锂电池干货系列之锂电和金属锂单位体积内的包含的能量计算

  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单位体积内的包含的能量。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，无法大幅度的提高。想要增强电池车性能，唯有在单位体积内的包含的能量上做文章。

  单位体积内的包含的能量（Energy density）是指在一定的空间或质量物质中储存能量的大小。电池的单位体积内的包含的能量也就是电池平均单位体积或质量所释放出的电能。电池单位体积内的包含的能量=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）。

  关于电池单位体积内的包含的能量，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！

  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够确保电池能发上电，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，得出的单位体积内的包含的能量与事实相差较大，误导吃瓜群众。其实，这部分很重要，就拿过去十几年的技术进步来说，电池单位体积内的包含的能量的提升主要是靠着活性物质占比的提升来实现的。

  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电池有任何质量上的问题，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。

  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样的一个问题，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，从而逐步降低电池包的重量，整车的单位体积内的包含的能量将得到部分提升，达到接近300kw/kg。

  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。

  3.力争实现单体电池350Wh/kg、系统260Wh/kg的产业化和整车应用。

  日前，澳洋顺昌（002245）在2018半年报中披露，在高镍NCA产品储备上，天鹏电源已完成18650型号3.5AH产品的技术储备，能够准确的通过电动汽车客户要求投产系统单位体积内的包含的能量超过160Wh/kg的高单位体积内的包含的能量电池。

  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动力电芯的公司数超过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，也是国内圆柱电池公司竞争最激烈的几款产品。

  作为生产的基本工艺最为成熟的动力电池技术路线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，最大的优点是国内产能供应满足、性能好价格低的圆柱电池公司数较多，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？

  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，最大的瓶颈在于怎么来实现规模化的量产，真正的完成装车应用。

  这两大难点都对18650电池企业的设备、工艺和技术提出更加高的要求。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。

  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，能够很好的满足车企2500mAh以上高容量电芯生产需求。

  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产品慢慢的开始使用高镍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。

  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，单位体积内的包含的能量达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。

  高工产研锂电研究所（GGII）多个方面数据显示，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mAh三元电池，单体比能量达210wh/kg，更高单位体积内的包含的能量的3000mAh新品已完成中试，并已通过新国标强检。企业具有三元正极材料、电芯和PACK系统的完整产线GWh。