锂离子电池和金属锂离子电池的能量密度计算
锂离子电池计算方法
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锂离子电池计算方法（大纲）一、锂离子电池基本原理1.1锂离子电池的工作原理1.2锂离子电池的组成及结构二、锂离子电池关键性能参数2.1容量2.2能量密度2.3循环寿命2.4充放电速率2.5安全性三、锂离子电池计算方法3.1电池容量计算3.1.1额定容量计算3.1.2实际容量计算3.2电池能量密度计算3.3循环寿命预测3.4充放电速率计算3.5安全性能评估四、锂离子电池计算模型4.1电池等效电路模型4.1.1Thevenin模型4.1.2PNGV模型4.2电池电化学模型4.2.1电化学机理模型4.2.2简化电化学模型4.3电池热管理模型4.3.1热传导模型4.3.2热对流模型五、锂离子电池计算软件及工具5.1常用电池计算软件介绍5.1.1BatteryDesignStudio5.1.2COMSOLMultiphysics5.2电池计算工具开发5.2.1MATLAB工具箱5.2.2Python电池计算库六、锂离子电池计算应用实例6.1电池管理系统（BMS）设计6.1.1BMS功能需求6.1.2BMS计算方法6.2电池组热管理设计6.2.1热管理策略6.2.2热管理计算方法6.3电池寿命预测与优化6.3.1寿命预测方法6.3.2电池优化策略一、锂离子电池基本原理锂离子电池是一种广泛应用于便携式电子设备、电动汽车和储能系统的关键电源。
电池的能量密度和提高能量密度的方法
电池的能量密度和提高能量密度的方法一.电池的能量密度能量密度(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。
1.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。
单体电芯能量密度，顾名思义是单个电芯级别的能量密度。
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。
2.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。
一般而言，锂电池的四个部分非常关键：正极，负极，电解质，膈膜。
正负极是发生化学反应的地方，相当于任督二脉，重要地位可见一斑。
我们都知道以三元锂为正极的电池包系统能量密度要高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统。
这是为什么呢？现有的锂离子电池负极材料多以石墨为主，石墨的理论克容量372mAh/g。
正极材料磷酸铁锂理论克容量只有160mAh/g，而三元材料镍钴锰(NCM)约为200mAh/g。
电池的能量密度
各类型电池的优缺点
锂离子电池：能量密度高、充电速度快、使用寿命长，但存在安全隐患。 铅酸电池：技术成熟、价格便宜、维护方便，但能量密度低、使用寿命短。 镍氢电池：能量密度较高、充电速度快、使用寿命较长，但价格较高。 超级电容器：充电速度快、使用寿命长、体积小，但能量密度低、价格高。
电池能量密度提升面临的挑战
影响因素：电池的 活性物质、电解质、 电极结构等
意义：能量密度是 电池性能的重要指 标之一，提高能量 密度可以降低成本 、提高续航里程
单位：Wh/kg（瓦 时每千克）或 Wh/L（瓦时每升 ）
表示电池储存能量的能力
单位：瓦时/千克 （Wh/kg）
定义：电池的能量密 度是衡量电池性能的 重要指标之一，指单 位质量或体积的电池 所能储存乱
提高电池能量密度与推动环境可持续性的平衡之道
引言：随着电动汽车的普及，电池的能量密度成为了影响其续航里程和环境可持续 性的关键因素。
电池能量密度现状：目前，大多数电动汽车所使用的电池能量密度较低，导致其续 航里程和环境可持续性受到限制。
提高电池能量密度的途径：通过采用新型材料、优化电池结构、提高生产工艺等方 式可以提高电池的能量密度，从而提高电动汽车的续航里程。
发展现状：随着技术的不断进步，电池的能量密度逐渐提高，为电动车的 发展提供了更好的支持
02
电池的能量密度现状
当前电池的能量密度水平
目前主流的电动汽车电池以 NCA和NMC三元锂电池为 主
锂离子电池的能量密度在持 续提高
固态电池技术正在不断发展， 未来有望进一步提高电池的
能量密度
氢燃料电池也是一种具有高 能量密度的电池技术
电池的能量密度
单击添加副标题
汇报人：
电芯容量及能量密度计算RD
箔材
7
Quality assurance
Designed to power you
电芯容量及能量密度的计算
* 使用设计表
8
Quality assurance
Designed to power you
Thank You！
9
Quality assurance
Designed to power you
2
Quality assurance
Designed to power you
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
3
Quality assurance
Designed to power you
电芯的尺寸结构
V=T*W*L V1=T*W1*L1 V2=T*(W-W1)*(L-L1)=V-V1
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：
1
Quality assurance度计算
McNair RD
• 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）
5
Quality assurance
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
三元锂体积能量密度
三元锂体积能量密度三元锂电池是一种常见的锂离子电池，其以锂、镍和锰为正极材料。
相对于其他电池，三元锂电池具有较高的体积能量密度，也即单位体积内所储存的能量较多。
本文将从三个方面探讨三元锂电池的体积能量密度。
一、三元锂电池的构成和工作原理三元锂电池由正极、负极和电解液组成。
正极材料主要是由锂离子嵌入和脱出的过程实现能量的存储和释放。
负极材料则是由石墨等碳材料构成，用于嵌入和释放锂离子。
电解液则是负责锂离子在正负极之间传输的介质。
二、三元锂电池的体积能量密度优势相对于其他锂离子电池，三元锂电池具有较高的体积能量密度。
这主要得益于正极材料中的镍和锰。
镍具有较高的比容量，即单位质量内所储存的能量较多；锰则具有较高的电化学稳定性，使得电池能够在高温和高电流下工作。
因此，三元锂电池在相同体积下能够储存更多的能量，为电子设备提供更长的使用时间。
三、三元锂电池的应用领域由于其较高的体积能量密度，三元锂电池在电子设备领域得到广泛应用。
例如，智能手机、平板电脑、笔记本电脑等便携式设备，都采用三元锂电池作为主要电源。
此外，电动汽车也是三元锂电池的重要应用领域之一。
相较于传统铅酸电池和镍氢电池，三元锂电池具有较高的能量密度和较长的循环寿命，能够满足电动汽车对能源密度和续航里程的要求。
四、三元锂电池的发展趋势随着科技的进步和人们对电能储存需求的增加，三元锂电池正不断发展和改进。
目前，研究人员正在探索新的材料和结构，以提高三元锂电池的能量密度和循环寿命。
例如，一些研究者利用纳米技术改善电池的结构，提高电极材料的比表面积，从而增加电池的能量存储能力。
此外，研究人员还在探索新的正负极材料，以提高电池的电化学性能和循环稳定性。
三元锂电池以其较高的体积能量密度在电子设备和电动汽车领域得到广泛应用。
随着科技的不断进步，三元锂电池的能量密度还将进一步提高，为人们的生活带来更多便利。
锂电池干货系列之锂电和金属锂能量密度计算
锂电池干货系列之锂电和金属锂能量密度计算
纯电动车电池的能量密度高低有多重要？
这似乎就像在讨论心脏的跳动对于人体有多重要一般，一辆纯电动车，或者说的更标准一点，一辆电池动力车的性能、续航里程、可靠性都取决于其电池包内的电池数量以及单节电池内的能量密度。
这个公式很好理解：总电量=电池数量×单节电池能量密度。
而现代汽车的结构设计其实已经很死板了，留给电池组的空间也就那么一点，大部分车型都集中在坐舱地板下方，当然这也是出于安全性和空间性的考虑。
所以说，电池数量已经被限制在某一个区间内，无法大幅提升。
想要增强电池车性能，唯有在能量密度上做文章。
首先，什么是电池能量密度？
能量密度（Energy density）是指在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。
电池能量密度=电池容量×放电平台/电池厚度/电池宽度/电池长度，基本单位为Wh/kg（瓦时/千克）。
电池的能量密度越大，单位体积内存储的电量越多。
△圆柱形锂电池结构图
关于电池能量密度，现在我们都知道了它俨然是目前电池行业，甚至是电动汽车行业向前大跨步的最明显的突破口，但是突破它，真的是很难啊！
△典型电池设计非活性物质(除引线等)的占比
据悉，电池的能量密度基本由电池的正负极决定的，但只是正负极活性材料也不能保证电池能发上电，得有很多非活性物质，比如导电辅助剂、活性粉末之间的粘结剂、隔离膜、阴阳极的箔材、绝缘固定的胶纸、铝塑膜壳或者钢铝壳等等。
我们中大部分人总是有意无意的忽略这部分物质的含量，得出的能量密度与事实相差较。
锂电池基础科学问题化学储能电池理论能量密度的估算
锂电池基础科学问题化学储能电池理论能量密度的估算一、本文概述随着全球对可再生能源和环保意识的日益增强，锂电池作为高效、环保的化学储能电池，在便携式电子设备、电动汽车、储能系统等领域得到了广泛应用。
锂电池的性能表现，特别是其能量密度，直接决定了电池的使用效率和应用范围。
因此，对锂电池基础科学问题，特别是其化学储能电池理论能量密度的估算进行深入研究和探讨，对于提高锂电池的性能、推动其技术进步以及满足日益增长的能源需求具有重要意义。
本文旨在全面概述锂电池的化学储能原理，深入探讨其理论能量密度的估算方法，并在此基础上，分析影响锂电池理论能量密度的关键因素。
我们将从锂电池的基本构造和工作原理出发，阐述正负极材料、电解质、隔膜等关键组件对理论能量密度的影响，并通过具体案例分析，探讨如何通过优化材料选择和结构设计来提高锂电池的理论能量密度。
我们还将对锂电池在实际应用中的性能表现进行评估，以期为其进一步的技术改进和应用推广提供有益的参考。
通过对锂电池基础科学问题的深入研究，我们期望能够推动其在化学储能领域的应用和发展，为可再生能源的利用和环保事业的推进做出积极的贡献。
二、锂电池能量密度的定义和重要性锂电池的能量密度，通常被定义为单位体积或单位质量内所储存的能量。
对于锂电池来说，这一指标尤为关键，因为它直接关系到电池的性能表现和实际应用价值。
能量密度越高，意味着在相同体积或质量下，锂电池能够储存更多的能量，从而提供更长的使用时间和更高的工作效率。
在便携式电子设备、电动汽车、航空航天等领域，锂电池的能量密度尤为重要。
在便携式电子设备中，高能量密度的锂电池能够提供更长的续航时间，从而增强用户的使用体验。
在电动汽车中，高能量密度的锂电池能够提供更远的续航里程，减少充电次数，从而满足用户对于出行距离和便捷性的需求。
在航空航天领域，高能量密度的锂电池能够提供更多的能量供应，为飞行器的长时间、远距离飞行提供保障。
因此，对锂电池能量密度的研究和优化具有重要的理论和实际应用价值。
锂离子电池基础科学问题计算方法
锂离子电池基础科学问题计算方法一、本文概述随着能源危机和环境污染问题的日益严重，锂离子电池作为一种高效、环保的能源存储和转换方式，受到了广泛的关注和研究。
然而，锂离子电池的基础科学问题，如电池性能衰减、热失控、离子迁移机制等，仍是制约其进一步发展和应用的关键难题。
因此，采用计算方法研究锂离子电池的基础科学问题，对于推动锂离子电池技术的发展具有重要意义。
本文旨在介绍锂离子电池基础科学问题的计算方法，包括第一性原理计算、蒙特卡洛模拟、分子动力学模拟等，并探讨这些方法在锂离子电池研究中的应用和限制。
通过本文的阐述，读者可以了解计算方法在锂离子电池基础科学研究中的重要性和潜力，以及如何利用这些方法深入理解和解决锂离子电池的关键科学问题。
本文也旨在为从事锂离子电池研究的科研人员提供一种有效的计算工具和研究思路，推动锂离子电池技术的进一步发展和应用。
二、锂离子电池的基本原理锂离子电池（LIBs）是一种基于锂离子在正负极之间嵌入和脱嵌过程的二次电池。
这种电池具有高能量密度、长循环寿命、无记忆效应等优点，因此在便携式电子设备、电动汽车、储能系统等领域得到了广泛应用。
锂离子电池的基本原理包括正极、负极、电解质和隔膜四个主要部分。
在充放电过程中，锂离子在正负极之间往返迁移，实现化学能和电能之间的相互转换。
具体来说，充电时，锂离子从正极材料中脱出，经过电解质和隔膜，嵌入到负极材料中；放电时，锂离子则从负极材料中脱出，再经过电解质和隔膜，返回到正极材料中。
这种锂离子的迁移过程，就是锂离子电池充放电的基本原理。
锂离子电池的正极材料通常为含锂的过渡金属氧化物，如LiCoOLiMn2OLiFePO4等，这些材料具有较高的电势和较好的结构稳定性，能够提供较高的能量密度。
负极材料则通常为碳材料，如石墨、硅基材料等，这些材料具有较低的电势和较高的比容量，能够提供较长的循环寿命。
电解质则负责在正负极之间传输锂离子，常见的电解质有有机电解液和固态电解质等。
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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：。
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：********************；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：***********.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George Crabtree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80 Wh•kg-1[3]，经过25年的发展，锂离子的能量密度已经达到265 Wh•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320 Wh•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400 Wh•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500 Wh•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, 软包及铝壳动力电池电芯的能量密度达到了450-490Wh•L-1。
锂离子电池的活性储能材料为正负极材料，提升能量密度的办法对于正极来说是提高放电电压，放电容量。
对于负极材料来说是高容量，低的平均脱锂电压。
在实际电池中，正负极材料具有高的压实密度有利于高的体积能量密度以及高的质量能量密度的实现。
优秀的倍率特性将有利于高能量密度、功率密度在实际充放电过程中的实现，具备长循环寿命可以使高的能量密度在较长的服役期间维持，因此电池的实际能量密度也与倍率特性、循环特性以及材料的特例特性有关。
以提高能量密度为主要发展目标的第三代锂离子电池中，正负极材料都在处于升级换代的阶段[5, 6]。
锂离子电池之后，进一步提升能量密度将朝着采用金属锂负极的电池发展，包括采用嵌入化合物正极，金属锂负极的金属锂离子电池，以及锂硫电池，锂空气电池等。
祖晨曦等人对化学储能的理论能量密度进行了系统的计算[7]。
目前锂离子电池技术实际能量密度可以达到理论能量密度的62%（18650电芯），参考这一数值，可以初步估算各类电池实际能达到的能量密度。
本文首先在考虑活性材料和非活性材料的基础上，计算了不包括封装材料和极耳的电芯的能量密度。
然后计算了圆柱型18650电芯的能量密度。
根据计算得到了预期能量密度，在此基础上进一步核算了电池成本。
图1 1990年-2025年锂离子电池能量密度发展路线图Fig.1 Development of lithium batteries energy density during the period of 1990–20251 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的选择决定了电池能量密度。
不少文献中关于电池能量密度的计算，主要是基于单一的活性正极材料的质量计算，有些文献考虑了正负极材料的活性材料质量之和，这种计算忽略了非活性电池材料的质量，报道的结果与实际可能达到的偏差较大，容易误导读者。
近几年考虑非活性物质对电芯能量密度计算的工作已经开展起来[8, 9]。
本文中，我们按照文献[9]的计算方法，计算了目前已知的常见正、负极材料组成的锂离子电池的能量密度，其容量和电压分别参见表1，表2。
从近年来的发展趋势看，正极材料的容量正不断提升，为此我们给出了高中低三种容量的选择，较低数值是目前的商业产品的水平。
较高值是预计未来可能达到的水平，例如，LCO设定的最高容量为220mAh·g-1，NCM811设定的容量为220mAh·g-1，富锂正极的容量设定为300mAh·g-1，NCA设定为220mAh·g-1。
这些数值并非技术研究已经达到的最高值，与理论值还有一些差距。
而且富锂锰基正极材料2V 以上的容量做到了320mAh·g-1，硅负极的容量可以达到4000mAh·g-1, 但是正、负极活性材料的最高容量的选择没有采用报道中的最高值，而是考虑综合技术指标的实现的可行性选择了表1、表2的数值。
即便如此，表1和表2中最高容量值的实现依然具有很大的挑战，特别是在控制体积膨胀、倍率特性、循环性方面。
表3给出了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[9]。
由于电池外壳形状各异，目前也不统一，本文中电芯是指不含封装材料和引线的所有其它材料，大部分的计算是基于电芯的结果。
而且是按照文献[9]提供的计算依据，实际上需要注意，由于电极涂布的允许厚度对这个计算结果有较大的影响，因此不同几何形状的电池，不同非活性材料的特征参数不同，会对计算结果有一定的影响。
本文在固定了文献[9]的计算依据后给出了计算结果，这些结果可以在一定程度上预测不同类型的正负极材料匹配后的能量密度的相对高低，但实际电池与这些计算结果可能还会有偏差，与电池制造工艺密切相关，请读者特别注意。
在此基础上，我们还计算了18650型电池的能量密度，在本文后续的描述中，包含封装材料和极耳的称之为单体电池。
而约定俗成的叫法是把单体电池也叫电芯，因此提请读者注意本文计算时电芯定义和文献中说的电芯的区别。
图2 a～j展示了10种不同负极与16种正极材料组合形成的电芯的能量密度计算结果。
图i 表明，Li-rich-300对Si-C-2000的电芯体系，在所有的电池体系中具有最高质量能量密度584Wh•kg-1，以及最高体积能量密度1645 Wh•L-1。
该数值不包括封装材料与极耳。
按照目前的理解，实际电池中富锂锰基正极材料和硅负极实现300和2000mAh•g-1还是非常困难的，现有的富锂锰基正极材料也还需要提高倍率性能[10, 11]。