動力電池能量密度全面解析(內附動圖)

▌續航能力↑=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裡程主要取決於電池的能量密度。

圖1 電池包系統在整車中的布局

▌什麼是能量密度？

能量密度(Energydensity)是指在單位一定的空間或質量物質中儲存能量的大小。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、或重量內存儲的電量越多。

▌什麼是單體能量密度？

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，一個是電池系統的能量密度。

電芯是一個電池系統的最小單元。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構。

圖2 動力電池系統構造示意圖

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《中國製造2025》明確了動力電池的發展規劃：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。這裡指的就是單個電芯級別的能量密度。

▌什麼是系統能量密度？

系統能量密度是指單體組合完成後的整個電池系統的電量比整個電池系統的重量或體積。因為電池系統內部包含電池管理系統，熱管理系統，高低壓迴路等佔據了電池系統的部分重量和內部空間，因此電池系統的能量密度都比單體能量密度低。

系統能量密度=電池系統電量/電池系統重量OR電池系統體積

▌究竟是什麼限制了鋰電池的能量密度？

電池背後的化學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鍵：正極，負極，電解質，膈膜。正負極是發生化學反應的地方，相當於任督二脈，重要地位可見一斑。

圖3 方殼電芯結構圖

我們都知道以三元鋰為正極的電池包系統能量密度要高於以磷酸鐵鋰為正極的電池包系統。這是為什麼呢？

現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。

根據木桶理論，水位的高低決定於木桶最短處，鋰離子電池的能量密度下限取決於正極材料。

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，除了化學體系，生產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，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。

在《大國重器II》第四集中，寧德時代採用了6微米銅箔，利用先進的工藝水平，提升了能量密度。

如果你能堅持每行讀下來一直讀到這裡。恭喜，你對電池的理解已經上了一個層次。

▌如何提高能量密度呢？

新材料體系的採用、鋰電池結構的精調、製造能力的提升是研發工程師「長袖善舞」的三塊舞臺。下面，我們會從單體和系統兩個維度進行講解。

——單體能量密度，主要依靠化學體系的突破

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於：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。

圖4 不同尺寸的圓柱電池對比

但是電芯「變胖」或者「長個」只是治標，並不治本。釜底抽薪的辦法，是從構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鍵技術。

02 化學體系變革

前面提到，電池的能量密度受制於由電池的正負極。由於目前負極材料的能量密度遠大於正極，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5中幾種典型三元材料中可以看出，鎳的佔比越來越高，鈷的佔比越來越低。鎳的含量越高，意味著電芯的比容量就越高。另外，由於鈷資源稀缺，提高鎳的比例，將降低的降低鈷的使用量。

圖5 不同正極材料的克容量對比

矽碳負極

矽基負極材料的比容量可以達到4200mAh/g，遠高於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，用矽碳複合材料來提升電池能量密度的方式，已是業界公認的鋰離子電池負極材料發展方向之一。特斯拉發布的Model3就採用了矽碳負極。

在未來，如果想要百尺竿頭更進一步——突破單體電芯350Wh/kg的關口，業內同行們可能需要著眼於鋰金屬負極型的電池體系，不過這也意味著整個電池製作工藝的更迭與精進。

圖6 鋰離子電池電池體系的高能化發展趨勢

03 系統能量密度：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。

優化排布結構

從外形尺寸方面，可以優化系統內部的布置，讓電池包內部零部件排布更加緊湊高效。

拓撲優化

我們通過仿真計算在確保剛強度及結構可靠性的前提下，實現減重設計。通過該技術，可以實現拓撲優化和形貌優化最終幫助實現電池箱體輕量化。

選材

我們可以選擇低密度材料，如電池包上蓋已經從傳統的鈑金上蓋逐步轉變為複合材料上蓋，可以減重約35%。針對電池包下箱體，已經從傳統的鈑金方案逐步轉變為鋁型材的方案，減重量約40%，輕量化效果明顯。

整車一體化設計

整車一體化設計與整車結構設計通盤考慮，儘可能共享、共用結構件，例如防碰撞設計，實現極致的輕量化

圖7 整車集成模態仿真

圖8 整車集成模態仿真

電池是一個很全方位的產品，你要提升某一方面的性能，可能會犧牲其他方面的性能，這是電池設計研發的理解基礎。動力電池屬於車載專用，因而能量密度不是衡量電池品質的唯一尺度。