IP67防水,充放電分口 安全可靠

標稱電壓:28.8V
標稱容量:34.3Ah
電池尺寸:(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域:勘探測繪、無人設(shè)備

電池的能量密度常常指向兩個不同的概念,一個是單體電芯的能量密度,一個是電池系統(tǒng)的能量密度。


電芯是一個電池系統(tǒng)的最小單元。M個電芯組成一個模組,N個模組組成一個電池包,這是車用動力電池的基本結(jié)構(gòu)。


單體電芯能量密度,顧名思義是單個電芯級別的能量密度。


根據(jù)《中國制造2025》明確了動力電池的發(fā)展規(guī)劃:2020年,電池能量密度達到300Wh/kg;2025年,電池能量密度達到400Wh/kg;2030年,電池能量密度達到500Wh/kg。這里指的就是單個電芯級別的能量密度。


什么是系統(tǒng)能量密度?


系統(tǒng)能量密度是指單體組合完成后的整個電池系統(tǒng)的電量比整個電池系統(tǒng)的重量或體積。因為電池系統(tǒng)內(nèi)部包含電池管理系統(tǒng),熱管理系統(tǒng),高低壓回路等占據(jù)了電池系統(tǒng)的部分重量和內(nèi)部空間,因此電池系統(tǒng)的能量密度都比單體能量密度低。


系統(tǒng)能量密度=電池系統(tǒng)電量/電池系統(tǒng)重量OR電池系統(tǒng)體積


什么限制了電池的能量密度?


究竟是什么限制了鋰電池的能量密度?電池背后的化學(xué)體系是主要原因難逃其咎。


一般而言,鋰電池的四個部分非常關(guān)鍵:正極,負極,電解質(zhì),膈膜。正負極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方,相當于任督二脈,重要地位可見一斑。


圖1.方殼電芯結(jié)構(gòu)圖


我們都知道以三元鋰為正極的電池包系統(tǒng)能量密度要高于以磷酸鐵鋰為正極的電池包系統(tǒng)。這是為什么呢?


現(xiàn)有的鋰離子電池負極材料多以石墨為主,石墨的理論克容量372mAh/g。正極材料磷酸鐵鋰理論克容量只有160mAh/g,而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。


根據(jù)木桶理論,水位的高低決定于木桶最短處,鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料。


磷酸鐵鋰的電壓平臺是3.2V,三元的這一指標則是3.7V,兩相比較,能量密度高下立分:16%的差額。


當然,除了化學(xué)體系,生產(chǎn)工藝水平如壓實密度、箔材厚度等,也會影響能量密度。一般來說,壓實密度越大,在有限空間內(nèi),電池的容量就越高,所以主材的壓實密度也被看做電池能量密度的參考指標之一。


如果你能堅持每行讀下來一直讀到這里。恭喜,你對電池的理解已經(jīng)上了一個層次。


如何提高能量密度呢?


新材料體系的采用、鋰電池結(jié)構(gòu)的精調(diào)、制造能力的提升是研發(fā)工程師“長袖善舞”的三塊舞臺。下面,我們會從單體和系統(tǒng)兩個維度進行講解。——單體能量密度,主要依靠化學(xué)體系的突破


01、增大電池尺寸


電池廠家可以通過增大原來電池尺寸來達到電量擴容的效果。我們最熟悉的例子莫過于:率先使用松下18650電池的知名電動車企特斯拉將換裝新款21700電池。


但是電芯“變胖”或者“長個”只是治標,并不治本。釜底抽薪的辦法,是從構(gòu)成電池單元的正負極材料以及電解液成分中,找到提高能量密度的關(guān)鍵技術(shù)。


02、化學(xué)體系變革


前面提到,電池的能量密度受制于由電池的正負極。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極,所以提高能量密度就要不斷升級正極材料。


高鎳正極


三元材料通指鎳鈷錳酸鋰氧化物大家族,我們可以通過改變鎳、鈷、錳這三種元素的比例來改變電池的性能。


在圖2中幾種典型三元材料中可以看出,鎳的占比越來越高,鈷的占比越來越低。鎳的含量越高,意味著電芯的比容量就越高。另外,由于鈷資源稀缺,提高鎳的比例,將降低的降低鈷的使用量。


圖2.不同正極材料的克容量對比


硅碳負極


硅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,因此成為石墨負極的有力替代者。


目前,用硅碳復(fù)合材料來提升電池能量密度的方式,已是業(yè)界公認的鋰離子電池負極材料發(fā)展方向之一。特斯拉發(fā)布的Model3就采用了硅碳負極。


在未來,如果想要百尺竿頭更進一步——突破單體電芯350Wh/kg的關(guān)口,業(yè)內(nèi)同行們可能需要著眼于鋰金屬負極型的電池體系,不過這也意味著整個電池制作工藝的更迭與精進。


03、系統(tǒng)能量密度:提升電池包的成組效率


電池包的成組考驗的是電池“攻城獅“們對單體電芯和模組排兵布陣的能力,需要以安全性為前提,最大程度地利用每一寸空間。


電池包的“瘦身”主要有以下幾種方式。


優(yōu)化排布結(jié)構(gòu)


從外形尺寸方面,可以優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的布置,讓電池包內(nèi)部零部件排布更加緊湊高效


拓撲優(yōu)化


我們通過仿真計算在確保剛強度及結(jié)構(gòu)可靠性的前提下,實現(xiàn)減重設(shè)計。通過該技術(shù),可以實現(xiàn)拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化最終幫助實現(xiàn)電池箱體輕量化。


選材


我們可以選擇低密度材料,如電池包上蓋已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金上蓋逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料上蓋,可以減重約35%。針對電池包下箱體,已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金方案逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殇X型材的方案,減重量約40%,輕量化效果明顯。


整車一體化設(shè)計


整車一體化設(shè)計與整車結(jié)構(gòu)設(shè)計通盤考慮,盡可能共享、共用結(jié)構(gòu)件,例如防碰撞設(shè)計,實現(xiàn)極致的輕量化。


能量密度是不是越高越好?


電池是一個很全方位的產(chǎn)品,你要提升某一方面的性能,可能會犧牲其他方面的性能,這是電池設(shè)計研發(fā)的理解基礎(chǔ)。動力電池屬于車載專用,因而能量密度不是衡量電池品質(zhì)的唯一尺度。

是什么決定了新能源汽車的續(xù)航里程?新能源汽車的續(xù)航主要取決于可用電量和整車能耗。


續(xù)航能力↑=可用電量↑÷能耗↓


在相同能耗不變,電池包體積和重量不變都受到嚴格限制的情況下,新能源汽車的單次最大行駛里程主要取決于電池的能量密度。


能量密度有哪些小秘密呢?


什么是能量密度?


能量密度(Energydensity)是指在單位一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。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。電池的能量密度一般分重量能量密度和體積能量密度兩個維度。


電池重量能量密度=電池容量×放電平臺/重量,基本單位為Wh/kg(瓦時/千克)。


電池體積能量密度=電池容量×放電平臺/體積,基本單位為Wh/L(瓦時/升)。


電池的能量密度越大,單位體積、或重量內(nèi)存儲的電量越多。


什么是單體能量密度?


電池的能量密度常常指向兩個不同的概念,一個是單體電芯的能量密度,一個是電池系統(tǒng)的能量密度。


電芯是一個電池系統(tǒng)的最小單元。M個電芯組成一個模組,N個模組組成一個電池包,這是車用動力電池的基本結(jié)構(gòu)。


單體電芯能量密度,顧名思義是單個電芯級別的能量密度。


根據(jù)《中國制造2025》明確了動力電池的發(fā)展規(guī)劃:2020年,電池能量密度達到300Wh/kg;2025年,電池能量密度達到400Wh/kg;2030年,電池能量密度達到500Wh/kg。這里指的就是單個電芯級別的能量密度。


什么是系統(tǒng)能量密度?


系統(tǒng)能量密度是指單體組合完成后的整個電池系統(tǒng)的電量比整個電池系統(tǒng)的重量或體積。因為電池系統(tǒng)內(nèi)部包含電池管理系統(tǒng),熱管理系統(tǒng),高低壓回路等占據(jù)了電池系統(tǒng)的部分重量和內(nèi)部空間,因此電池系統(tǒng)的能量密度都比單體能量密度低。


系統(tǒng)能量密度=電池系統(tǒng)電量/電池系統(tǒng)重量OR電池系統(tǒng)體積


什么限制了電池的能量密度?


究竟是什么限制了鋰電池的能量密度?電池背后的化學(xué)體系是主要原因難逃其咎。


一般而言,鋰電池的四個部分非常關(guān)鍵:正極,負極,電解質(zhì),膈膜。正負極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方,相當于任督二脈,重要地位可見一斑。


圖1.方殼電芯結(jié)構(gòu)圖


我們都知道以三元鋰為正極的電池包系統(tǒng)能量密度要高于以磷酸鐵鋰為正極的電池包系統(tǒng)。這是為什么呢?


現(xiàn)有的鋰離子電池負極材料多以石墨為主,石墨的理論克容量372mAh/g。正極材料磷酸鐵鋰理論克容量只有160mAh/g,而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。


根據(jù)木桶理論,水位的高低決定于木桶最短處,鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料。


磷酸鐵鋰的電壓平臺是3.2V,三元的這一指標則是3.7V,兩相比較,能量密度高下立分:16%的差額。


當然,除了化學(xué)體系,生產(chǎn)工藝水平如壓實密度、箔材厚度等,也會影響能量密度。一般來說,壓實密度越大,在有限空間內(nèi),電池的容量就越高,所以主材的壓實密度也被看做電池能量密度的參考指標之一。


如果你能堅持每行讀下來一直讀到這里。恭喜,你對電池的理解已經(jīng)上了一個層次。


如何提高能量密度呢?


新材料體系的采用、鋰電池結(jié)構(gòu)的精調(diào)、制造能力的提升是研發(fā)工程師“長袖善舞”的三塊舞臺。下面,我們會從單體和系統(tǒng)兩個維度進行講解。——單體能量密度,主要依靠化學(xué)體系的突破


01、增大電池尺寸


電池廠家可以通過增大原來電池尺寸來達到電量擴容的效果。我們最熟悉的例子莫過于:率先使用松下18650電池的知名電動車企特斯拉將換裝新款21700電池。


但是電芯“變胖”或者“長個”只是治標,并不治本。釜底抽薪的辦法,是從構(gòu)成電池單元的正負極材料以及電解液成分中,找到提高能量密度的關(guān)鍵技術(shù)。


02、化學(xué)體系變革


前面提到,電池的能量密度受制于由電池的正負極。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極,所以提高能量密度就要不斷升級正極材料。


高鎳正極


三元材料通指鎳鈷錳酸鋰氧化物大家族,我們可以通過改變鎳、鈷、錳這三種元素的比例來改變電池的性能。


在圖2中幾種典型三元材料中可以看出,鎳的占比越來越高,鈷的占比越來越低。鎳的含量越高,意味著電芯的比容量就越高。另外,由于鈷資源稀缺,提高鎳的比例,將降低的降低鈷的使用量。


圖2.不同正極材料的克容量對比


硅碳負極


硅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,因此成為石墨負極的有力替代者。


目前,用硅碳復(fù)合材料來提升電池能量密度的方式,已是業(yè)界公認的鋰離子電池負極材料發(fā)展方向之一。特斯拉發(fā)布的Model3就采用了硅碳負極。


在未來,如果想要百尺竿頭更進一步——突破單體電芯350Wh/kg的關(guān)口,業(yè)內(nèi)同行們可能需要著眼于鋰金屬負極型的電池體系,不過這也意味著整個電池制作工藝的更迭與精進。


03、系統(tǒng)能量密度:提升電池包的成組效率


電池包的成組考驗的是電池“攻城獅“們對單體電芯和模組排兵布陣的能力,需要以安全性為前提,最大程度地利用每一寸空間。


電池包的“瘦身”主要有以下幾種方式。


優(yōu)化排布結(jié)構(gòu)


從外形尺寸方面,可以優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的布置,讓電池包內(nèi)部零部件排布更加緊湊高效


拓撲優(yōu)化


我們通過仿真計算在確保剛強度及結(jié)構(gòu)可靠性的前提下,實現(xiàn)減重設(shè)計。通過該技術(shù),可以實現(xiàn)拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化最終幫助實現(xiàn)電池箱體輕量化。


選材


我們可以選擇低密度材料,如電池包上蓋已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金上蓋逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料上蓋,可以減重約35%。針對電池包下箱體,已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金方案逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殇X型材的方案,減重量約40%,輕量化效果明顯。


整車一體化設(shè)計


整車一體化設(shè)計與整車結(jié)構(gòu)設(shè)計通盤考慮,盡可能共享、共用結(jié)構(gòu)件,例如防碰撞設(shè)計,實現(xiàn)極致的輕量化。


能量密度是不是越高越好?


電池是一個很全方位的產(chǎn)品,你要提升某一方面的性能,可能會犧牲其他方面的性能,這是電池設(shè)計研發(fā)的理解基礎(chǔ)。動力電池屬于車載專用,因而能量密度不是衡量電池品質(zhì)的唯一尺度。

是什么決定了新能源汽車的續(xù)航里程?新能源汽車的續(xù)航主要取決于可用電量和整車能耗。


續(xù)航能力↑=可用電量↑÷能耗↓


在相同能耗不變,電池包體積和重量不變都受到嚴格限制的情況下,新能源汽車的單次最大行駛里程主要取決于電池的能量密度。


能量密度有哪些小秘密呢?


什么是能量密度?


能量密度(Energydensity)是指在單位一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。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。電池的能量密度一般分重量能量密度和體積能量密度兩個維度。


電池重量能量密度=電池容量×放電平臺/重量,基本單位為Wh/kg(瓦時/千克)。


電池體積能量密度=電池容量×放電平臺/體積,基本單位為Wh/L(瓦時/升)。


電池的能量密度越大,單位體積、或重量內(nèi)存儲的電量越多。


什么是單體能量密度?


電池的能量密度常常指向兩個不同的概念,一個是單體電芯的能量密度,一個是電池系統(tǒng)的能量密度。


電芯是一個電池系統(tǒng)的最小單元。M個電芯組成一個模組,N個模組組成一個電池包,這是車用動力電池的基本結(jié)構(gòu)。


單體電芯能量密度,顧名思義是單個電芯級別的能量密度。


根據(jù)《中國制造2025》明確了動力電池的發(fā)展規(guī)劃:2020年,電池能量密度達到300Wh/kg;2025年,電池能量密度達到400Wh/kg;2030年,電池能量密度達到500Wh/kg。這里指的就是單個電芯級別的能量密度。


什么是系統(tǒng)能量密度?


系統(tǒng)能量密度是指單體組合完成后的整個電池系統(tǒng)的電量比整個電池系統(tǒng)的重量或體積。因為電池系統(tǒng)內(nèi)部包含電池管理系統(tǒng),熱管理系統(tǒng),高低壓回路等占據(jù)了電池系統(tǒng)的部分重量和內(nèi)部空間,因此電池系統(tǒng)的能量密度都比單體能量密度低。


系統(tǒng)能量密度=電池系統(tǒng)電量/電池系統(tǒng)重量OR電池系統(tǒng)體積


什么限制了電池的能量密度?


究竟是什么限制了鋰電池的能量密度?電池背后的化學(xué)體系是主要原因難逃其咎。


一般而言,鋰電池的四個部分非常關(guān)鍵:正極,負極,電解質(zhì),膈膜。正負極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方,相當于任督二脈,重要地位可見一斑。


圖1.方殼電芯結(jié)構(gòu)圖


我們都知道以三元鋰為正極的電池包系統(tǒng)能量密度要高于以磷酸鐵鋰為正極的電池包系統(tǒng)。這是為什么呢?


現(xiàn)有的鋰離子電池負極材料多以石墨為主,石墨的理論克容量372mAh/g。正極材料磷酸鐵鋰理論克容量只有160mAh/g,而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。


根據(jù)木桶理論,水位的高低決定于木桶最短處,鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料。


磷酸鐵鋰的電壓平臺是3.2V,三元的這一指標則是3.7V,兩相比較,能量密度高下立分:16%的差額。


當然,除了化學(xué)體系,生產(chǎn)工藝水平如壓實密度、箔材厚度等,也會影響能量密度。一般來說,壓實密度越大,在有限空間內(nèi),電池的容量就越高,所以主材的壓實密度也被看做電池能量密度的參考指標之一。


如果你能堅持每行讀下來一直讀到這里。恭喜,你對電池的理解已經(jīng)上了一個層次。


如何提高能量密度呢?


新材料體系的采用、鋰電池結(jié)構(gòu)的精調(diào)、制造能力的提升是研發(fā)工程師“長袖善舞”的三塊舞臺。下面,我們會從單體和系統(tǒng)兩個維度進行講解?!獑误w能量密度,主要依靠化學(xué)體系的突破


01、增大電池尺寸


電池廠家可以通過增大原來電池尺寸來達到電量擴容的效果。我們最熟悉的例子莫過于:率先使用松下18650電池的知名電動車企特斯拉將換裝新款21700電池。


但是電芯“變胖”或者“長個”只是治標,并不治本。釜底抽薪的辦法,是從構(gòu)成電池單元的正負極材料以及電解液成分中,找到提高能量密度的關(guān)鍵技術(shù)。


02、化學(xué)體系變革


前面提到,電池的能量密度受制于由電池的正負極。由于目前負極材料的能量密度遠大于正極,所以提高能量密度就要不斷升級正極材料。


高鎳正極


三元材料通指鎳鈷錳酸鋰氧化物大家族,我們可以通過改變鎳、鈷、錳這三種元素的比例來改變電池的性能。


在圖2中幾種典型三元材料中可以看出,鎳的占比越來越高,鈷的占比越來越低。鎳的含量越高,意味著電芯的比容量就越高。另外,由于鈷資源稀缺,提高鎳的比例,將降低的降低鈷的使用量。


圖2.不同正極材料的克容量對比


硅碳負極


硅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,因此成為石墨負極的有力替代者。


目前,用硅碳復(fù)合材料來提升電池能量密度的方式,已是業(yè)界公認的鋰離子電池負極材料發(fā)展方向之一。特斯拉發(fā)布的Model3就采用了硅碳負極。


在未來,如果想要百尺竿頭更進一步——突破單體電芯350Wh/kg的關(guān)口,業(yè)內(nèi)同行們可能需要著眼于鋰金屬負極型的電池體系,不過這也意味著整個電池制作工藝的更迭與精進。


03、系統(tǒng)能量密度:提升電池包的成組效率


電池包的成組考驗的是電池“攻城獅“們對單體電芯和模組排兵布陣的能力,需要以安全性為前提,最大程度地利用每一寸空間。


電池包的“瘦身”主要有以下幾種方式。


優(yōu)化排布結(jié)構(gòu)


從外形尺寸方面,可以優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的布置,讓電池包內(nèi)部零部件排布更加緊湊高效


拓撲優(yōu)化


我們通過仿真計算在確保剛強度及結(jié)構(gòu)可靠性的前提下,實現(xiàn)減重設(shè)計。通過該技術(shù),可以實現(xiàn)拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化最終幫助實現(xiàn)電池箱體輕量化。


選材


我們可以選擇低密度材料,如電池包上蓋已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金上蓋逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料上蓋,可以減重約35%。針對電池包下箱體,已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金方案逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殇X型材的方案,減重量約40%,輕量化效果明顯。


整車一體化設(shè)計


整車一體化設(shè)計與整車結(jié)構(gòu)設(shè)計通盤考慮,盡可能共享、共用結(jié)構(gòu)件,例如防碰撞設(shè)計,實現(xiàn)極致的輕量化。


能量密度是不是越高越好?


電池是一個很全方位的產(chǎn)品,你要提升某一方面的性能,可能會犧牲其他方面的性能,這是電池設(shè)計研發(fā)的理解基礎(chǔ)。動力電池屬于車載專用,因而能量密度不是衡量電池品質(zhì)的唯一尺度。

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