鋰電池的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)密(mi)(mi)度(du)(Energydensity)是指在單位(wei)(wei)一(yi)定的(de)空間或質量(liang)(liang)(liang)物質中儲存能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)的(de)大小。電(dian)池(chi)(chi)的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)密(mi)(mi)度(du)也就是電(dian)池(chi)(chi)平均單位(wei)(wei)體積(ji)或質量(liang)(liang)(liang)所釋放出(chu)的(de)電(dian)能(neng)(neng)。鋰電(dian)池(chi)(chi)的(de)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)密(mi)(mi)度(du)一(yi)般(ban)分重(zhong)量(liang)(liang)(liang)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)密(mi)(mi)度(du)和體積(ji)能(neng)(neng)量(liang)(liang)(liang)密(mi)(mi)度(du)兩個維度(du)。

電(dian)池(chi)重量(liang)能量(liang)密度=電(dian)池(chi)容量(liang)×放電(dian)平臺/重量(liang)，基本單(dan)位為Wh/kg(瓦時/千克)

電(dian)池體(ti)積(ji)能量密度=電(dian)池容量×放電(dian)平臺/體(ti)積(ji)，基本(ben)單(dan)位為Wh/L(瓦時/升)

電池的能量(liang)密度越(yue)大，單(dan)位(wei)體積、或重量(liang)內存(cun)儲(chu)的電量(liang)越(yue)多。

什么是單體電池能量密(mi)度？

電池的(de)能量(liang)密(mi)度(du)(du)常常指向兩個不同(tong)的(de)概念，一個是(shi)單體電芯的(de)能量(liang)密(mi)度(du)(du)，一個是(shi)電池系統的(de)能量(liang)密(mi)度(du)(du)。

電芯(xin)是(shi)一(yi)個(ge)(ge)(ge)電池系統的最小單元。M個(ge)(ge)(ge)電芯(xin)組(zu)成(cheng)一(yi)個(ge)(ge)(ge)模(mo)組(zu)，N個(ge)(ge)(ge)模(mo)組(zu)組(zu)成(cheng)一(yi)個(ge)(ge)(ge)電池包，這是(shi)車用(yong)動力電池的基本結(jie)構。

單體電芯能量密度，顧名思(si)義(yi)是單個電芯級別的能量密度。

根據《中國制(zhi)造2025》明確了動力(li)電池(chi)的發展規劃：2020年(nian)，電池(chi)能量密度達(da)(da)到300Wh/kg；2025年(nian)，電池(chi)能量密度達(da)(da)到400Wh/kg；2030年(nian)，電池(chi)能量密度達(da)(da)到500Wh/kg。這里指的就是單個電芯級別的能量密度。

什么是電池系統能量密度？

系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)能(neng)量密(mi)度是(shi)指(zhi)單(dan)體(ti)組合完成后的整個(ge)電(dian)(dian)池(chi)(chi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)的電(dian)(dian)量比整個(ge)電(dian)(dian)池(chi)(chi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)的重(zhong)量或體(ti)積。因(yin)為電(dian)(dian)池(chi)(chi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)內(nei)部包含(han)電(dian)(dian)池(chi)(chi)管理系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)，熱管理系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)，高低壓回路等占據(ju)了電(dian)(dian)池(chi)(chi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)的部分重(zhong)量和(he)內(nei)部空間，因(yin)此電(dian)(dian)池(chi)(chi)系(xi)(xi)統(tong)(tong)(tong)的能(neng)量密(mi)度都比單(dan)體(ti)能(neng)量密(mi)度低。

系統能量(liang)密度=電(dian)池系統電(dian)量(liang)/電(dian)池系統重(zhong)量(liang)OR電(dian)池系統體積

究竟是(shi)什么限制了(le)鋰電池(chi)的能量密(mi)度？

電池背后的化學(xue)體系是主要原(yuan)因難(nan)逃其咎。

一般而言，鋰(li)電(dian)池的四個(ge)部分非常關(guan)鍵：正極(ji)(ji)，負極(ji)(ji)，電(dian)解質，膈膜。正負極(ji)(ji)是發生化(hua)學反應(ying)的地(di)方，相(xiang)當于任督(du)二脈(mo)，重(zhong)要地(di)位可見一斑(ban)。我們都(dou)知道以(yi)三(san)元(yuan)鋰(li)為(wei)(wei)正極(ji)(ji)的電(dian)池包系統能(neng)量(liang)密度要高于以(yi)磷酸鐵鋰(li)為(wei)(wei)正極(ji)(ji)的電(dian)池包系統。這(zhe)是為(wei)(wei)什么(me)呢？

現有的鋰(li)離子(zi)電池負極材(cai)料多以石墨為主(zhu)，石墨的理論克容量(liang)372mAh/g。正極材(cai)料磷(lin)酸鐵鋰(li)理論克容量(liang)只有160mAh/g，而三元材(cai)料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。

根據木桶理論(lun)，水位的(de)高低決定(ding)于(yu)木桶最短處，鋰離(li)子電池的(de)能量密度下限取決于(yu)正極材(cai)料(liao)。

磷酸鐵鋰的(de)(de)電壓平臺是3.2V，三元的(de)(de)這一指標則是3.7V，兩相(xiang)比較，能量密度高(gao)下立分(fen)：16%的(de)(de)差額(e)。

當(dang)然，除了化(hua)學體系，生產(chan)工(gong)藝水平如(ru)壓(ya)(ya)實(shi)密(mi)度(du)、箔材(cai)厚度(du)等，也會影響(xiang)能量(liang)密(mi)度(du)。一(yi)(yi)般來說，壓(ya)(ya)實(shi)密(mi)度(du)越(yue)大，在有限空間內(nei)，電池的容量(liang)就越(yue)高，所(suo)以主材(cai)的壓(ya)(ya)實(shi)密(mi)度(du)也被看做電池能量(liang)密(mi)度(du)的參(can)考指標之(zhi)一(yi)(yi)。

在《大國(guo)重器II》第四集中(zhong)，寧(ning)德時代采用了6微米銅箔，利用先進的(de)工(gong)藝(yi)水平，提(ti)升了能量密(mi)度。

如果你能(neng)堅持每行讀下來一直讀到(dao)這里。恭喜，你對電池的理解已經上了一個層(ceng)次。

如(ru)何提高(gao)能(neng)量密度(du)呢？

新材(cai)料體系的采用(yong)、鋰電池結構(gou)的精調、制(zhi)造能力的提升是研發工程師“長(chang)袖(xiu)善舞(wu)”的三塊舞(wu)臺(tai)。下面，我們會從單(dan)體和(he)系統兩個維度進行(xing)講(jiang)解。

單體能量(liang)密度，主要依靠化學體系的突破

1、增大電池尺寸

電(dian)(dian)池(chi)(chi)廠家(jia)可以通過增(zeng)大原來電(dian)(dian)池(chi)(chi)尺寸來達到電(dian)(dian)量擴容的(de)效果。我們最熟悉的(de)例子莫過于：率先使(shi)用松下18650電(dian)(dian)池(chi)(chi)的(de)知名電(dian)(dian)動車(che)企特斯(si)拉將換裝新款(kuan)21700電(dian)(dian)池(chi)(chi)。

但是電芯“變(bian)胖”或者“長(chang)個(ge)”只是治(zhi)標(biao)，并不(bu)治(zhi)本(ben)。釜底(di)抽(chou)薪(xin)的(de)辦法，是從構成電池(chi)單元的(de)正負(fu)極材料以及電解液成分(fen)中，找到(dao)提高能量密度的(de)關鍵技(ji)術。

2、化學體系變革

前(qian)面提到，電池(chi)的能(neng)(neng)量密(mi)度受制于(yu)由電池(chi)的正(zheng)(zheng)(zheng)負(fu)極。由于(yu)目前(qian)負(fu)極材(cai)料的能(neng)(neng)量密(mi)度遠大于(yu)正(zheng)(zheng)(zheng)極，所(suo)以提高能(neng)(neng)量密(mi)度就要不斷升級正(zheng)(zheng)(zheng)極材(cai)料。

高鎳正極

三元(yuan)材料通(tong)指鎳鈷錳酸鋰氧化(hua)物大(da)家族(zu)，我們可以通(tong)過改變(bian)鎳、鈷、錳這(zhe)三種元(yuan)素的(de)比例來改變(bian)電池的(de)性(xing)能。

硅碳負極

硅基負(fu)(fu)極材料的(de)比(bi)容(rong)量(liang)可以(yi)達到4200mAh/g，遠高于石(shi)墨負(fu)(fu)極理論比(bi)容(rong)量(liang)的(de)372mAh/g，因此(ci)成為石(shi)墨負(fu)(fu)極的(de)有力(li)替代者。

目前，用硅碳復(fu)合材(cai)料來(lai)提升電池能(neng)量(liang)密度的方式(shi)，已是業界公認的鋰(li)離子電池負極(ji)材(cai)料發展方向之一(yi)。特斯(si)拉發布的Model3就(jiu)采(cai)用了硅碳負極(ji)。

在未來(lai)，如果想要百尺竿頭(tou)更進(jin)一步——突破單(dan)體電(dian)芯(xin)350Wh/kg的(de)關口，業內同行(xing)們(men)可能(neng)需要著(zhu)(zhu)眼于(yu)鋰(li)金屬負極(ji)型(xing)(xing)的(de)電(dian)池體系，不過這也意(yi)味(wei)著(zhu)(zhu)整個電(dian)池制(zhi)作工藝(yi)的(de)更迭與精進(jin)。中幾種典型(xing)(xing)三元(yuan)材料中可以看出，鎳(nie)的(de)占比(bi)越來(lai)越高，鈷的(de)占比(bi)越來(lai)越低(di)(di)。鎳(nie)的(de)含量(liang)越高，意(yi)味(wei)著(zhu)(zhu)電(dian)芯(xin)的(de)比(bi)容量(liang)就(jiu)越高。另外(wai)，由于(yu)鈷資源稀(xi)缺，提(ti)高鎳(nie)的(de)比(bi)例，將降低(di)(di)的(de)降低(di)(di)鈷的(de)使用量(liang)。

3、系統能(neng)量密(mi)度：提升電池包(bao)的成組(zu)效率

電池包的成(cheng)組(zu)考驗的是(shi)電池“攻(gong)城(cheng)獅“們對單(dan)體(ti)電芯和模組(zu)排兵布陣的能力，需要以安全性(xing)為(wei)前提，最大程度地利用每一寸(cun)空間。

電池(chi)包的“瘦身”主要有以下(xia)幾(ji)種方(fang)式。

優化排布結構

從外形尺寸方面，可以優化系統內(nei)部(bu)的布置，讓電池包內(nei)部(bu)零部(bu)件排(pai)布更加緊(jin)湊高效。

拓撲優化

我們通過仿真計(ji)算在確保剛強度及結構可(ke)靠(kao)性的前提下，實(shi)現減重設計(ji)。通過該技術，可(ke)以實(shi)現拓撲優化(hua)(hua)和(he)形貌優化(hua)(hua)最終幫(bang)助實(shi)現電池箱體輕量化(hua)(hua)。

選材

我們可以選(xuan)擇低密度(du)材(cai)料，如(ru)電池(chi)(chi)包上蓋已經從(cong)傳(chuan)統的(de)鈑金上蓋逐(zhu)(zhu)步(bu)(bu)轉變為(wei)復合(he)材(cai)料上蓋，可以減重約(yue)35%。針對電池(chi)(chi)包下箱體，已經從(cong)傳(chuan)統的(de)鈑金方(fang)案逐(zhu)(zhu)步(bu)(bu)轉變為(wei)鋁型材(cai)的(de)方(fang)案，減重量(liang)(liang)約(yue)40%，輕量(liang)(liang)化效果(guo)明顯。

整車一體化設計

整車(che)一體化設(she)計與整車(che)結構設(she)計通盤考慮，盡可能共享、共用結構件，例如防(fang)碰(peng)撞設(she)計，實現極(ji)致的輕量化

電池(chi)是(shi)一個(ge)很全(quan)方位的(de)產(chan)品(pin)，你要提升(sheng)某一方面(mian)的(de)性能，可能會犧牲其他(ta)方面(mian)的(de)性能，這(zhe)是(shi)電池(chi)設計研發的(de)理解基礎。動力電池(chi)屬(shu)于車(che)載專用，因(yin)而能量(liang)密度(du)不是(shi)衡量(liang)電池(chi)品(pin)質的(de)唯(wei)一尺(chi)度(du)。