锂电池能量密度现在能有多高?550Wh/kg靠谱吗

河沟边

电池新闻三大月经贴:能量密度更高,电池安全更好,快充时间更短。其实也怪不得,这也是老百姓的客观需求,就拿电动车来说,人家就拿燃油车的油缸来搪塞你,看你那么大坨电池,我加那么一丢丢汽油,就能跑几百公里,电池车呢,跑几十公里就趴着了。气啊,还不是能量密度低整的事儿。

从下图(图1 汽油与锂电池能量密度的对比)来看,锂离子电池的能量密度和体积能量密度确实比较低。开安全环保的电动车的人就回过头来指着搞电池的说,咋不像摩尔定律那样,18个月就把电池能量密度翻个番,锂电池不行,咱就换个其他的,谁行谁上。这还真不能那么急,咱来看看这些个能进行充放电的电池都啥水平?再打开地图找一找,看看是不是有啥错过的宝贝,看看是不是那么容易,锂电池是不是能达到燃油车的能量密度水平。

图1现有电池体系能量密度

图2 汽油与锂电池能量密度的对比(图片来自:朱玉龙汽车电子设计专栏)

电池的能量密度基本由电池的正负极决定的,但光是正负极活性材料也不能保证电池能发上电,得有很多非活性物质,比如导电辅助剂、活性粉末之间的粘结剂、隔离膜、阴阳极的箔材、绝缘固定的胶纸、外边铝塑膜壳子或者钢铝壳等等(表1 典型电池设计非活性物质的占比)。我们的媒体,总喜欢搞大新闻,有意无意的忽略这部分物质的含量,得出的能量密度老能高到天上去,与事实相差较大,误导无辜吃瓜群众。其实,这部分相当重要,就拿过去十几年的技术进步来说,我们电池的能量密度提升主要就是靠着活性物质占比的提升来实现的。

表1 典型电池设计非活性物质(除引线等)的占比

图3 能量密度的变化与预测

CRABTREE 2015年在The energy-storage frontier : Lithium-ion batteries and beyond中总结了过去25年松下18650电芯能量密度的变化。经过千辛万苦,现在电芯实际R占比(Real/Cal.)已经达到了61%左右,实际电池系统加上管理系统、冷却系统、引线等,成组实际能量密度会更进一步降低。下表例举了一部分现有实际电池能量密度,可怜的明日之星锂硫电池才10%左右的理论容量发挥;按照R max = 61%算,理论能量密度最高的锂空的能量密度大概为3182 Wh/kg。

中科院的吴娇杨博士对于选取了现有理论容量较高、理论容量较低但是商业化比较成熟等综合性能比较好的正负极材料,进行正负极搭配,大致得出了结果:Li-rich-300 对Si-C-2000 的电芯体系,在所有的电池体系中具有最高质量能能量密度584 W·h/kg以及最高体积能量密度1645 W·h/L。该数值不包括封装材料与极耳。


计算结果中,能量密度排名第二的是LCO-220 对Si-C-2000,可以分别达到536 W·h/kg 和1597 W·h/L。LiCoO2 理论比容量是274 mA·h/g,目前报道的可逆容量已经达到了220 mA·h/g[12-14]。但是也有相应的问题,LiCoO2 的放电可逆容量可以达到240~260 mA·h/g,但高容量LiCoO2(>180 mA·h/g)应用还需要解决高电压电解液、析氧、结构不可逆转等问题。实际电池中富锂锰基正极材料和硅负极实现300 mA·h/g 和2000mA·h/g 还是非常困难的,现有的富锂锰基正极材料也还需要提高倍率性能。另外,还核算了一下锂金属电池的最高实际发挥容量,100%Li 容量发挥时候,基于最高的正极材料LCO-220,重量能量密度也仅仅只有587 W·h/kg,体积能量密度只有1545 W·h/L。另外,从图5和图6可以看到,负极采用金属,与空气等搭配可以获得更高的能量密度,但是这类电池的应用可能性较小。

看了这些数据,我们大致可以得到结论,近期我们能够触碰到的能量密度可能是550Wh/kg左右,如果按照一次充电续航700公里的要求,我们大致需要配备约135KWh电量,只需要0.245T电池,对于车辆轻量化会有很大贡献。

     同时, 电池能量密度提升,也会对电池的寿命要求有很大的降低;更为重要的是,电池的成本甚至可以降至0.2元/Wh,远低于各大政府机构和商业机构的规划和预期。(见最后一图,主要基于松下18650电池实际能量密度/理论能量密度占比反推核算。)

参考文献:

[1] 锂电池基础科学问题(I)——化学储能电池理论能量密度的估算,彭佳悦,祖晨曦,李泓(2013)

[2] 锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算,吴娇杨,刘 品,胡勇胜,李 泓(2016)

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