登录注册
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
我要投稿
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。
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。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。
(来源:“材料匠”ID:cailiaojiang123 作者:胡勇胜&李泓)
因此,计算锂电池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 1990-2030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术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。
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,大部分计算是基于电芯的结果。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,该表格计算结果与实际电池会有一定偏差,这与电池制造工艺密切相关。
表1计算所用正极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
图2不同负极材料与不同正极材料匹配的电芯能量密度计算(a)石墨;(b)软碳SC-400;(d)硬碳-250;(e)SiOx-420;(f) SiOx-1000;(g)Si-C-450;(h)Si-C-1000;(j)钛酸锂
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极材料,石墨理论比容量为372mAh g-1,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1000-1500mAh 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的时候,相同正极的体系,金属锂离子电池比锂电池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 kg-1,即使发挥只有33%的时候能量密度也有521Wh kg-1。
图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;(b)Li容量发挥80%;(c)Li容量发挥50%;(d)Li容量发挥33%.
三、18650单体电池能量密度估算
考虑上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给出松下NCR18650圆柱电池和Prismatic系列软包方形单体电池的性能参数。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总结了锂电池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,其中LCO-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4松下NCR18560电池性能及参数
表5松下Prismastic电池性能及参数
表6不同负极材料的最高电芯能量密度、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车中所占的成本;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1.290t)为例,百公里耗电为14kWh,电池箱为220L,寿命要求为20万公里。电池的质量能量密度为180Wh kg-1时,EV200标准工况常温下续航里程为200km。循环寿命的估计需要考虑全寿命里程设计要求,每次使用续航里程和寿命末期每次充电续驶里程因素,这样估算20万公里需要的电池循环寿命为2000次;在不提高电动车能量利用效率[10.85kWh/(100kmt)],保持电池包体积不变的情况下,当电池的质量能量密度达到400Wh kg-1时,电动车的续航里程可以达到521km,20万公里要求的电池循环寿命估算值为600次,如果能达到这一技术标准将解决消费者对电动汽车里程焦虑的问题(表8)。
表8电池能量密度与电动汽车续航里程关系的估算
五、高能量密度锂电池的成本
依据现有产业化的电芯组成和工艺条件,可以大致推算出不同电池电芯原材料成本价格,所用原材料的成本参见表9。均以100Ah容量的电芯为例,图4展示了以硅碳为负极与不同正极材料组成的锂电电芯成本以及以金属锂为负极,富锂,NCM作为正极材料的金属锂离子电池电芯的成本。可以得出电池成本中,正极材料和电解液的成本接近电芯成本的37%-56%,硅碳负极成本普遍接近38%-48%,占电芯成本比重较大。当金属锂作为负极时,富锂,NCM作为正极材料电芯成本分别为0.2元/瓦时和0.29元/瓦时。相比硅碳作为负极,金属锂能量密度更高,成本显著降低。
需要说明的是,电芯材料成本占电池制造成本的60%-70%。以上成本估值还需除以0.6-0.7,才是单体电池的实际成本。从结果上看,金属锂离子电池的成本相对锂离子电池还可以进一步下降到甚至低于铅酸电池的程度。
表9 100Ah电芯原材料成本
图4锂离子电池电芯成本估算
六、综合技术指标
电池的应用不仅需要能量密度,还需功率密度、充电速率、循环寿命、服役年限、能量效率、安全性指数、单体电池成本等其他技术指标,电池能否应用取决于某项技术指标能否满足应用的最低要求,称之为电池的“木桶效应”。图5(a)展示不同应用领域主要技术指标的蜘蛛图,图5(b)展示纯电动汽车各个指标期望值与目前实际值的蜘蛛图。目前水平与期望值差距较大,需要开发新的动力电池技术。
图5锂离子电池综合技术指标蜘蛛图(a)不同应用领域;(b)纯电动车理想值与实际值
从数据看未来
从 1990年到现在,电池实际能量密度的提高主要是提高正负极活性物质在电池中的质量比例,降低非活性物质的质量比。技术方面,目前的确还有可能进一步降低隔膜、Cu、Al 箔的厚度和质量以及封装材料的质量分数,但挑战非常大。选择新的正负极材料体系,成为提高电池能量密度相对更容易的技术选择。
从计算的结果可以看出,采用高容量的硅碳负极,富锂锰基正极,18650电池能量密度可以达到442Wh kg-1,相应的电芯价格可以降到0.4元/瓦时,能很好地满足纯电动车对续航以及成本控制的要求。而采用富锂锰基的金属理离子电池的电芯质量能量密度最高,可以达到 521 Wh kg-1,成本可以降到0.2元/瓦时。目前采用液态电解质的可充放金属理电池存在较大的技术瓶颈,主要是金属理与液体电解液的化学与电化学副反应,后续固态电池将有望解决这些难题。
需要注意的是,提升能量密度的同时还需满足其它性能指标的要求,这需要复杂艰巨的科学与技术的研究,充满挑战,但又富有强大的吸引力。
特别声明:北极星转载其他网站内容,出于传递更多信息而非盈利之目的,同时并不代表赞成其观点或证实其描述,内容仅供参考。版权归原作者所有,若有侵权,请联系我们删除。
凡来源注明北极星*网的内容为北极星原创,转载需获授权。
近日,研究机构EVTank联合伊维经济研究院共同发布了《中国小软包锂离子电池行业发展白皮书(2024年)》。白皮书数据显示,2023年全球小软包锂离子电池出货量54.8亿只,同比下滑2.6%,已经连续两年同比下滑。EVTank表示,全球小软包电池出货量的下滑叠加价格的下跌导致整个行业的市场规模在2023年同比下
日前,合康新能在在互动平台上表示,公司目前没有研发储能锂离子电池。
天力锂能4月16日在投资者互动平台表示,公司2023年研发投入占比接近往年水平,暂未研发锂硫电池。
北极星电池网获悉,据八闽国资消息,近日,宁德70000吨锂离子电池正极材料(CD车间)项目主体结构封顶仪式顺利完成。该项目是福建省重点项目,总投资24.45亿元,主要建设C、D两幢车间及相关配套,项目建成投产后,预计可年产7万吨锂离子电池正极材料。
得益于电池技术不断提升,以及中高端新能源乘用车车型增多,新能源汽车电池包容量越做越大正成为趋势。电池中国观察到,近段时间,国内多款热门中高端新车均搭载了70kWh-150kWh带电量的“大”电池包,纯电续航里程超600公里,甚至1000公里。这意味着“大”电池包已成为中高端新车标配,(超)长续航也成
北极星电池网获悉,据贝特瑞消息,4月8日上午,贝特瑞地中海年产5万吨锂离子电池正极材料项目在摩洛哥丹吉尔科技城举行开工仪式。贝特瑞地中海公司董事长杨顺毅,贝特瑞地中海公司总经理杨平州,丹吉尔地中海港集团服务板块董事长/摩洛哥丹吉尔科技城(SATT)总经理JaafarMrhardy,SATT常务副总经理/CR
4月9日,宁德时代德国图林根工厂获得了大众汽车集团模组测试实验室及电芯测试实验室双认证,成为全球首家获得大众集团模组认证、欧洲首家获得大众集团电芯认证的电池制造商(全球首家获得大众集团电芯认证的电池制造商为宁德时代集团总部)。此次认证,是国际一流车企对宁德时代测试验证能力,以及技术
在全球绿色能源和技术的发展浪潮下,我国电源结构持续优化,可再生能源发电装机规模屡创新高。目前,我国已建成了世界上最大的清洁电力供应体系,在全球清洁能源技术价值链中发挥着核心作用。不同于传统能源的是,可再生能源存在着供应不稳定的特点。不同地区、气候下的能源供需存在巨大的差异,在传统
2024年4月7日,为做好电动自行车废锂离子电池回收处置工作,提升电动自行车全链条管理水平,工业和信息化部节能与综合利用司组织召开电动自行车废锂离子电池回收体系建设座谈会,部分地方工业和信息化主管部门、自行车协会及电动自行车生产企业有关人员参加会议。会上,地方工信部门介绍了本地区在推动
北极星储能网获悉,据兰州新区生态环境局消息,近日,《兰州新区生态环境局关于甘肃金麟锂电新材料有限公司200kt/a磷酸系锂离子电池正极材料生产线建设项目环境影响报告表的批复》发布。据介绍,该项目总投资额高达30亿元,年度计划投资5亿元,建成后预计将实现年销售收入超过106亿元。
北极星储能网获悉,4月3日,瑞泰新材在回复投资提问时表示,公司的锂离子电池电解液添加剂以锂盐类添加剂为主,包括双三氟甲基磺酰亚胺锂(LiTFSI)、二氟草酸硼酸锂(LiDFOB)以及三氟甲磺酸锂(LiCF3SO3)等,锂离子电池电解液添加剂现有产能共计487.5吨。公司与国内外多家固态电池企业均有合作,将
作为正极材料中,最难落地的富锂锰基材料,正迎来产业化曙光。4月2日,国内固态电池企业太蓝新能源对外公布了可以满足车规级应用的全固态电池研发进展:公司已成功制备出世界首块车规级单体容量120Ah,实测能量密度达到720Wh/kg的超高能量密度体型化全固态锂金属电池。据电池中国了解,太蓝新能源720Wh
01DominionEnergy将在校园工商业储能中试用Enervenue的镍氢电池技术DominionEnergy将试点部署一种新型金属氢电池,这是这家美国公用事业公司正在尝试的最新非锂技术。该公司将在其地方子公司DominionEnergyVirginia上周四(11月16日)表示,将在维吉尼亚州立大学(VSU)校园的社区活动空间部署来自初创
近日,长安汽车在接受调研时称:正向开发领先的固态电池,从2025年开始逐步量产应用,重量能量密度达到350-500Wh/kg、体积能量密度750-1000Wh/L,2030年全面普及应用。此外,长安汽车正在开展锂硫电池、金属电池等新型电池的原型电芯设计,预计能量密度将突破1300-1500Wh/kg,力争在2035年实现搭载应用
“公司的补锂剂产品已获得海内外多家客户的项目认证,在储能、纯电动乘用车、商用车、电动重卡、插电式混合动力汽车等多个应用领域,均拥有独家的项目定点,进度业内领先。”近期,德方纳米在接受投资机构调研时表示。两年前,由上汽集团联合阿里巴巴等打造的高端智能汽车品牌智己,全球首发了两款量产
北极星储能网获悉,11月20日,长安汽车在回应投资者时表示,技术路线上,长安汽车着力电芯技术的突破。新型电池方面,正在开展锂硫电池、金属电池等新型电池的原型电芯设计,预计能量密度将突破1300-1500Wh/kg,力争在2035年实现搭载应用。围绕液态电池材料改性、体系优化等开展技术攻关,不断提升电池
相比于锂资源匮乏,钠在我国储量丰富,价格更为便宜,因而钠离子电池在大规模储能领域具有广阔的应用前景。然而,目前钠离子电池在产业化进程中存在能量密度较低、循环寿命较短等问题,限制了进一步应用。中国科学院青岛能源所崔光磊研究员带领的固态能源系统技术中心,开发了多项钠离子电池关键材料和
电池的应用有着非常重要的意义。动力电池是交通领域实现电气化的核心,能够间接促进二氧化碳排放的大幅减少;电池在储能领域的应用则可以保障可再生能源电力供给的稳定性与可靠性。但如何达到电池既便宜,又能量密度大,还能寿命更长?科学家在进行不断探索,各种技术路线也各显神通。锂离子电池是目前
北极星储能网获悉,近日欣旺达在投资者互动平台上表示,公司目前正在进行磷酸锰铁锂电池的开发工作,磷酸锰铁锂电芯产品能量密度可达到235Wh/kg,产品性能处于行业前列,目前已得到客户的认可,正在进行产业化开发工作。
5月24日,SNEC第十六届(2023)国际太阳能光伏与智慧能源大会暨展览会在上海新国际博览中心隆重举行。楚能新能源携储能产品矩阵亮相展会,凭品质出圈,靠实力圈粉。其中楚能新品聚能π314Ah大电芯成为展台一大亮点,吸引众多参会者驻足参观咨询。今年上海SNEC光伏大会暨展览会展览面积共27万平方米,来
2023年5月24日,2023年(第十六届)SNEC国际太阳能光伏与智慧能源(上海)大会暨展览会正式开展,本届展会吸引了来自世界各国的光伏、储能全产业链企业及新能源行业的关注者,盛况空前。开展首日厦门科华数能科技有限公司(简称“科华数能”)展台喜迎八方来客,新品发布、精彩演讲、合作签约、粉丝互
北极星储能网获悉。5月19日,赣锋锂业召开业绩说明会。会议上表示,赣锋锂业二代混合固态锂电池以金属锂为负极,能量密度可以达到400Wh/Kg以上。同时还提到,一代固态电池能量密度可以做到260Wh/kg以上,一代固态电池目前设计产能为4GWh/年,正在进行产能爬坡,应用场景包括动力电池、储能等领域。
北极星储能网获悉,据中宏网新疆消息,4月15日,新疆久辰新材料科技有限公司总投资40亿元年产10万吨磷酸锰铁锂正极材料建设项目在新疆伊犁哈萨克自治州霍城县新材料产业园开工奠基。据了解,项目一期于2024年4月开工建设,计划年底建成2条磷酸锰铁锂生产线并投产;二期计划2025年建成2条磷酸锰铁锂生产
磷酸锰铁锂投资热度不减。近日,电池中国获悉,江苏珩创纳米科技有限公司(以下简称“珩创纳米”)完成A轮超1亿元人民币融资,本轮融资由广发信德领投,黄海金控、创维投资、电科基金、正景资本跟投,此轮融资将用于持续产能扩张。在此之前,珩创纳米曾获得沃衍资本Pre-A轮投资。资料显示,珩创纳米成立
中伟股份近日在投资者互动平台表示,公司首期年产8000吨钠电项目已于2023年正式投料投产,实现镍系、钴系、磷系、钠系四大材料体系全覆盖,可为市场不同需求客户提供多元化的产品及技术服务方案,有力保障公司”技术多元化“的战略实施。
北极星电池网获悉,据八闽国资消息,近日,宁德70000吨锂离子电池正极材料(CD车间)项目主体结构封顶仪式顺利完成。该项目是福建省重点项目,总投资24.45亿元,主要建设C、D两幢车间及相关配套,项目建成投产后,预计可年产7万吨锂离子电池正极材料。
北极星电池网获悉,据贝特瑞消息,4月8日上午,贝特瑞地中海年产5万吨锂离子电池正极材料项目在摩洛哥丹吉尔科技城举行开工仪式。贝特瑞地中海公司董事长杨顺毅,贝特瑞地中海公司总经理杨平州,丹吉尔地中海港集团服务板块董事长/摩洛哥丹吉尔科技城(SATT)总经理JaafarMrhardy,SATT常务副总经理/CR
4月11日,山东省人民政府印发济南都市圈发展规划(2024—2030年)(鲁政字〔2024〕34号)。其中提到,立足泰安市(泰山区、岱岳区、肥城市)发展基础,聚力推动“泰山锂谷”“泰山数谷”等一批战略性新兴产业融合集群发展,加速建设“千万千瓦级多元新型储能基地”。规划还指出,前瞻布局未来产业。围
北极星储能网获悉,据兰州新区生态环境局消息,近日,《兰州新区生态环境局关于甘肃金麟锂电新材料有限公司200kt/a磷酸系锂离子电池正极材料生产线建设项目环境影响报告表的批复》发布。据介绍,该项目总投资额高达30亿元,年度计划投资5亿元,建成后预计将实现年销售收入超过106亿元。
作为正极材料中,最难落地的富锂锰基材料,正迎来产业化曙光。4月2日,国内固态电池企业太蓝新能源对外公布了可以满足车规级应用的全固态电池研发进展:公司已成功制备出世界首块车规级单体容量120Ah,实测能量密度达到720Wh/kg的超高能量密度体型化全固态锂金属电池。据电池中国了解,太蓝新能源720Wh
北极星电池网获悉,据四川路桥官微,4月2日,四川蜀能矿产有限责任公司5万吨/年磷酸铁锂新材料项目正式投产,计划于4月6日开始首次发货,向客户进行产品交付。该项目位于四川省乐山市马边彝族自治县劳动工业园区,占地131.66亩,总建筑面积44873平方米,规划产能5万吨/年,采用PLC、DCS、MES三级集成的
北极星电池网获悉,据贝特瑞消息,3月29日,贝特瑞与摩洛哥政府在拉巴特签署投资协议,将在摩洛哥设立项目公司投资建设锂电池正极材料项目,满足市场需求,拓展海外市场份额。根据双方协议,贝特瑞地中海项目选址摩洛哥丹吉尔科技园城,将打造一个正极材料制造厂,生产锂离子电池关键材料,分阶段进行
北极星电池网获悉,3月26日,容百科技公告,公司近日与SKOn签署《合作备忘录》。双方将充分发挥各自优势,围绕三元和磷酸锰铁锂正极领域,开展全面深度的合作,包括但不限于技术合作、产品开发和产品销售等。容百科技表示,本次协议的签订,标志着国际头部客户对公司在三元和磷酸锰铁锂正极等产品开发
请使用微信扫一扫
关注公众号完成登录
姓名: | |
性别: | |
出生日期: | |
邮箱: | |
所在地区: | |
行业类别: | |
工作经验: | |
学历: | |
公司名称: | |
任职岗位: |
我们将会第一时间为您推送相关内容!