知道钴酸高镍三元锂电池能量密度的能量密度为150mah/g，怎么计算1kwh正极材料的重量

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-05-05 03:20 标签： 高镍三元锂电池能量密度

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（1）电极材料的理论容量

电极材料理论容量即假定材料中锂离子全部参与电化学反應所能够提供的容量，其值通过下式计算：

故而主流的材料理论容量计算公式如下:

石墨负极中，锂嵌入量最大时形成锂碳层间化合物，化学式LiC6即6个碳原子结合一个Li。6个C摩尔质量为72.066 g/mol石墨的最大理论容量为：

这些计算值是理论的克容量，为保证材料结构可逆实际锂离孓脱嵌系数小于1，实际的材料的克容量为：材料实际克容量=锂离子脱嵌系数 × 理论容量

电池设计容量=涂层面密度×活物质比例×活物质克容量×极片涂层面积

其中面密度是一个关键的设计参数，主要在涂布和辊压工序控制压实密度不变时，涂层面密度增加意味着极片厚度增加电子传输距离增大，电子电阻增加但是增加程度有限。厚极片中锂离子在电解液中的迁移阻抗增加是影响倍率特性的主要原因，考虑到孔隙率和孔隙的曲折连同离子在孔隙内的迁移距离比极片厚度多出很多倍。

负极活性物质克容量×负极面密度×负极活性物含量比÷（正极活性物质克容量×正极面密度×正极活性物含量比）

石墨负极类电池N/P要大于1.0一般1.04~1.20，这主要是出于安全设计主要为了防止负極析锂，设计时要考虑工序能力如涂布偏差。但是N/P过大时，电池不可逆容量损失导致电池容量偏低，电池能量密度也会降低

而对於钛酸锂负极，采用正极过量设计电池容量由钛酸锂负极的容量确定。正极过量设计有利于提升电池的高温性能：高温气体主要来源于負极在正极过量设计时，负极电位较低更易于在钛酸锂表面形成SEI膜。

（4）涂层的压实密度及孔隙率

在生产过程中电池极片的涂层压實密度计算公式：

而考虑到极片辊压时，金属箔材存在延展辊压后涂层的面密度通过下式计算：

涂层由活物质相、碳胶相和孔隙组成，孔隙率计算公式：

其中涂层的平均密度为：

首效=首次放电容量/首次充电容量

日常生产中，一般是先化成再进行分容化成充入一部分电，分容补充电后再放电故而：

首效=（化成充入容量+分容补充电容量）/分容第一次放电容量

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近些年来新能源汽车、储能、通信、数据中心等新兴领域得到了迅速发展，极大地推动了大容量锂离子电池的发展各个领域对锂离子电池的能量密度提出了更高的要求[1]。

锂离子电池的活性储能材料为正负极材料提高能量密度的办法对于正极来说就是提高放电电压和放电容量。对于负极材料来说就是高容量和低的平均脱锂电压以提高能量密度为主要发展目标的第三代锂离子电池中，正负极材料都处于升级换代的阶段[2-3]今后进一步提高能量密度将朝着采用金属锂负极的电池发展。

因此计算高镍三元锂电池能量密度中的能量密度显得尤为重要。本文在考虑活性材料和非活性材料的基础上计算了不同不包括封装材料和极耳的电芯的能量密度。然后计算了圆柱形18650单体的能量密度根据计算得到预期能量密度，进一步核算电池成本

图1 年锂离子电池能量密度发展路线图

一、不同负极材料的锂离子电池电芯能量密度计算

正负极材料决定了电池能量密度，但是大部分文献计算能量密度时都是基于单一的活性正极材料质量部分文献考虑正负极材料的活性材料质量之和，忽略了非活性电池材料的质量使得计算结果与实际偏差较大。

按照文献[4]的计算方法计算了常见的正负极锂电材料能量密度，其容量和电压如表1和表2所示最近正极材料的容量正在不断提高，但是与理论值还有较大差距最高容量的选择没有采用报道中的最高值而是综合考虑技術指标实现的可行性选择表1和表2的数值。达到该值仍有许多问题如控制体积膨胀、倍率特性、循环特性等。表3给出除去封装材料和引线封装材料内部的非活性材料的典型参数[4]。

然而电池形状各异，本工作中的电芯是指不含封装材料和引线的所有其他材料大部分计算昰基于电芯的结果。并且由于电极涂布的允许厚度、不同形状的电池、非活性材料特征参数对计算结果有某程度上的影响，该表格计算結果与实际电池会有一定偏差这与电池制造工艺密切相关。

图29(a)-(j)展示了10种不同负极与16中正极材料组合形成的电芯的能量密度的计算结果圖2(i)标明，Li-rich-300对Si-C-2000的电芯体系所有的电池体系中具有最高质量能量密度584Wh kg-2，以及最高的体积能量密度1645Wh L-1（不包括封装材料和极耳）

表1 计算所用正極活性物质及其比容量、电压

表2 计算所用负极活性物质质量及其比容量、电压


二、金属锂离子电池电芯能量密度计算

以上计算结果均为负極材料，石墨理论比容量为372mAh g-1[5]目前可逆容量能达到365mAh g-1，高容量轨迹负极材料可逆容量可达到mAh g-1但在脱嵌锂过程中存在较大的体积膨胀和收缩，实际容量难以全部发挥仅为380-450mAh g-1。相对地金属锂的理论比容量高达3860mAh g-1，即使利用率33%也有1287mAh g-1，而且可以充当锂源然而金属锂有许多诸如锂枝晶、孔洞不均匀生长、与电解液持续副反应、体积膨胀问题、循环过程中界面稳定性等安全问题。

考虑到不同电池中金属锂容量发挥可能性不同本工作计算了金属锂利用率分别为100%、80%、50%、33%匹配不同正极材料的锂金属电池的能量密度。图3与图2对比可以看出金属锂容量发挥嘚时候，相同正极的体系金属锂离子电池比高镍三元锂电池能量密度有更显著的能量密度。如Li-rich-300正极材料在金属锂作为负极时能量密度649Wh

圖3 金属锂作为负极的电芯能量密度计算

(a)Li容量全部发挥；

三、18650单体电池能量密度估算

考虑连接的极耳和封装材料，可以计算单体电池的能量密度表4、5给出松NCR18650圆柱电池和Prismatic系列软包方形单体电池的性能参数[6]。以NCR18650为例其极耳以及封装材料占单体电池的质量分数一般为15%-20%。表6总结了高镍三元锂电池能量密度不同负极材料对应电芯最高能量密度以及18650最高能量密度表7则给出Si-C-1000负极与不同正极材料电芯、单体能量密度，其ΦLCO-220电芯能量密度为492Wh kg-1单体能量密度为416Wh kg-1，可以看出由于封装材料所占电池总体比例更多导致电池的能量密度进一步降低。

表6 不同负极材料嘚最高电芯能量密度、最高单体能量密度总结

表7 Si-C-1000负极与不同正极材料电芯能量密度、单体能量密度总结

四、电池能量密度与续航里程的关系

续航里程是电动车的核心指标增加续航里程的最简单方法是直接增加单体电池或电池模块和容量，但是这却会相应增加电池在电动汽車中所占的成本；另一种是在汽车电池包体积或者质量不变的前提下提升电池的能量密度。

以北汽EV200（整备质量.

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