什么是電池能量密度

能量密度（Energydensity）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

關于電池能量密度，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）的占比

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占比的提升來實現的。

△能量密度的變化與預測

動力電池提升能量密度的重要性

動力電池在一定意義上代替了燃油車油箱，增大容量便可獲得更長的續航能力，不過現代汽車的結構設計早已固定不變，即使純EV正向研發，預留給動力電池的布局空間也僅僅是前后軸之間的固定位置。

在無法改變布局空間的前提下，提升電池整體容量便是解決續航問題的基礎。實質上從13年開始至今，國產純電動車的續航里程，已經從150公里提升至400公里左右，在一次次刷新續航里程的背后。動力電池往往會以更輕的整備質量，獲得更大的電池容量，作為核心升級的便是電池能量密度。

實質上，鋰離子電池是指以離子嵌入化合物為正極材質的電池總成。無論是三元鋰、還是磷酸鐵鋰電池。整體的充放電過程基本相同，不同的是不同材質追求的性能取向不同。

鋰離子電池主要由正極+電解液+負極組合而成，正極材質多采用含金屬鋰的化合物，負極大多采用石墨或碳材質，兩者之間的有機溶劑則是電解質。充電時，正極上分解成鋰離子，通過電解質進入電池負極，并且嵌入負極材質。放電時，嵌入負極材質的鋰離子通過電解質回流指正極，回到正極的鋰離子越多電池容量越高。

動力電池提升能量密度的三大路徑

一、提升輕量化水平間接提高動力電池能量密度

以前新能源汽車生產企業多采用鋼材料制作電動汽車動力電池托盤，現在很多企業都在以鋁合金材料為主。鋁合金的密度為2.7g/cm3，無論在壓縮還是焊接等方面，鋁合金材質都已非常優秀。而鎂合金的密度為1.8g/cm3，碳纖維是1.5g/cm3，這些材料用來生產電池托盤，將可以極大地提高新能源整車的輕量化水平。王子冬認為，輕量化技術仍在不斷發展中，未來也將有更多輕量化材料問世。他表示，不僅應研究電池托盤材質的輕量化，從動力電池單體到系統，都要考慮材質的輕量化問題，這樣才能最大限度地提高動力電池的能量密度。

輕量化需要減輕配件重量，但不能降低配件的強度，因此材料的堅固性需要考慮。另外，采用更輕的材料，將會面臨成本上漲的問題。因此在動力電池成本還未大規模下降的情況下，實現整車輕量化的當務之急是研發出更可靠、經濟的輕量化材料。2016年，沃爾沃表示，如果將目前的電動汽車電池全部更換成新型輕量化材料，可以降低車重超15%，而且材料成本更低也更為環保。

二、糾結鐵鋰還是三元不如布局硅碳負極

作為國內兩大主流技術路線，近些年磷酸鐵鋰和三元材料的能量密度都有所提升。由于三元的能量密度更高，而補貼政策又更傾向于高能量密度產品，因此各大電池企業都將三元電池作為公司下一代產品的主力。但比亞迪股份有限公司總經理沈晞認為，雖然三元和鐵鋰兩者在單體能量密度方面相差較大，但在成組后的系統能量密度方面相差無幾，在成本和電池儲存難度上也無較大差異。所以沈晞建議企業在提升動力電池能量密度的規劃上，可以考慮從動力電池負極材料入手，在量產產品中應用硅材料（如氧化亞硅負極材料等），從而提升電池組的整體能量密度。

三、更改電池尺寸提升系統能量密度

更改電池尺寸依然是提升電池能量密度的有效方式。雖然特斯拉選擇18650技術路線成功吸引了國內眾多動力電池企業的追隨，但由于18650電芯單顆容量小，普遍在2-4Ah左右，串并聯數量太多，單體失效風險概率較大，導致其在主流新能源乘用車和客車領域的應用受到一定限制。2017年，率先使用18650電池的特斯拉將目光轉向了21700電池并已經實現量產。

據特斯拉CEO馬斯克介紹，當使用21700電池的Model3汽車上市之后，將會重新審核是否選用21700電池制造ModelS和ModelX型號汽車。一旦審核通過，21700電池很有可能全面替代特斯拉汽車上的18650電池。據了解，特斯拉采用21700電池后，由于同等能量下，所需電池的數量減少約1/3，這將帶來整個pack內部金屬連接件數量的減少，從而進一步降低電池pack的重量，整車的能量密度將得到部分提升。而這種方式也為國內18650電池企業在提升能量密度和降成本方面提供了參考。據了解，目前國內18650電池企業基本上都對特斯拉的方式表示認可，并且也在進行相關布局。

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