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大，误导吃瓜群众。其实，这部分相当重要，就拿过去十几年的技术进步来说，电池能量密度的提升主要就是靠着活性物质占比的提升来实现的。

△能量密度的变化与预测

还有的就是以增大原来电池尺寸来达到电量扩容的效果。

我们最熟悉的例子莫过于：率先使用松下18650电池的知名电动车企特斯拉将换装新款21700电池。而原因并非18650电池有任何质量问题，只是18650电池单颗容量小，普遍在2-4Ah左右，串并联数量过多，单体失效风险概率较大，导致其在电动汽车领域的应用受到一定的限制。

△图中为21700电池

而21700电池在尺寸上相比18650电池（直径18mm，长度65mm）更大，达到了直径21mm，长度70mm。如果想再形象一点来考虑这个问题，我们不妨来看看来自Hitech Energy的计算，仅考虑单体的密集堆积进行计算，可知：30支21700的体积是40支18650体积的1.1倍，质量则为0.97倍。

在同等能量下，所需电池的数量可减少约1/3，电池包内部金属连接件数量减少，从而进一步降低电池包的重量，整车的能量密度将得到部分提升，达到接近300kw/kg。

以下三点尤为引人注意：

1.到2020年，锂离子动力电池单体比能量大于300Wh/kg；系统比能量争取达到260Wh/kg；成本小于1元/瓦时；使用环境达-30℃到55℃；具备3C充电能力。

2.到2025年，单体比能量达500Wh/kg。

3.力争实现单体电池350Wh/kg、系统260Wh/kg的锂离子电池产品产业化和整车应用。

日前，澳洋顺昌（002245）在2018半年报中披露，在高镍NCA产品储备上，天鹏电源已经完成18650型号3.5AH产品的技术储备，可以根据电动汽车客户要求投产系统能量密度超过160Wh/kg的高能量密度电池。

三元圆柱领军企业比克也对外表示，公司3.0Ah的18650动力电芯已经配套江淮大众旗下一款新A00级SUV车型。

可以明确的是，随着18650动力电芯自动化、智能化生产水平的提升和下游车企对高能量密度电池的需求，18650电池企业正在往3.0AH以上的高容量电芯产品布局。

根据高工产研锂电研究所（GGII）数据统计，国内目前具备量产18650动力电芯的企业数量超过20家。但各家囿于资金、技术、产能、工艺、设备等因素，最终能够量产2.6AH以上18650动力电芯的企业并不多。

从产能来看，高工锂电盘点了比克、亿纬锂能、智航新能源、远东福斯特、天鹏电源、力神等6家技术及市场口碑较好的18650电池企业发现，比克以6GWh产能居第一位，力神产能虽不高，但从其内部人士获悉，目前公司18650供不应求，产能紧张。

若以技术来衡量，国内一家圆柱电池企业总工表示，国内18650动力电池还是主要对标松下，其3.0AH以上的18650已经实际应用于特斯拉，但在国内稳定量产2.8-2.9Ah18650就成为电池企业的一道门槛。

目前，2.4-2.6Ah的容量电池产品是当下新能源汽车市场上的主流产品，也是国内圆柱电池企业竞争最激烈的几款产品。

作为生产工艺最为成熟的动力电池技术路线，18650电芯具备交货周期短、尺寸标准统一等优势，尤其对车企来说，最大的优势在于国内产能供应满足、性价比高的圆柱电池企业数量较多，可选择性较广，切换便捷。

但要满足下游客户对动力电池高能量密度的需求，18650高容量化是未来发展的必然趋势。尽管21700已经有替代趋势，但从现下来看，国内能够稳定量产21700的企业屈指可数，18650至少在1-2年内还将处于主流地位。

那么，从2.6Ah提升到3.0AH甚至更高的18650电芯，对电池企业来说，难点集中在哪呢？

包括比克、力神、远东福斯特、亿纬锂能等多家电池企业的共识是：

首先，高容量必须从材料端着手，导入高镍甚至是配以硅碳等材料，电池企业需要攻克高镍正极对应用环境、水分敏感等难关。今年硅碳在动力市场应用放缓，也正与电池企业在工艺方面的推进较慢有关。其次，具备实验水平后，最大的瓶颈在于如何实现规模化的量产，真正实现装车应用。

这两大难点都对18650电池企业的设备、工艺和技术提出更高要求。高工锂电特此梳理比克、力神、天鹏电源、远东福斯特、鹏辉能源、智航新能源、卓能新能源7家18650电池企业在高容量电芯产品方面的布局，以一窥国内18650电池技术水平。

➤比克：3.0Ah18650电芯配套A0级SUV车型

8月中旬，比克电池在官微宣布，公司为江淮大众SOL(思皓)品牌首款A0级SUV车型产品E20X提供配套产品，采用3.0Ah的18650三元动力电芯，电池包还采用液冷电池安全管控技术，工况最大续航里程301km，最高车速为130km/h，预计将于9月正式上市。

7月12日，吉利全球鹰在上海宣布发售最新款纯电动车型EX3，该车型共有3个版本，配备了比克186502.75Ah高能芯锂电池，电池容量为41.5kWh，最大续航里程可达380KM。

➤力神：21700应用装车的国内首家圆柱企业

力神是国内目前首家规模量产21700并且应用在乘用车上的动力电池企业。作为国内老牌的18650电池企业，力神总计拥有1GWh18650电芯产能，全部实现自动化、智能化生产，能够满足车企2500mAh以上高容量电芯生产需求。

➤天鹏电源：NCA体系18650电池装车

在今年3月12日澳洋顺昌2017年业绩报告路演上，天鹏电源总经理陈璇表示：“2017年，天鹏电源在电动工具电池和EV电池领域的业绩占比已经达到1:1，在EV领域主要定位微型乘用车市场，和上汽通用五菱、知豆、康迪、众泰等车企建立了合作。”

比如上汽通用五菱爆款车型宝骏E100，新款升级版宝骏E200都配套应用天鹏电源NCA体系18650电池。其中，宝骏E100在今年1-5月中以7972辆的销量位居国内新能源A00级乘用车十大畅销车型第六名。

➤远东福斯特：3100mAh动力电芯进入中试

远东福斯特深耕18650三元锂电池多年，拥有18650-2400mAh、2600mAh、2800mAh、3100mAh等多种型号的产品，预计2019年NCM811高容量电芯将投产。其中，远东福斯特生产的2600-2900mAh18650产品已经开始使用高镍811材料，2017年已有少量出货，今年3月实现批量出货。

8月初，智慧能源(600869)表示，全资子公司远东福斯特的圆柱18650—3100mAh动力电芯目前已进入中试阶段。

➤鹏辉能源：主打2800mAh18650动力电芯

6月份，鹏辉能源动力研究院院长刘建生向高工锂电透露，从今年4月起，公司动力用圆柱电池新增产能均为NCM811，以2800mAh容量为主，采用811搭配石墨负极方案，能量密度达220Wh/kg，目前主要给上汽通用五菱配套。公司也正在加紧推进NCM811体系3000mAh的18650电芯量产，以及NCM811搭配硅碳3300mAh电芯的进展。

➤智航新能源：3000mAh18650电池通过新国标强检

高工产研锂电研究所（GGII）数据显示，智航新能源在2018上半年动力电池装机量排名中位居第10。在5月份的高工锂电2018动力电池供应链巡回活动中，智航新能源称，公司专注于三元技术路线，主打产品为18650-2600mAh三元电池，单体比能量达210wh/kg，更高能量密度的3000mAh新品已完成中试，并已通过新国标强检。公司拥有三元正极材料、电芯和PACK系统的完整产线，目前总计产能3.5GWh。

➤卓能新能源：主推2800mAh及更高容量的电芯

目前，卓能新能源拥有深圳、广西两大生产基地，日产电芯160万颗，均为实际生产产能。其中，深圳基地日产60万颗，以3C消费类电池为主；广西基地日产100万颗，以动力电池为主。

去年，卓能新能源动力电池主流型号为2600mAh型号产品，今年在动力电池市场将主推2800mAh及更高容量的电芯，目前已进入批量供货阶段。