限制锂电池能量密度的原因是什么？
来源：宝鄂实业
2019-10-25 20:49
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什么是系统能量密度？
系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。因为电池系统内部包含电池管理系统，热管理系统，高低压回路等占据了电池系统的部分重量和内部空间，因此电灺系统的能量密度都比单体能量密度低。
系统能量密度=电池系统电量/电池系统重量OR电池系统体积
究竟是什么限制了锂电池的能量密度？
电池背后的化学体系是主要原因难逃其咎。
一般而言，锂电池的四个部分非常关键：正极，负极，电解质，膈膜。正负极是发生化学反应的地方，相当于任督二脉，重要地位可见一斑。
我们都知道以三元锂为正极的电池包系统能量密度要高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统。这是为什么呢？
现有的锂离子电池负极材料多以石墨为主，石墨的理论克容量372mAh/g。正极材料磷酸铁锂理论克容量只有160mAh/g，而三元材料镍钴锰(NCM)约为200mAh/g。
根据木桶理论，水位的高低决定于木桶最短处，锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料。
磷酸铁锂的电压平台是3.2V，三元的这一指标则是3.7V，两相比较，能量密度高下立分：16%的差额。
当然，除了化学体系，生产工艺水平如压实密度、箔材厚度等，也会影响能量密度。一般来说，压实密度越大，在有限空间内，电池的容量就越高，所以主材的压实密度也被看做电池能量密度的参考指标之一。
在《大国重器II》第四集中，宁德时代采用了6微米铜箔，利用先进的工艺水平，提升了能量密度。
如果你能坚持每行读下来一直读到这里。恭喜，你对电池的理解已经上了一个层次。
如何提高能量密度呢？
新材料体系的采用、锂电池结构的精调、制造能力的提升是研发工程师“长袖善舞”的三块舞台。下面，我们会从单体和系统两个维度进行讲解。
——单体能量密度，主要依靠化学体系的突破
01增大电池尺寸
电池厂家可以通过增大原来电池尺寸来达到电量扩容的效果。
但是电芯“变胖”或者“长个”只是治标，并不治本。釜底抽薪的办法，是从构成电池单元的正负极材料以及电解液成分中，找到提高能量密度的关键技术。
02化学体系变革
前面提到，电池的能量密度受制于由电池的正负极。由于目前负极材料的能量密度远大于正极，所以提高能量密度就要不断升级正极材料。
三元材料通指镍钴锰酸锂氧化物大家族，我们可以通过改变镍、钴、锰这三种元素的比例来改变电池的性能。
系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。因为电池系统内部包含电池管理系统，热管理系统，高低压回路等占据了电池系统的部分重量和内部空间，因此电灺系统的能量密度都比单体能量密度低。
系统能量密度=电池系统电量/电池系统重量OR电池系统体积
究竟是什么限制了锂电池的能量密度？
电池背后的化学体系是主要原因难逃其咎。
一般而言，锂电池的四个部分非常关键：正极，负极，电解质，膈膜。正负极是发生化学反应的地方，相当于任督二脉，重要地位可见一斑。
我们都知道以三元锂为正极的电池包系统能量密度要高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统。这是为什么呢？
现有的锂离子电池负极材料多以石墨为主，石墨的理论克容量372mAh/g。正极材料磷酸铁锂理论克容量只有160mAh/g，而三元材料镍钴锰(NCM)约为200mAh/g。
根据木桶理论，水位的高低决定于木桶最短处，锂离子电池的能量密度下限取决于正极材料。
磷酸铁锂的电压平台是3.2V，三元的这一指标则是3.7V，两相比较，能量密度高下立分：16%的差额。
当然，除了化学体系，生产工艺水平如压实密度、箔材厚度等，也会影响能量密度。一般来说，压实密度越大，在有限空间内，电池的容量就越高，所以主材的压实密度也被看做电池能量密度的参考指标之一。
在《大国重器II》第四集中，宁德时代采用了6微米铜箔，利用先进的工艺水平，提升了能量密度。
如果你能坚持每行读下来一直读到这里。恭喜，你对电池的理解已经上了一个层次。
如何提高能量密度呢？
新材料体系的采用、锂电池结构的精调、制造能力的提升是研发工程师“长袖善舞”的三块舞台。下面，我们会从单体和系统两个维度进行讲解。
——单体能量密度，主要依靠化学体系的突破
01增大电池尺寸
电池厂家可以通过增大原来电池尺寸来达到电量扩容的效果。
但是电芯“变胖”或者“长个”只是治标，并不治本。釜底抽薪的办法，是从构成电池单元的正负极材料以及电解液成分中，找到提高能量密度的关键技术。
02化学体系变革
前面提到，电池的能量密度受制于由电池的正负极。由于目前负极材料的能量密度远大于正极，所以提高能量密度就要不断升级正极材料。
三元材料通指镍钴锰酸锂氧化物大家族，我们可以通过改变镍、钴、锰这三种元素的比例来改变电池的性能。
