动力锂电池提升能量密度有哪些方法？

什么是电池能量密度

能量密度(Energydensity)是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池能量密度=电池容量TImes;放电平台/电池厚度/电池宽度/电池长度，基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)。

电池的能量密度越大，单位体积内存储的电量越多。

圆柱形锂离子电池结构图

有关电池能量密度，现在我们都了解了它俨然是目前电池行业，甚至是电动汽车行业向前大跨步的最明显的突破口，但是突破它，真的是很难啊!

△典型电池设计非活性物质(除引线等)的占比

据悉，电池的能量密度基本由电池的正负极决定的，但只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、铝塑膜壳或者钢铝壳等等。

我们中大部分人总是有意无意的忽略这部分物质的含量，得出的能量密度与事实相差较大，误导吃瓜群众。其实，这部分相当重要，就拿过去十几年的技术进步来说，电池能量密度的提升重要就是靠着活性物质占比的提升来实现的。

△能量密度的变化与预测

动力锂电池提升能量密度的重要性

动力锂电池在一定意义上代替了燃油车油箱，增大容量便可获得更长的续航能力，不过现代汽车的结构设计早已固定不变，即使纯EV正向研发，预留给动力锂电池的布局空间也仅仅是前后轴之间的固定位置。

在无法改变布局空间的前提下，提升电池整体容量便是解决续航问题的基础。实质上从13年开始至今，国产纯电动汽车的续航里程，已经从150公里提升至400公里左右，在一次次刷新续航里程的背后。动力锂电池往往会以更轻的整备质量，获得更大的电池容量，作为核心升级的便是电池能量密度。

实质上，锂离子电池是指以离子嵌入化合物为正极材质的电池总成。无论是三元锂、还是磷酸铁锂离子电池。整体的充放电过程基本相同，不同的是不同材质追求的性能取向不同。

锂离子电池重要由正极+电解液+负极组合而成，正极材质多采用含金属锂的化合物，负极大多采用石墨或碳材质，两者之间的有机溶剂则是电解质。充电时，正极上分解成锂离子，通过电解质进入电池负极，并且嵌入负极材质。放电时，嵌入负极材质的锂离子通过电解质回流指正极，回到正极的锂离子越多电池容量越高。

动力锂电池提升能量密度的三大路径

一、提升轻量化水平间接提高动力锂电池能量密度

以前新能源汽车生产公司多采用钢材料制作电动汽车动力锂电池托盘，现在很多公司都在以铝合金材料为主。铝合金的密度为2.7g/cm3，无论在压缩还是焊接等方面，铝合金材质都已非常优秀。而镁合金的密度为1.8g/cm3，碳纤维是1.5g/cm3，这些材料用来生产电池托盘，将可以极大地提高新能源整车的轻量化水平。王子冬认为，轻量化技术仍在不断发展中，未来也将有更多轻量化材料问世。他表示，不仅应研究电池托盘材质的轻量化，从动力锂电池单体到系统，都要考虑材质的轻量化问题，这样才能最大限度地提高动力锂电池的能量密度。

轻量化要减轻配件重量，但不能降低配件的强度，因此材料的坚固性要考虑。另外，采用更轻的材料，将会面对成本上涨的问题。因此在动力锂电池成本还未大规模下降的情况下，实现整车轻量化的当务之急是研发出更可靠、经济的轻量化材料。2016年，沃尔沃表示，假如将目前的电动汽车电池全部更换成新型轻量化材料，可以降低车重超15%，而且材料成本更低也更为环保。

二、纠结铁锂还是三元不如布局硅碳负极

作为国内两大主流技术路线，近些年磷酸铁锂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，而补贴政策又更倾向于高能量密度产品，因此各大电池公司都将三元电池作为公司下一代产品的主力。但比亚迪股份有限公司总经理沈晞认为，虽然三元和铁锂两者在单体能量密度方面相差较大，但在成组后的系统能量密度方面相差无几，在成本和电池储存难度上也无较大差异。所以沈晞建议公司在提升动力锂电池能量密度的规划上，可以考虑从动力锂电池负极材料入手，在量产产品中应用硅材料(如氧化亚硅负极材料等)，从而提升电池组的整体能量密度。

三、更改电池尺寸提升系统能量密度

更改电池尺寸依然是提升电池能量密度的有效方式。虽然特斯拉选择18650技术路线成功吸引了国内众多动力锂电池公司的追随，但由于18650电芯单颗容量小，普遍在2-4Ah左右，串并联数量太多，单体失效风险概率较大，导致其在主流新能源乘用车和客车领域的应用受到一定限制。2017年，率先使用18650电池的特斯拉将目光转向了21700电池并已经实现量产。

据特斯拉CEO马斯克介绍，当使用21700电池的Model3汽车上市之后，将会重新审核是否选用21700电池制造ModelS和ModelX型号汽车。一旦审核通过，21700电池很有可能全面替代特斯拉汽车上的18650电池。据了解，特斯拉采用21700电池后，由于同等能量下，所需电池的数量减少约1/3，这将带来整个pack内部金属连接件数量的减少，从而进一步降低电池pack的重量，整车的能量密度将得到部分提升。而这种方式也为国内18650电池公司在提升能量密度和降成本方面供应了参考。据了解，目前国内18650电池公司基本上都对特斯拉的方式表示认可，并且也在进行相关布局。