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 batteries
WU 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：***********。

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，带动了大容量电动自行车排名锂离子电池的发展。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。