什么是能量密度？哪些因素限制了锂电池的能量密度呢？

是什么决定了新能源汽车的续航里程？新能源汽车的续航主要取决于可用电量和整车能耗。

续航能力↑=可用电量↑÷能耗↓

在相同能耗不变，电池包体积和重量不变都受到严格限制的情况下，新能源汽车的单次最大行驶里程主要取决于电池的能量密度。

 电池包系统在整车中的布局

▌什么是能量密度？

能量密度(Energydensity)是指在单位一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池的能量密度一般分重量能量密度和体积能量密度两个维度。

电池重量能量密度=电池容量×放电平台/重量，基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)

电池体积能量密度=电池容量×放电平台/体积，基本单位为Wh/L(瓦时/升)

电池的能量密度越大，单位体积、或重量内存储的电量越多。

▌什么是单体能量密度？

电池的能量密度常常指向两个不同的概念，一个是单体电芯的能量密度，一个是电池系统的能量密度。

电芯是一个电池系统的最小单元。M个电芯组成一个模组，N个模组组成一个电池包，这是车用动力电池的基本结构。

图2 动力电池系统构造示意图

单体电芯能量密度，顾名思义是单个电芯级别的能量密度。

根据《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。这里指的就是单个电芯级别的能量密度。

▌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，因此电池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。

图3 方壳电芯结构图

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。我们最熟悉的例子莫过于：率先使用松下18650电池的知名电动车企特斯拉将换装新款21700电池。

图4 不同尺寸的圆柱电池对比

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。

高镍正极

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。

在图5中几种典型三元材料中可以看出，镍的占比越来越高，钴的占比越来越低。镍的含量越高，意味着电芯的比容量就越高。另外，由于钴资源稀缺，提高镍的比例，将降低的降低钴的使用量。

图5 不同正极材料的克容量对比

硅碳负极

硅基负极材料的比容量可以达到4200mAh/g，远高于石墨负极理论比容量的372mAh/g，因此成为石墨负极的有力替代者。

目前，用硅碳复合材料来提升电池能量密度的方式，已是业界公认的锂离子电池负极材料发展方向之一。特斯拉发布的Model3就采用了硅碳负极。

在未来，如果想要百尺竿头更进一步——突破单体电芯350Wh/kg的关口，业内同行们可能需要着眼于锂金属负极型的电池体系，不过这也意味着整个电池制作工艺的更迭与精进。

图6 锂离子电池电池体系的高能化发展趋势

03 系统能量密度：提升电池包的成组效率

电池包的成组考验的是电池“攻城狮“们对单体电芯和模组排兵布阵的能力，需要以安全性为前提，最大程度地利用每一寸空间。

电池包的“瘦身”主要有以下几种方式。

优化排布结构

从外形尺寸方面，可以优化系统内部的布置，让电池包内部零部件排布更加紧凑高效。

拓扑优化

我们通过仿真计算在确保刚强度及结构可靠性的前提下，实现减重设计。通过该技术，可以实现拓扑优化和形貌优化最终帮助实现电池箱体轻量化。

选材

我们可以选择低密度材料，如电池包上盖已经从传统的钣金上盖逐步转变为复合材料上盖，可以减重约35%。针对电池包下箱体，已经从传统的钣金方案逐步转变为铝型材的方案，减重量约40%，轻量化效果明显。

整车一体化设计

整车一体化设计与整车结构设计通盘考虑，尽可能共享、共用结构件，例如防碰撞设计，实现极致的轻量化

1、充电

　　锂电安全工作电压范围是2.8~4.2V，低于或高于这个电压范围电池中的锂离子变得非常不稳定，甚至造成事故。为保证电池处于安全范围，因此需要专门的充电器。这些充电器会自动根据电池当前状态而调整充电方式。

　　2、激活

　　锂充电器开始充电前，会以小电流供给电池，并同时检测电池电压变化，并逐渐加大电流直到设定值。此过程可以视作一种激活或者测试性充电。

　　3、恒流变压充电

　　充电器以恒定的电流给电池充电，随着电池电压的升高，充电器同时提高充电电压，以加快充电速度。

　　4、变流恒压充电

　　当电池到达4.2V截止电压时候，此时电池大约仅冲入70%左右的电量（并未饱满）。此时充电器即以恒定的电压，逐渐变小的电流对电池继续充电，值至小于0.1A充电仍然检测到电池电压继续升高时候才停止充电。

　　聚合物锂电池正确充电方法

　　1、聚合物锂电池充电时，充电器最好是选择原厂的专用充电器，否则会影响或损坏聚合物锂电池。

　　2、聚合物锂电池充电时最好以慢充方式进行，尽量避免快充，反复充放电也会影响聚合物锂电池的寿命。

　　3、手机超过7天不使用，应将聚合物锂电池完全充足后再使用，聚合物锂电池有自放电现象。

　　4、聚合物锂电池充电时间并不是越长越好，对普通充电器来说，当聚合物锂电池充满后应立即停止充电，否则聚合物锂电池会因发热或过热影响电池性能。

　　5、聚合物锂电池充电结束后，尽量避免在充电器上放置超过10小时，如长期不用时应做到手机和聚合物锂电池电池分离。

　　锂电池正确充电注意事项

　　1、避免在过高温度下充电

　　如果在高于规定的操作温度，即35°C以上的环境中使用锂电，电池的电量将会不断的减少，即电池的供电时间不会像往常那样长。如果在这样的温度下，还要为设备充电，那对电池的损伤将更大。即使是在较热的环境中存放电池，也会不可避免的对电池的质量造成相应的损坏。所以，尽量保持在适益的操作温度是延长锂电寿命的好方法。

　　2、避免在过低温度下充电

　　如果在低温环境，即4°C以下中使用锂电，同样也会发现电池的使用时间减少了，有些手机的原装锂电在低温环境中甚至充不上电。但不必太担心，这只是暂时状况，不同于高温环境下的使用，一旦温度升起来，电池中的分子受热，就马上恢复到以前的电量。

　　3、经常使用

　　生命在于运动。要想发挥锂离子电池的最大效能，就需要经常用它，让锂电内的电子始终处于流动状态。如果不经常使用锂电，请一定记得每月给锂电完成一个充电周期，做一次电量校准，即深放深充一次。

电池是一个很全方位的产品，你要提升某一方面的性能，可能会牺牲其他方面的性能，这是电池设计研发的理解基础。动力电池属于车载专用，因而能量密度不是衡量电池品质的唯一尺度。

作为新一代可充电电源，锂离子电池具有能量密度大、工作电压高、工作温度范围宽、循环寿命长、安全性能高等优点，是当前充电电池的主流发展方向。它还具有低维护需求和无记忆效应等特点，在作战中可随时充放电，且几乎不需任何战场维护，减少后勤负担，因此受到各国军队的重视和发展。近年来，锂离子电池被广泛用于单兵作战系统、潜艇、无人机、空天飞行器等军事装备，在陆、海、空、天领域展示出广阔的应用前景。

优势不可替代

锂离子电池是继镍氢等传统蓄电池之后的新一代可充电电池，由日本索尼公司于1990年最先研发成功。锂离子电池工作原理简单，具有较好的安全性和较长的充放电寿命，被认为是新型动力源的首选。

锂离子电池在军事应用中具有以下优点。工作电压高。一节锂离子电池的放电电压相当于3节传统蓄电池，同等使用条件下，大大减少电池使用量。能量密度高。是普通蓄电池的2至3倍，加上体积小、重量轻，用于野战便携式电子设备有不可替代的优势。循环使用寿命长。使用寿命长达10至15年，与传统蓄电池7至8年相比，降低了造价高昂带来的影响。无环境污染。不含铅、汞等重金属，是一种洁净的“绿色”能源。无记忆效应。可随意充放电，尤其在战时和紧急情况下显示出优异的使用性能。低维护率。几乎不需要任何维护，减少战时后勤负担。此外，还有安全性能高、工作温度范围宽等优点。

近年来，各国将锂离子电池作为替代传统蓄电池的新型电池大力发展，新型锂离子电池具备诸多特色，在便携式电子设备应用方面展现出不可替代的优势。

趋于可弯曲轻量化。随着小型化、便携式、可穿戴电子装备日益增多，要求与之适配的电源具有重量轻、体积小、比能量高、可任意形变等特点，锂离子电池凭借优异性能成为上述电子设备的首选电源。2013年，美军研发出一款可拉伸的锂离子电池，能内置手表腕带中，为单兵智能手表等装置供电。日本新推出一种柔性超薄锂离子电池，在弯曲折叠后依然保持稳定的电量输出。该电池的另一个技术亮点是采用无线充电技术，使可穿戴设备无需专门设计电池安装区域。

能量密度持续提高。促进锂离子电池发展的一大因素是新兴电池材料的应用。近年来，随着多种新型电极材料被应用，大大提升锂离子电池的能量密度、循环使用寿命和稳定性等关键性能。另外，锂离子电池的制造工艺也取得多项技术突破。日本新型耐高温全固态锂离子电池，在150℃的高温环境中仍具备良好的导电性能，此项技术扩大锂离子电池的应用范围。美国采用喷涂工艺可大面积制造锂离子电池，几乎可以在所有物体表面形成电池，可进一步提高战场能源的保障能力。

安全性能取得技术突破。高安全性是军事装备对锂离子电池的刚性要求，保证电池在受到高强度打击和冲击时绝对安全，主要通过使用高安全材料和优化电池结构实现。2017年1月，美国斯坦福大学研发出一种含有阻燃剂的微型“智能”纤维，插在电池的电极之间，可阻止电池短路起火。在测试中，当锂离子电池温度达到160℃以上时，阻燃剂会被释放到电解质中，确保电池安全。

未来军事装备的主选

锂离子电池作为动力源，近年来被广泛应用在单兵电子设备、潜艇、鱼雷、无人机中，展现出良好的使用性能，逐渐成为军事装备的重要能源。

单兵作战系统的首选电源。锂离子电池作为目前性能最好的蓄电池，不仅能为战场上的单兵电子设备提供持久稳定电源，还可大大减轻单兵负重，增强单兵作战的灵活性和机动性，成为未来单兵装备的首选电源。美陆军开发的“士兵适形电池”，就是一种可穿戴的锂离子聚合物电池，外形轻薄，排列放置在士兵穿着的防弹板上，减轻士兵承重。英国国防部将锂离子电池作为单兵作战系统补给能源，研制的袋状锂离子电池具有超高比能量。此外，当前世界各国军队研发的未来士兵作战系统大多采用锂离子电池作为动力源，如美国“陆地勇士”单兵作战系统和德国“未来士兵”系统都使用锂离子电池。

海上装备的“能源新宠”。锂离子电池用作潜艇的动力源，可极大提高潜艇航速、续航里程、生存能力，降低潜艇维护成本。近年来，多国海军将锂离子电池应用于微型潜艇，同时开发适用于中远程潜艇的锂离子电池。例如，法军天蝎级潜艇装备新一代锂离子电池，能够承受大电流充电，使潜艇充电时间大幅缩短，水下续航时间翻倍。

锂离子电池用于鱼雷，可大幅降低鱼雷动力部分的体积和重量，并能在训练中反复使用，满足部队训练需求。目前，法国海军已成功开发锂离子电池鱼雷，运行速度超过50节（92．5千米／小时），续航时间超过1小时，可靠性和安全性均满足作战性能要求。此外，外军还探索将锂离子电池用作水面舰艇的电力系统。

空天飞行器的“第三代电源”。锂离子电池被称为第三代航天电源，近年来逐步应用于各类航天设备。例如，新式锂离子电池已经用作国际太空站电源。在军事航空领域，锂离子电池主要应用于小型、微型无人机。美军在阿富汗战争中投入使用的“龙眼”无人侦察机，采用锂离子电池作为动力源，已在作战中得到检验。不过总体看，锂离子电池在这一领域的应用仍处于起步阶段，主要制约因素是小型化不足、动力不够等。

大型装备的动力源不足。在地面装备中，锂离子电池主要应用于军用无人地面车辆、机器人、混合电动战车等。对使用油电混合驱动的地面战车来说，采用锂离子电池作为动力源不仅可以降低油耗，减少后勤负担，还可以提高战术车辆的机动力和生存能力。目前，外军积极为混合电驱动战车、无人地面车辆、地面机器人研发锂离子电池模块。不过，对大型地面装备来说，锂离子电池功率偏弱是制约其进一步应用的主要因素。因此，未来还需要继续研发高比功率、低成本的锂离子电池，满足地面装备的任务需求。