锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算分析研究 物理学专业VIP免费

锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算摘要：锂电池是理论能量密度最高的化学储能体系，估算各类锂电池电芯和单体能达到的能量密度，对于确定锂电池的发展方向和研发目标，具有积极的意义。本文根据主要正负极材料的比容量、电压，同时考虑非活性物质集流体、导电添加剂、粘结剂、隔膜、电解液、封装材料占比，计算了不同材料体系组成的锂离子电池和采用金属锂负极、嵌入类化合物正极的金属锂离子电池电芯的预期能量密度，并计算了18650型小型圆柱电池单体的能量密度，为电池发展路线的选择和能量密度所能达到的数值提供参考依据。同时指出，电池能量密度只是电池应用考虑的一个重要指标，面向实际应用，需要兼顾其它技术指标的实现。关键词：锂离子电池；金属锂离子电池；能量密度；18650电池；电芯中图分类号：OO646.21文献标志码：A文章编号：CalculationonenergydensitiesoflithiumionbatteriesandmetalliclithiumionbatteriesAbstract:Lithiumbatterieshavethehighesttheoreticalenergydensitiesamongallelectrochemicalenergystoragedevices.Predictionoftheenergydensityofthedifferentlithiumionbatteries(LIB)andmetalliclithiumionbatteries(MLIB)isvaluableforunderstandingthelimitationofthebatteriesanddeterminethedirectionsofR&D.Inthisresearchpaper,theenergydensitiesofLIBandMLIBhavebeencalculated.Ourcalculationincludestheactiveelectrodematerialsandinactivematerialsinsidethecell.Forpracticalapplications,energydensityisessentialbutnottheonlyfactortobeconsidered,otherrequirementsontheperformanceshavetobesatisfiedinabalancedway.Keywords：lithiumionbatteries;metallithiumionbatteries;energydensitycalculation;18650cell;batteriescore收稿日期：；修改稿日期：。基金项目：国家自然科学基金杰出青年基金项目（51325206），国家重点基础研究发展计划（973）项目（2012CB932900）。第一作者：吴娇杨（1988-），女,博士研究生，研究方向锂离子电池电解质E-mail：wujiaoyang8@sina.com；通讯联系人：李泓，研究员，研究方向为固体离子学与锂电池材料，E-mail：hli@iphy.ac.cn。锂离子电池已经成熟应用于消费电子类产品以及电动工具、电动自行车等小型动力锂离子电池市场中。近几年随着新能源电动汽车、储能、通信、数据中心等新兴领域的发展带动了大容量锂离子电池的发展。各个领域都对提高锂离子电池能量密度提出了进一步要求[1]。图1参考了GeorgeCrabtree等人[2]总结的过去25年小型圆柱（18650电池，以松下公司产品作为主要参考依据）锂离子电池能量密度的数据，绘制了能量密度发展路线图。SONY公司在1991年将锂离子电池首先进行商业化，最初的能量密度为80Wh•kg-1[3]，经过25年的发展，锂离子的能量密度已经达到265Wh•kg-1，是过去的3倍多。图1可以看出，过去锂离子电池能量密度的提升基本上是线性关系，按照这一发展速度，预计到2020年锂离子电池能量密度应该提升到300Wh•kg-1，2025年能量密度达到320Wh•kg-1，2030年能量密度达到390Wh•kg-1。但是目前可以利用的材料电极体系和电池技术是否能持续维持这一线性发展速度还需要细致考虑。高能量密度电池是各国政府及领先电池企业竞相布局、重点研发的方向。日本政府早在2009年就提出了高能量密度电池的研发目标[4]，2020年，纯电动汽车用动力电池电芯能量密度为250Wh•kg-1，2030年达到500Wh•kg-1,2030年以后发展到700Wh•kg-1。美国政府USABC在2015年11月将2020年电芯能量密度由原来的220Wh•kg-1修订为350Wh•kg-1。《中国制造2025》确定的技术目标是2020年锂离子电池能量密度到300Wh•kg-1，2025年能量密度达到400Wh•kg-1，2030年能量密度达到500Wh•kg-1。显然，按照原来的发展速度，2020年可以达到日本和中国提出的目标。2025年实现400Wh•kg-1,2030年实现500Wh•kg-1的目标，需要有超越原来发展速度的创新研发。同时需要指出的是，在消费电子、电动汽车、航空航天等领域，电池体积能量密度更为重要。目前18650圆柱锂离子电池电芯能量密度达到了650-680Wh•L-1,软包...