什么是能(néng)量密度？

能(néng)量密度(Energydensity)是指在单位一定的空间或质量物(wù)质中储存能(néng)量的大小(xiǎo)。電(diàn)池的能(néng)量密度也就是電(diàn)池平均单位體(tǐ)积或质量所释放出的電(diàn)能(néng)。電(diàn)池的能(néng)量密度一般分(fēn)重量能(néng)量密度和體(tǐ)积能(néng)量密度两个维度。

電(diàn)池重量能(néng)量密度=電(diàn)池容量×放電(diàn)平台/重量，基本单位為(wèi)Wh/kg(瓦时/千克)

電(diàn)池體(tǐ)积能(néng)量密度=電(diàn)池容量×放電(diàn)平台/體(tǐ)积，基本单位為(wèi)Wh/L(瓦时/升)

電(diàn)池的能(néng)量密度越大，单位體(tǐ)积、或重量内存储的電(diàn)量越多(duō)。

什么是单體(tǐ)能(néng)量密度？

電(diàn)池的能(néng)量密度常常指向两个不同的概念，一个是单體(tǐ)電(diàn)芯的能(néng)量密度，一个是電(diàn)池系统的能(néng)量密度。

電(diàn)芯是一个電(diàn)池系统的最小(xiǎo)单元。M个電(diàn)芯组成一个模组，N个模组组成一个電(diàn)池包，这是車(chē)用(yòng)动力電(diàn)池的基本结构。

单體(tǐ)電(diàn)芯能(néng)量密度，顾名思义是单个電(diàn)芯级别的能(néng)量密度。

根据《中國(guó)制造2025》明确了动力電(diàn)池的发展规划：2020年，電(diàn)池能(néng)量密度达到300Wh/kg；2025年，電(diàn)池能(néng)量密度达到400Wh/kg；2030年，電(diàn)池能(néng)量密度达到500Wh/kg。这里指的就是单个電(diàn)芯级别的能(néng)量密度。

什么是系统能(néng)量密度？

系统能(néng)量密度是指单體(tǐ)组合完成后的整个電(diàn)池系统的電(diàn)量比整个電(diàn)池系统的重量或體(tǐ)积。因為(wèi)電(diàn)池系统内部包含電(diàn)池管理(lǐ)系统，热管理(lǐ)系统，高低压回路等占据了電(diàn)池系统的部分(fēn)重量和内部空间，因此電(diàn)池系统的能(néng)量密度都比单體(tǐ)能(néng)量密度低。

系统能(néng)量密度=電(diàn)池系统電(diàn)量/電(diàn)池系统重量OR電(diàn)池系统體(tǐ)积

究竟是什么限制了锂電(diàn)池的能(néng)量密度？

電(diàn)池背后的化學(xué)體(tǐ)系是主要原因难逃其咎。

一般而言，锂電(diàn)池的四个部分(fēn)非常关键：正极，负极，電(diàn)解质，膈膜。正负极是发生化學(xué)反应的地方，相当于任督二脉，重要地位可(kě)见一斑。我们都知道以三元锂為(wèi)正极的電(diàn)池包系统能(néng)量密度要高于以磷酸铁锂為(wèi)正极的電(diàn)池包系统。这是為(wèi)什么呢(ne)？

现有(yǒu)的锂离子電(diàn)池负极材料多(duō)以石墨為(wèi)主，石墨的理(lǐ)论克容量372mAh/g。正极材料磷酸铁锂理(lǐ)论克容量只有(yǒu)160mAh/g，而三元材料镍钴锰(NCM)约為(wèi)200mAh/g。

根据木(mù桶理(lǐ)论，水位的高低决定于木(mù桶最短处，锂离子電(diàn)池的能(néng)量密度下限取决于正极材料。

磷酸铁锂的電(diàn)压平台是3.2V，三元的这一指标则是3.7V，两相比较，能(néng)量密度高下立分(fēn)：16%的差额。

当然，除了化學(xué)體(tǐ)系，生产工艺水平如压实密度、箔材厚度等，也会影响能(néng)量密度。一般来说，压实密度越大，在有(yǒu)限空间内，電(diàn)池的容量就越高，所以主材的压实密度也被看做電(diàn)池能(néng)量密度的参考指标之一。

在《大國(guó)重器II》第四集中，宁德时代采用(yòng)了6微米铜箔，利用(yòng)先进的工艺水平，提升了能(néng)量密度。

如果你能(néng)坚持每行读下来一直读到这里。恭喜，你对電(diàn)池的理(lǐ)解已经上了一个层次。

如何提高能(néng)量密度呢(ne)？

新(xīn)材料體(tǐ)系的采用(yòng)、锂電(diàn)池结构的精调、制造能(néng)力的提升是研发工程师“長(cháng)袖善舞”的三块舞台。下面，我们会从单體(tǐ)和系统两个维度进行讲解。

——单體(tǐ)能(néng)量密度，主要依靠化學(xué)體(tǐ)系的突破

1、增大電(diàn)池尺寸

電(diàn)池厂家可(kě)以通过增大原来電(diàn)池尺寸来达到電(diàn)量扩容的效果。我们最熟悉的例子莫过于：率先使用(yòng)松下18650電(diàn)池的知名電(diàn)动車(chē)企特斯拉将换装新(xīn)款21700電(diàn)池。

但是電(diàn)芯“变胖”或者“長(cháng)个”只是治标，并不治本。釜底抽薪的办法，是从构成電(diàn)池单元的正负极材料以及電(diàn)解液成分(fēn)中，找到提高能(néng)量密度的关键技术。

2、化學(xué)體(tǐ)系变革

前面提到，電(diàn)池的能(néng)量密度受制于由電(diàn)池的正负极。由于目前负极材料的能(néng)量密度遠(yuǎn)大于正极，所以提高能(néng)量密度就要不断升级正极材料。

高镍正极

三元材料通指镍钴锰酸锂氧化物(wù)大家族，我们可(kě)以通过改变镍、钴、锰这三种元素的比例来改变電(diàn)池的性能(néng)。

在图硅碳负极

硅基负极材料的比容量可(kě)以达到4200mAh/g，遠(yuǎn)高于石墨负极理(lǐ)论比容量的372mAh/g，因此成為(wèi)石墨负极的有(yǒu)力替代者。

目前，用(yòng)硅碳复合材料来提升電(diàn)池能(néng)量密度的方式，已是业界公认的锂离子電(diàn)池负极材料发展方向之一。特斯拉发布的Model3就采用(yòng)了硅碳负极。

在未来，如果想要百尺竿头更进一步——突破单體(tǐ)電(diàn)芯350Wh/kg的关口，业内同行们可(kě)能(néng)需要着眼于锂金属负极型的電(diàn)池體(tǐ)系，不过这也意味着整个電(diàn)池制作工艺的更迭与精进。中几种典型三元材料中可(kě)以看出，镍的占比越来越高，钴的占比越来越低。镍的含量越高，意味着電(diàn)芯的比容量就越高。另外，由于钴资源稀缺，提高镍的比例，将降低的降低钴的使用(yòng)量。

3、系统能(néng)量密度：提升電(diàn)池包的成组效率

電(diàn)池包的成组考验的是電(diàn)池“攻城狮“们对单體(tǐ)電(diàn)芯和模组排兵布阵的能(néng)力，需要以安全性為(wèi)前提，最大程度地利用(yòng)每一寸空间。

電(diàn)池包的“瘦身”主要有(yǒu)以下几种方式。

优化排布结构

从外形尺寸方面，可(kě)以优化系统内部的布置，让電(diàn)池包内部零部件排布更加紧凑高效。

拓扑优化

我们通过仿真计算在确保刚强度及结构可(kě)靠性的前提下，实现减重设计。通过该技术，可(kě)以实现拓扑优化和形貌优化最终帮助实现電(diàn)池箱體(tǐ)轻量化。

选材

我们可(kě)以选择低密度材料，如電(diàn)池包上盖已经从传统的钣金上盖逐步转变為(wèi)复合材料上盖，可(kě)以减重约35%。针对電(diàn)池包下箱體(tǐ)，已经从传统的钣金方案逐步转变為(wèi)铝型材的方案，减重量约40%，轻量化效果明显。

整車(chē)一體(tǐ)化设计

整車(chē)一體(tǐ)化设计与整車(chē)结构设计通盘考虑，尽可(kě)能(néng)共享、共用(yòng)结构件，例如防碰撞设计，实现极致的轻量化

電(diàn)池是一个很(hěn)全方位的产品，你要提升某一方面的性能(néng)，可(kě)能(néng)会牺牲其他(tā)方面的性能(néng)，这是電(diàn)池设计研发的理(lǐ)解基础。动力電(diàn)池属于車(chē)载专用(yòng)，因而能(néng)量密度不是衡量電(diàn)池品质的唯一尺度。