▌什么是能量密度？

能量密度(Energydensity)是指在單位一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)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(zhì)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(nèi)存儲的電量越多。

▌什么是單體能量密度？

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(tǒng)的能量密度。

電芯是一個電池系統(tǒng)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，這是車用動力鋰電池的基本結(jié)構(gòu)。

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(jù)《我國制造2025》明確了動力鋰電池的發(fā)展規(guī)劃：2020年，電池能量密度達(dá)到300Wh/kg；2025年，電池能量密度達(dá)到400Wh/kg；2030年，電池能量密度達(dá)到500Wh/kg。這里指的就是單個電芯級別的能量密度。

▌什么是系統(tǒng)能量密度？

系統(tǒng)能量密度是指單體組合完成后的整個電池系統(tǒng)的電量比整個電池系統(tǒng)的重量或體積。因為電池系統(tǒng)內(nèi)部包含電池管理系統(tǒng)，熱管理系統(tǒng)，高低壓回路等占據(jù)了電池系統(tǒng)的部分重量和內(nèi)部空間，因此電池系統(tǒng)的能量密度都比單體能量密度低。

系統(tǒng)能量密度=電池系統(tǒng)電量/電池系統(tǒng)重量OR電池系統(tǒng)體積

▌究竟是什么限制了鋰離子電池的能量密度？

電池背后的化學(xué)體系是重要原因難逃其咎。

一般而言，鋰離子電池的四個部分非常關(guān)鍵：正極，負(fù)極，電解質(zhì)，膈膜。正負(fù)極是發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的地方，相當(dāng)于任督二脈，重要地位可見一斑。

圖3方殼電芯結(jié)構(gòu)圖

我們都了解以三元鋰為正極的電池包系統(tǒng)能量密度要高于以磷酸鐵鋰為正極的電池包系統(tǒng)。這是為何呢？

現(xiàn)有的鋰離子電池負(fù)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?yán)碚摽巳萘恐挥?60mAh/g，而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。

根據(jù)木桶理論，水位的高低決定于木桶最短處，鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料。

磷酸鐵鋰的電壓平臺是3.2V，三元的這一指標(biāo)則是3.7V，兩相比較，能量密度高下立分：16%的差額。

當(dāng)然，除了化學(xué)體系，生產(chǎn)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(nèi)，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(biāo)之一。

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

假如你能堅持每行讀下來一直讀到這里。恭喜，你對電池的理解已經(jīng)上了一個層次。

▌如何提高能量密度呢？

新材料體系的采用、鋰離子電池結(jié)構(gòu)的精調(diào)、制造能力的提升是研發(fā)工程師長袖善舞的三塊舞臺。下面，我們會從單體和系統(tǒng)兩個維度進(jìn)行講解。

單體能量密度，重要依靠化學(xué)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(dá)到電量擴(kuò)容的效果。我們最熟悉的例子莫過于：率先使用松下18650電池的知名電動汽車企特斯拉將換裝新款21700電池。

圖4不同尺寸的圓柱電池比較

但是電芯變胖或者長個只是治標(biāo)，并不治本。釜底抽薪的辦法，是從構(gòu)成電池單元的正負(fù)極材料以及電解液成分中，找到提高能量密度的關(guān)鍵技術(shù)。

02化學(xué)體系變革

前面提到，電池的能量密度受制于由電池的正負(fù)極。由于目前負(fù)極材料的能量密度遠(yuǎn)大于正極，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，鎳的占比越來越高，鈷的占比越來越低。鎳的含量越高，意味著電芯的比容量就越高。另外，由于鈷資源稀缺，提高鎳的比例，將降低的降低鈷的使用量。

硅碳負(fù)極

硅基負(fù)極材料的比容量可以達(dá)到4200mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨負(fù)極理論比容量的372mAh/g，因此成為石墨負(fù)極的有力替代者。

目前，用硅碳復(fù)合材料來提升電池能量密度的方式，已是業(yè)界公認(rèn)的鋰離子電池負(fù)極材料發(fā)展方向之一。特斯拉公布的Model3就采用了硅碳負(fù)極。

在未來，假如想要百尺竿頭更進(jìn)一步突破單體電芯350Wh/kg的關(guān)口，業(yè)內(nèi)同行們可能要著眼于鋰金屬負(fù)極型的電池體系，不過這也意味著整個電池制作工藝的更迭與精進(jìn)。

03系統(tǒng)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，要以安全性為前提，最大程度地利用每一寸空間。

電池包的瘦身重要有以下幾種方式。

優(yōu)化排布結(jié)構(gòu)

從外形尺寸方面，可以優(yōu)化系統(tǒng)內(nèi)部的布置，讓電池包內(nèi)部零部件排布更加緊湊高效。

拓?fù)鋬?yōu)化

我們通過仿真計算在確保剛強(qiáng)度及結(jié)構(gòu)可靠性的前提下，實現(xiàn)減重設(shè)計。通過該技術(shù)，可以實現(xiàn)拓?fù)鋬?yōu)化和形貌優(yōu)化最終幫助實現(xiàn)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(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金上蓋逐步轉(zhuǎn)變?yōu)閺?fù)合材料上蓋，可以減重約35%。針對電池包下箱體，已經(jīng)從傳統(tǒng)的鈑金方法逐步轉(zhuǎn)變?yōu)殇X型材的方法，減重量約40%，輕量化效果明顯。

整車一體化設(shè)計

整車一體化設(shè)計與整車結(jié)構(gòu)設(shè)計通盤考慮，盡可能共享、共用結(jié)構(gòu)件，例如防碰撞設(shè)計，實現(xiàn)極致的輕量化

電池是一個很全方位的產(chǎn)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(shè)計研發(fā)的理解基礎(chǔ)。動力鋰電池屬于車載專用，因而能量密度不是衡量電池品質(zhì)的唯一尺度。