电芯容量及能量密度计算---RD 2011-12-03
锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算
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：O O646.21文献标志码：A 文章编号：Calculation on energy densities of lithium ion batteries and metallic lithium ion batteriesWU Jiaoyang，Liu pin, HU Yongsheng, LI Hong(Institute of Physics, Chinese Academy of Science, Beijing 100190, China)Abstract: Lithium batteries have the highest theoretical energy densities among all electrochemical energy storage devices. Prediction of the energy density of the different lithium ion batteries (LIB) and metallic lithium ion batteries (MLIB) is valuable for understanding the limitation of the batteries and determine the directions of R&D. In this research paper, the energy densities of LIB and MLIB have been calculated. Our calculation includes the active electrode materials and inactive materials inside the cell. For practical applications, energy density is essential but not the only factor to be considered, other requirements on the performances have to be satisfied in a balanced way.Key words：lithium ion batteries; metal lithium ion batteries; energy density calculation; 18650 cell; batteries core收稿日期：；修改稿日期：。
电芯正负极的容量匹配设计!
电芯正负极的容量匹配设计！网上已有较多的N/P的文章，内容非常不错，也非常有深度。
但是，从业新手普遍对文章中提到的传统石墨负极锂离子电池的N/P设计的实例运用和钛酸锂负极锂电池的N/P比两个问题感到迷茫。
本文着重讲述这两个问题，当然由于水平所限，讲述不足的地方，请大牛多多指教。
正文：在设计锂电池时，正确计算正负极容量合理的配比系数非常重要。
对于传统石墨负极锂离子电池，电池充放电循环失效短板主要在于负极侧发生析锂、死区等，因此通常采用负极过量的方案。
在这种情况下，电池的容量是由正极容量限制，负极容量/正极容量比大于1.0（即N/P 比>1.0）。
如果正极过量，在充电时，正极中出来的多余的锂离子无法进入负极，会在负极表面形成锂的沉积以致生成枝晶，使电池循环性能变差，也会造成电池内部短路，引发电池安全问题。
因此一般石墨负极锂电池中负极都会略多于正极，但也不能过量太多，过量太多会消耗正极中的锂；另外也会造成负极浪费，降低电池能量密度，提高电池成本。
对于钛酸锂负极电池，由于LTO负极结构较稳定，具有高的电压平台，循环性能优异且不会发生析锂现象，循环失效原因主要发在正极端，电池体系设计可取的方案是采用正极过量，负极限容（N/P 比<1.0），这样可以缓解当电池接近或处于完全充电状态时在高电位区域正极电位较高导致电解质分解。
图1、石墨负极不足和负极过量时电池性能趋势图传统石墨负极锂离子电池N/P比的计算实例N/P比（Negative/Positive）是指负极容量和正极容量的比值,其实也有另外一种说法叫CB（cell Balance）。
一般情况下，电池中的正负极配比主要由以下因素决定：①正负极材料的首次效率：要考虑所有存在反应的物质，包括导电剂，粘接剂，集流体，隔膜，电解液。
②设备的涂布精度：现在理想的涂布精度可以做到100%，如果涂布精度差，要加以考虑。
③正负极循环的衰减速率：如果正极衰减快，那么N/P比设计低些，让正极处于浅充放状态，反之如果负极衰减快，那么N/P比高些，让负极处于浅充放状态④电池所要达到的倍率性能。
电池容量计算公式
主元件整流器及IGBT採用模組封裝 IGBT為模組型封裝，其瞬間可承受大電流及散熱速度 快，堅 固耐用,變流器INVERTER高功率電晶體I.G.B.T使用日本FUJI富士電機 MITSUBISHI三菱電機.
具有高穩定的輸出電壓 在輸入允許的電壓範圍內任何電壓變動，本系列擁有 小於1％ 之高穩定輸出濾波穩壓DC電容器採用日本NIPPON CHEMI-CON工業級最高品質之 零配件..
因此UPS在壓降時，必須對負載所需功率做暫態補償 )
(5) UPS容量計算 三相負載：V ×A ×√3 ×1.25 ÷1000 ＝ KW
KW ×1.2=UPS 容量
電池容量計算公式 (範例)
範例: 電池容量計算書 案號：U&U 愛國著飛彈系統 UPS 內容：150KVA UPS 400hz 10分鐘鉛酸電池組 所需電池容量計算： (1) (2)電池放電Watt = ( UPS KVA ×功率因素 ) ÷
工業級低頻雙隔離在線式不斷電系統ON-LINE UPS
不斷電系統規範特色 系統容量：10KVA~400KVA 系統結構:工業級低頻隔離式,變流器為三相獨立隔離抗流圈設計。
變流器抗流變壓器磁性元件等級H級銅線繞線。 電力用半導體線路具半導體級保險絲保護裝置。 微電腦觸控式中文狀態指示、操作控制及監控液晶顯示介面。 ON-LINE 在線式設計.靜態轉換0毫秒(ms)。 備援迴路:自動旁路及手動旁路雙功能。 具熱備援並聯系統迴路。 UPS輸入端可加裝12相整流 或 被動式濾波器。 RS-232介面 (可加購 RJ45 SNMP 網路控管)。
法早期預知造成電池漏液引起電池燃燒工安事故及停電無法供電之意外損失。
指示裝置： 大型中文觸控式LCD顯示，具亮度調整功能菜單式直接選項操作，可顯示輸出入及旁 路電壓、電流、頻率、電池電壓、電流、智能型自我診斷、密碼開機、異常電源記憶 工作流程以及異常狀態具有維修輔助導引功能，密碼核對與防錯之安全開關機系統及 具有防誤觸之效能
电池容量计算公式
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电池容量计算公式详解
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01
电池容量的基本概念及其重要性
电池容量的定义与单位
电池容量的单位
• 安时（Ah）：表示电池在1小时内能够释放的电流与时间的乘积
• 毫安时（mAh）：表示电池在1小时内能够释放的电流与时间的乘积，1mAh=0.001Ah
电池容量计算公式的改进方向
提高计算精度
• 通过收集更多的放电数据，对公式进行优化和调整
• 提高对温度、内阻和放电倍率等因素的考虑程度
拓展适用范围
• 研究适用于更多种类电池的容量计算公式
• 考虑不同类型电池的特性，对公式进行适当的调整
未来电池容量计算的发展趋势
智能化的电池管理系统
• 利用人工智能和大数据技术，提高电池容量计算的准确性和智能化程度 -实现对
• 镍氢电池的容量计算公式需要考虑
• 铅酸电池的容量计算公式需要考虑
虑温度、内阻和放电倍率等因素
温度、内阻和放电倍率等因素
温度、内阻和放电倍率等因素
• 通过收集电池的放电数据，可以对
• 通过收集电池的放电数据，可以对
• 通过收集电池的放电数据，可以对
公式进行优化和调整，提高计算精度
公式进行优化和调整，提高计算精度
05
电池容量计算公式的优缺点与改进方向
电池容量计算公式的优点与局限性
优点
局限性
• 电池容量计算公式可以方便地对电池容量进行计算和预
• 电池容量计算公式主要基于电化学原理和电池的放电特
测
性
• 通过考虑温度、内阻和放电倍率等因素，可以提高计算
• 对于某些特殊类型的电池，可能需要对公式进行适
动力电池比能量是什么_动力电池比能量密度怎么计算
动力电池比能量是什么_动力电池比能量密度怎么计算
电池的能量：指在一定的放电条件下对外做功所输出的电能；
比能量：单位重量或者单位体积的电池所给出的能量，叫重量比能量或者体积比能量
磷酸铁锂的重量比能量和体积比能量分别为：
纯电动车用电池：约110Wh/kg；210Wh/L
混合电动车用电池：约65Wh/kg；120Wh/L
电池包通常是指电池芯加保护板部分，电池组通常是指电池包加外壳部分。
电池包的比能量：与电池芯的比能量差不多
电池组的比能量：与外壳和其它辅件重量和体积相关。
比能量指的是单位重量或单位体积的能量，电池的比能量就是参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小。
蓄电池的比能量是指电池单位质量或单位体积所能输出的电能，单位分别是Wh/kg或Wh ／L。
比能量有理论比能量和实际比能量之分。
理论比能量指1kg蓄电池反应物质完全放电时理论上所能输出的能量。
实际比能量为1kg蓄电池反应物质所能输出的实际能量。
常用比能量来比较不同的电池系列。
主要蓄电池的比能量见表7-12。
表7-12 主要蓄电池系列的比能量
由于各种因素的影响，蓄电池的实际比能量远小于理论比能量。
实际比能量和理论比能量的关系式如下：
W实=W理KvKRKm
式中Kv-电压效率（蓄电池的工作电压与电动势的比值）；
KR-反应效率（表示活性物质的利用率）；
Km-质量效率蓄电池中存在一些不参加成流反应但又是必要的
物质，应减小这些物质所占比例，以提高活性物质所占比
例。
两者之比是质量效率。
锂离子电芯知识培训20160330-马斌
2019/7/17
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锂离子电芯产品特性介绍－－－能量密度特性
电芯设计的建议
设计
结构设计 采用合理的极片结构设计，最大化的利用极片空间， 采用夹具整形工艺，提高电芯的平整度。
体系设计
采用较高容量的正负极材料体系 正负极活性物质采用较高含量配比的配方 采用较薄的处理隔离膜
2019/7/17
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工艺设计
采用挤压式涂布机，提高涂布的一致性 采用高温夹具化成，提高电芯容量发挥 采用较薄的绝缘绿胶 采用较薄的铜铝箔及包装铝塑膜材料
2019/7/17
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锂离子电芯产品特性介绍－－－循环特性
1，循环寿命的定义 2，影响循环寿命的因素 3，循环的衰减模式 4，电池设计的建议 Mabin
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锂离子电芯产品特性介绍－－－循环特性
循环寿命的影响因素 正负极活性材料的物化结构性质的影响； 电极涂层粘结强度的影响； 有机电解液体系及SEI膜的形成质量； 装配工艺的影响； 充放电制度对循环寿命的影响； 电池工艺设计方面的影响。
循环寿命衰减机理； 锂离子电池在充放电过程有副反应发生，以及活性物质材料的不可逆消耗；
2019/7/17
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锂离子电芯产品特性介绍－－－放电倍率特性
倍率的影响因素 负极材料 材料结构、尺寸及电极片厚度，使锂离子在材料或电极中扩散路径的短些，为 浓差极化内阻的影响 电极表面内阻，电极片的导电性，反映欧姆内阻对倍率的影响。 正极材料 正极材料的结构，尺寸及正极片厚度，使其具有短的锂离子扩散路径，同时又 具备较好的导电性能 电解液 具有较高的传导能力，挤具有较低的电荷传递阻抗； 具有良好的化学稳定性及热稳定性； 与电极相匹配 隔离膜 具有良好的透气度
动力电池能量密度解析
动力电池能量密度解析导读：是什么决定了新能源汽车的续航里程？新能源汽车的续航主要取决于可用电量和整车能耗。
续航能力↑=可用电量↑÷能耗↓在相同能耗不变，电池包体积和重量不变都受到严格限制的情况下，新能源汽车的单次最大行驶里程主要取决于电池的能量密度。
图1 电池包系统在整车中的布局一、什么是能量密度？能量密度(Energydensity)是指在单位一定的空间或质量物质中储存能量的大小。
电池的能量密度也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。
电池的能量密度一般分重量能量密度和体积能量密度两个维度。
电池重量能量密度=电池容量×放电平台/重量，基本单位为Wh/kg(瓦时/千克)电池体积能量密度=电池容量×放电平台/体积，基本单位为Wh/L(瓦时/升)电池的能量密度越大，单位体积、或重量内存储的电量越多。
二、什么是单体能量密度？电池的能量密度常常指向两个不同的概念，一个是单体电芯的能量密度，一个是电池系统的能量密度。
电芯是一个电池系统的最小单元。
M个电芯组成一个模组，N个模组组成一个电池包，这是车用动力电池的基本结构。
图2 动力电池系统构造示意图单体电芯能量密度，顾名思义是单个电芯级别的能量密度。
根据《中国制造2025》明确了动力电池的发展规划：2020年，电池能量密度达到300Wh/kg；2025年，电池能量密度达到400Wh/kg；2030年，电池能量密度达到500Wh/kg。
这里指的就是单个电芯级别的能量密度。
三、什么是系统能量密度？系统能量密度是指单体组合完成后的整个电池系统的电量比整个电池系统的重量或体积。
因为电池系统内部包含电池管理系统，热管理系统，高低压回路等占据了电池系统的部分重量和内部空间，因此电池系统的能量密度都比单体能量密度低。
系统能量密度=电池系统电量/电池系统重量OR电池系统体积四、究竟是什么限制了锂电池的能量密度？电池背后的化学体系是主要原因难逃其咎。
锂电芯容量计算
锂电芯容量计算
锂电芯容量计算
目前电芯使用的材料不同，容量也有区别，一般来说，容量电极材料的重量和材质有关系，市面上流通的电芯规格有三种：钢壳，铝壳，软包装，下面我一钢壳和铝壳为例，讲解一下这两种包装形式的电芯容量。
下面是各种标准规格电芯容量的对照表：
规格中，一共有六位数，第一、二位数表示电芯的厚度，第三、四位数表示电芯的宽度，第五、六位数表示电芯的高度（长度）。
其实电芯的外壳体积与容量成一定的正比关系，为什么说成一定的正比关系？因为有些电芯不是很规则，正比关系对某些电芯不一定适合，关键是要看这种壳体尺寸能否装得下更多的电极材料和电解质，下面我们来推算一下电芯容量的计算。
电芯容量的计算其实很简单，也就是根据上面的标准容量，来比较体积的大小，在取经验值即可，比如：
某一钢壳电芯的规格为：053652，我们先找到05厚度的电芯容量600mAh，再用厚度比厚度即36/30=1.2，用此系数先乘600mAh=720mAh，再用长度比长度及52/48=1.08，用此系数先乘720mAh =780mAh，通常容量不会有这么大，会有所缩水，经验值为90%-95%，因此此规格的电芯的容量为：780mAh x 95%=740mAh左右，这种计算是很准的，一般不会出现较大的偏差，铝壳计算与此类同，在此不作介绍。
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目录
电芯的尺寸结构 影响电芯容量的基本因素 电芯容量及能量密度的计算
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电芯的尺寸结构
V=T*W*L V1=T*W1*L1 V2=T*(W-W1)*(L-L1)=V-V1
• 内部材料：（尺寸*有效容量--- > 压实密度*克容量* 活性物质含量）
• 正极：压实密度、克容量、活性物质百分含量 • 负极：压实密度、克容量、活性物质百分含量 • 隔离膜：厚度 • 集流体厚度、极耳、胶纸 • 其他：设计与涂布精度等因素
模腔 （外腔）
模芯（内腔）
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正极料（组成如下）
箔材
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电芯容量及能量密度的计算
* 使用设计表
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Thank You！
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影响电芯容量的因素
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电芯容量的计算原则
❖ 电池容量的计算（举例LiCoO2 /石墨锂离子电池） ❖ 电池在某电压下理论容量
=正极材料在该对应电压区间下的克容量*正极活性物质质量 1）=正极材料在该对应电压区间下的克容量*（正极质量-箔材质量 ）*活性物质百分含量 2）=正极材料在该对应电压区间下的克容量*正极涂布单面密度*（ 涂布总长度*极片宽度）*活性物质百分含量
V---总体积 V1---电芯主体体积，与容量直接 相关的体积 V2---顶封、折边体积
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影响电芯容量的因素
•尺寸： • 外部尺寸：V2---顶封、折边体积 • 内部尺寸：包装膜厚、模腔、模芯、卷芯、 overhang(突出）
培训前说明
总目标：
1）了解锂离子电池基本知识 2）了解影响电芯容量和能量密度的基本因素 3）针对客户提出尺寸，较准确回复迈科目前能做到的容量、能 量密度（但实际容量，仍需研发确认）
课程及目的：
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电芯容量及能量密度计算
McNair RD