鋰電池乾貨系列之鋰電和金屬鋰能量密度計算

鋰電池乾貨系列之鋰電和金屬鋰能量密度計算

胡薇 發表於 2018-10-11 10:46:01

純電動車電池的能量密度高低有多重要？

這似乎就像在討論心臟的跳動對於人體有多重要一般，一輛純電動車，或者說的更標準一點，一輛電池動力車的性能、續航裡程、可靠性都取決於其電池包內的電池數量以及單節電池內的能量密度。這個公式很好理解：總電量=電池數量×單節電池能量密度。

而現代汽車的結構設計其實已經很死板了，留給電池組的空間也就那麼一點，大部分車型都集中在坐艙地板下方，當然這也是出於安全性和空間性的考慮。

所以說，電池數量已經被限制在某一個區間內，無法大幅提升。想要增強電池車性能，唯有在能量密度上做文章。

首先，什麼是電池能量密度？

能量密度（Energy density）是指在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。電池能量密度=電池容量×放電平臺/電池厚度/電池寬度/電池長度，基本單位為Wh/kg（瓦時/千克）。

電池的能量密度越大，單位體積內存儲的電量越多。

△圓柱形鋰電池結構圖

關於電池能量密度，現在我們都知道了它儼然是目前電池行業，甚至是電動汽車行業向前大跨步的最明顯的突破口，但是突破它，真的是很難啊！

△典型電池設計非活性物質(除引線等)的佔比

據悉，電池的能量密度基本由電池的正負極決定的，但只是正負極活性材料也不能保證電池能發上電，得有很多非活性物質，比如導電輔助劑、活性粉末之間的粘結劑、隔離膜、陰陽極的箔材、絕緣固定的膠紙、鋁塑膜殼或者鋼鋁殼等等。

我們中大部分人總是有意無意的忽略這部分物質的含量，得出的能量密度與事實相差較大，誤導吃瓜群眾。其實，這部分相當重要，就拿過去十幾年的技術進步來說，電池能量密度的提升主要就是靠著活性物質佔比的提升來實現的。

△能量密度的變化與預測

還有的就是以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。而原因並非18650電池有任何質量問題，只是18650電池單顆容量小，普遍在2-4Ah左右，串並聯數量過多，單體失效風險概率較大，導致其在電動汽車領域的應用受到一定的限制。

△圖中為21700電池

而21700電池在尺寸上相比18650電池（直徑18mm，長度65mm）更大，達到了直徑21mm，長度70mm。如果想再形象一點來考慮這個問題，我們不妨來看看來自Hitech Energy的計算，僅考慮單體的密集堆積進行計算，可知：30支21700的體積是40支18650體積的1.1倍，質量則為0.97倍。

在同等能量下，所需電池的數量可減少約1/3，電池包內部金屬連接件數量減少，從而進一步降低電池包的重量，整車的能量密度將得到部分提升，達到接近300kw/kg。

以下三點尤為引人注意：

1.到2020年，鋰離子動力電池單體比能量大於300Wh/kg；系統比能量爭取達到260Wh/kg；成本小於1元/瓦時；使用環境達-30℃到55℃；具備3C充電能力。

2.到2025年，單體比能量達500Wh/kg。

3.力爭實現單體電池350Wh/kg、系統260Wh/kg的鋰離子電池產品產業化和整車應用。

日前，澳洋順昌（002245）在2018半年報中披露，在高鎳NCA產品儲備上，天鵬電源已經完成18650型號3.5AH產品的技術儲備，可以根據電動汽車客戶要求投產系統能量密度超過160Wh/kg的高能量密度電池。

三元圓柱領軍企業比克也對外表示，公司3.0Ah的18650動力電芯已經配套江淮大眾旗下一款新A00級SUV車型。

可以明確的是，隨著18650動力電芯自動化、智能化生產水平的提升和下遊車企對高能量密度電池的需求，18650電池企業正在往3.0AH以上的高容量電芯產品布局。

根據高工產研鋰電研究所（GGII）數據統計，國內目前具備量產18650動力電芯的企業數量超過20家。但各家囿於資金、技術、產能、工藝、設備等因素，最終能夠量產2.6AH以上18650動力電芯的企業並不多。

從產能來看，高工鋰電盤點了比克、億緯鋰能、智航新能源、遠東福斯特、天鵬電源、力神等6家技術及市場口碑較好的18650電池企業發現，比克以6GWh產能居第一位，力神產能雖不高，但從其內部人士獲悉，目前公司18650供不應求，產能緊張。

若以技術來衡量，國內一家圓柱電池企業總工表示，國內18650動力電池還是主要對標松下，其3.0AH以上的18650已經實際應用於特斯拉，但在國內穩定量產2.8-2.9Ah18650就成為電池企業的一道門檻。

目前，2.4-2.6Ah的容量電池產品是當下新能源汽車市場上的主流產品，也是國內圓柱電池企業競爭最激烈的幾款產品。

作為生產工藝最為成熟的動力電池技術路線，18650電芯具備交貨周期短、尺寸標準統一等優勢，尤其對車企來說，最大的優勢在於國內產能供應滿足、性價比高的圓柱電池企業數量較多，可選擇性較廣，切換便捷。

但要滿足下遊客戶對動力電池高能量密度的需求，18650高容量化是未來發展的必然趨勢。儘管21700已經有替代趨勢，但從現下來看，國內能夠穩定量產21700的企業屈指可數，18650至少在1-2年內還將處於主流地位。

那麼，從2.6Ah提升到3.0AH甚至更高的18650電芯，對電池企業來說，難點集中在哪呢？

包括比克、力神、遠東福斯特、億緯鋰能等多家電池企業的共識是：

首先，高容量必須從材料端著手，導入高鎳甚至是配以矽碳等材料，電池企業需要攻克高鎳正極對應用環境、水分敏感等難關。今年矽碳在動力市場應用放緩，也正與電池企業在工藝方面的推進較慢有關。其次，具備實驗水平後，最大的瓶頸在於如何實現規模化的量產，真正實現裝車應用。

這兩大難點都對18650電池企業的設備、工藝和技術提出更高要求。高工鋰電特此梳理比克、力神、天鵬電源、遠東福斯特、鵬輝能源、智航新能源、卓能新能源7家18650電池企業在高容量電芯產品方面的布局，以一窺國內18650電池技術水平。

➤比克：3.0Ah18650電芯配套A0級SUV車型

8月中旬，比克電池在官微宣布，公司為江淮大眾SOL(思皓)品牌首款A0級SUV車型產品E20X提供配套產品，採用3.0Ah的18650三元動力電芯，電池包還採用液冷電池安全管控技術，工況最大續航裡程301km，最高車速為130km/h，預計將於9月正式上市。

7月12日，吉利全球鷹在上海宣布發售最新款純電動車型EX3，該車型共有3個版本，配備了比克186502.75Ah高能芯鋰電池，電池容量為41.5kWh，最大續航裡程可達380KM。

➤力神：21700應用裝車的國內首家圓柱企業

力神是國內目前首家規模量產21700並且應用在乘用車上的動力電池企業。作為國內老牌的18650電池企業，力神總計擁有1GWh18650電芯產能，全部實現自動化、智能化生產，能夠滿足車企2500mAh以上高容量電芯生產需求。

➤天鵬電源：NCA體系18650電池裝車

在今年3月12日澳洋順昌2017年業績報告路演上，天鵬電源總經理陳璇表示：「2017年，天鵬電源在電動工具電池和EV電池領域的業績佔比已經達到1:1，在EV領域主要定位微型乘用車市場，和上汽通用五菱、知豆、康迪、眾泰等車企建立了合作。」

比如上汽通用五菱爆款車型寶駿E100，新款升級版寶駿E200都配套應用天鵬電源NCA體系18650電池。其中，寶駿E100在今年1-5月中以7972輛的銷量位居國內新能源A00級乘用車十大暢銷車型第六名。

➤遠東福斯特：3100mAh動力電芯進入中試

遠東福斯特深耕18650三元鋰電池多年，擁有18650-2400mAh、2600mAh、2800mAh、3100mAh等多種型號的產品，預計2019年NCM811高容量電芯將投產。其中，遠東福斯特生產的2600-2900mAh18650產品已經開始使用高鎳811材料，2017年已有少量出貨，今年3月實現批量出貨。

8月初，智慧能源(600869)表示，全資子公司遠東福斯特的圓柱18650—3100mAh動力電芯目前已進入中試階段。

➤鵬輝能源：主打2800mAh18650動力電芯

6月份，鵬輝能源動力研究院院長劉建生向高工鋰電透露，從今年4月起，公司動力用圓柱電池新增產能均為NCM811，以2800mAh容量為主，採用811搭配石墨負極方案，能量密度達220Wh/kg，目前主要給上汽通用五菱配套。公司也正在加緊推進NCM811體系3000mAh的18650電芯量產，以及NCM811搭配矽碳3300mAh電芯的進展。

➤智航新能源：3000mAh18650電池通過新國標強檢

高工產研鋰電研究所（GGII）數據顯示，智航新能源在2018上半年動力電池裝機量排名中位居第10。在5月份的高工鋰電2018動力電池供應鏈巡迴活動中，智航新能源稱，公司專注於三元技術路線，主打產品為18650-2600mAh三元電池，單體比能量達210wh/kg，更高能量密度的3000mAh新品已完成中試，並已通過新國標強檢。公司擁有三元正極材料、電芯和PACK系統的完整產線，目前總計產能3.5GWh。

➤卓能新能源：主推2800mAh及更高容量的電芯

目前，卓能新能源擁有深圳、廣西兩大生產基地，日產電芯160萬顆，均為實際生產產能。其中，深圳基地日產60萬顆，以3C消費類電池為主；廣西基地日產100萬顆，以動力電池為主。

去年，卓能新能源動力電池主流型號為2600mAh型號產品，今年在動力電池市場將主推2800mAh及更高容量的電芯，目前已進入批量供貨階段。

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