锂离子电池和金属锂离子电池能量密度计算

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1、锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算吴娇杨，刘品，胡勇胜，李泓（中国科学院物理研究所，北京，100190）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

2、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：CalculationonenergydensitiesoflithiumionbatteriesandmetalliclithiumionbatteriesWUJiaoyang，Liupin,HUYongsheng,LIHong(InstituteofPhysics,ChineseAcademy

3、ofScience,Beijing100190,China)Abstract:Lithiumbatterieshavethehighesttheoreticalenergydensitiesamongallelectrochemicalenergystoragedevices.Predictionoftheenergydensityofthedifferentlithiumionbatteries(LIB)andmetalliclithiumionbatteries(MLIB)isvaluableforunderstandingthel

4、imitationofthebatteriesanddeterminethedirectionsofR&D.Inthisresearchpaper,theenergydensitiesofLIBandMLIBhavebeencalculated.Ourcalculationincludestheactiveelectrodematerialsandinactivematerialsinsidethecell.Forpracticalapplications,energydensityisessentialbutnottheonlyfac

5、tortobeconsidered,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

6、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

7、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

8、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