锂电池干电池能量密度,锂电池能量密度发展过程

锂电池的能量密度，锂电池能量密度的发展历程2月16日，有这样一则消息在储能领域炸开了锅：位于美国加州的Amprius(安普瑞斯)公司宣布，首批商用450Wh/kg高密度锂离子电池组已经交付，将用于新一代高空伪卫星(HAPS)。

40 Wh/kg，是目前为止最高的实用能量密度！更有甚者，该公司已经宣布将于近期推出能量密度为500Wh/kg的锂电池。

正极材料的创新已经到了瓶颈阶段。

我们先来看看为什么450这个数字不容易得到。

据电车汇统计：从2019年第三批目录申报车型到2020年第十三批目录，磷酸铁锂电池体系能量密度始终为161.27Wh/kg。

2022年批目录中，除了宇通的一个型号达到了161.29Wh/kg的值外，大部分厂家还在161.27Wh/kg这个数字上打转。

也就是说，磷酸铁锂电池的理论上限已经很难突破了。

那么高能量密度的三元电池现状如何呢？

2021年7月，在的工信部新能源汽车名单中，一汽集团申报了全新红旗E-HS9，该车搭载了当代Amperex科技有限公司生产的三元电池，系统能量密度高达206Wh/kg。在此批次目录之前，郭萱高科的能量密度最高，北汽和长安的电池能量密度均超过200Wh/kg，达到201Wh/kg。

也就是说，在目前可以量产的三元电池中，超过200Wh/kg并不容易。

和磷酸亚铁锂三元化物都用于阴极材料。从近几年的电池创新来看，一方面正极材料的成本占了很大比重，另一方面锂电池的技术创新主要来自正极。

除了正极材料的创新，还有电池结构等创新。在这方面，特斯拉不久前刚刚量产的4680就是典型代表。根据官方介绍，新电池组采用无模块设计，由约960 (40x24)节电池组成，比数千节2170电池组成的电池组少很多，因为4680电池的能量密度增加了5倍，达到300Wh/kg。

负电极材料可能会穿透。

既然从阳极开始很难，那么是否有必要从阴极进行技术革新，提高能量密度呢？安普里斯就是这么做的。

我们来看看目前锂电池常用的负极材料：

在石墨被大规模用作锂电池负极材料之前，负极材料已经经历了两次颠覆性的革新。1991年，日本索尼和旭化成公司宣布商用锂电池。当时，石油焦被用作阳极材料。后来，石油焦被中间相碳微球(MCMB)取代，这是一种从沥青中提取的球形材料。

由于智能手机的深入应用，MCMB生产复杂且效率低下，因此其在负极材料中的霸主地位逐渐被石墨取代。石墨由于导电性好、结晶度高、层状结构好，非常适锂离子的反复嵌入和脱嵌，是目前应用最广泛、最成熟的负极材料。更重要的是容易制备，不仅是天然石墨，人造石墨也可以。

目前人造石墨的技术已经非常成熟，尤其是中国企业在这方面的成本优势，使得我国的负极材料企业如贝特瑞、普泰来、上海杉杉等占据了全球80%以上的市场。

生产石墨负极材料的公司经过多次技术迭代，已经开发出了达到360mAh/g(普泰莱数据)指标的高端产品，达到了石墨比容量372 mAh/g的理论极限.

也就是说，无论技术如何演变，来自石墨的潜力已经有限。

人们把目光投向了理论比容高于石墨的硅基材料。理论上硅基材料的比容量可以超过4000mAh/g，是石墨材料的十倍。

但是高容量也带来了很大的负面影响。最重要的一个就是高损耗。锂离子电池在使用过程中，形成回路的锂离子会在负极结电子。这个过程相当于锂离子钻入负极材料，形成的锂晶体会压碎负极结构。也就是说，吸收的锂离子越多，能量就越大，但伤害也就越严重。特别是硅晶是四面体(石墨是层状的)，所以更容易膨胀，膨胀率可以达到300%。这样会让电池更不稳定。

中国天才的概念

如何攻克这个难题，中外科学家都在努力。

去年5月12日，在中国汽车动力电池产业创新联盟2021年年会上，国家动力电池创新中心交出了一款能量密度为356Wh/kg的三元锂电池，材料为硅基负极材料。不过这款电池目前处于原型阶段，还没有达到量产。

解决高比容带来的电池爆炸风险的方法是使用硅纳米线。

Apris的硅纳米线技术是在电池极片上直接生长硅纳米线，吸收锂原子后膨胀到正常体积的4倍。但与一般的硅结构不同，这种结构的硅材料可以通过轴向膨胀很好地释放应力，不会造成纳米线的开裂或断裂，从而防止电极粉化。

此外，使用硅纳米线的负电极的厚度仅为由碳材料制成的负电极的一半。

根据Enpower的数据，特斯拉的Model 3电池是目前进的，能量密度只有260Wh/kg(730Wh/l)。按重量计算，Amprius锂电池的能量比特斯拉Model 3电池高73%，但体积却减少了37%。

这个计划的支持者是美籍华人教授崔屹，他是Ampris的创始人之一。2007年，他还在斯坦福大学材料科学与工程系担任教员，在Nature Nanotechnology上发表了《使用硅纳米线的高性能锂电池负极》的论文，详细阐述了硅纳米线技术在锂电池中的应用。

根据当时的计算，硅纳米线会使电池的能量密度提高30%-80%。看到这种可能性

风口，风投市场的不少人都下场劝说崔屹将技术商业化。2008年，崔屹与风投伙人Mark Platshon共同成立安普瑞斯，董事会里面甚有朱棣文的名字，而朱棣文和崔屹一样都是属于斯坦福学术圈的学者。

虽然安普瑞斯总部在美国，但是产品的商业化生产又回到了负极材料大国中国。早在2014年，安普瑞斯就与无锡工业发展集团资筹建安普瑞斯（无锡）有限公司，用于硅纳米线的成熟应用和生产。

不过比起当时的规划，安普瑞斯的商业化现实要艰难得多。2021年12月，安普瑞斯宣布，正在努力实现每年数百兆瓦时的电池量产，预计将在2024年开始大规模生产。

来自特斯拉的评判

安普瑞斯曾在 2021年11月8日宣布了405Wh/kg的电池，仅几个月能量密度就达到了 450Wh/kg。去年 12 月，该公司称其370Wh/kg的版本可以在大约6分钟内从0 充电到80%。

安普瑞斯科技公司的首席运营官伯恩斯坦说：“与之前在2021年11月8日宣布的405Wh/k品相比，这一进步凸显了我们在提供具有的性能的产品方面的路线图的加速。我们专有的Si-NanowireTM平台和我们开发的综解决方案实现了的性能，并继续保持我们的产品领先地位。”

然而这套“”的解决方案，依旧存在着高昂的代价。硅纳米线属于纳米材料，生产难度高。并且为了形成稳定循环需要进行预锂化处理。

安普瑞斯2月16日发布消息中的“高空伪卫星”项目，类似高空气球，目前用于商业化的也只有这一个项目。虽然伯恩斯坦是把商业化预期放到了“飞行汽车”和无人机上，甚规划了500Wh/kg电池的量产。但有媒体认为，安普瑞斯距离降低成本大规模生产还很遥远。

有人认为，安普瑞斯这么着急，是因为投资者等不下去了。这项技术在2020年已经吸引了超过1亿美元的融资，投资人包含美国风司KPCB、Trident投资公司、VantagePoint投资公司、谷歌前CEO Eric Schmidt、Innovation Endeavors、SAIF Partners、盈富泰克、空客公司。

面对有限的产出，安普瑞斯未来可能会接受特斯拉的帮助。马斯克一面嘲笑说“硅负极电池循环寿太差”，高容量的400wh/kg电池要在2024年才能前后出现，还称特斯拉与Amprius之间什么都没发生；另一方面又曾在电池日活动背景中加入了硅纳米线结构图作为宣传。有媒体评论说，硅纳米线电池的商业化落地，可能还是需要特斯拉，马斯克对安普瑞斯别别扭扭的态度只是想降低安普瑞斯的筹码，另一方面也是在期待成本的下降。

目前420-450mAh/g 容量的硅基负极材料(由硅基材料与石墨混而成)市价在11-15万/吨之间，中间值约为12 万/吨，而高端石墨的价格仅有7-8 万/吨。

硅纳米线负极材料的商业化进程依旧受制于成本。

固态电池同为竞争者

与安普瑞斯发布的硅纳米线负极电池一样，近期以来还有一个指向提高能量密度的技术创新方向：固态电池。

一般认为液态锂电池的能量密度达到300Wh/kg已经是非常出色的表现，而固态电池普遍可以达到300-400Wh/kg。

固态电池与目前主流传统锂离子电池的不同在于电解质，它是用固体电解质替代了传统锂离子电池的电解液和隔膜。除了能量密度高，由于固态电解质可以抑制锂枝晶、不易燃烧、不易爆破、无电解液走漏、不会在高温下发生副反应等，固态电池具有更高的安全性。

但是，虽然固态电池的优点非常明显，其缺点也是致的，并直接导致了固态电池的量产困难。由于固态电解质与电极材料之间是以固态状态存在联系的，电极与电解质之间的有效接触较弱。而且离子在固体物质中传输动力低，因而会造成界面阻抗过大的问题。另一个问题依然是成本过高。

固态电池中近期爆炸性的一则消息是2月4日晚，固态电池厂商SES登陆纽交所。这家成立于2012年的公司是由华裔科学家胡启朝创办的，在其股东名单上可以看到天齐锂业、通用汽车、上汽集团、吉利集团、韩国SK集团、美国应用材料公司等等众多业界大名鼎鼎的公司，显然众多企业都对它寄予厚望。

另外一则消息是，工信部2月20日发布的《免征车辆购置税的新能源汽车车型目录》（第五十一批），由东风公司技术中心自主开发的东风风E70固态电池车名列其中，获得免税许可。标志着东风公司率先开始固态电池车量产。

动力电池后续将会怎样发展，让我们拭目以待。但无疑，在正极材料革新还没有大的进展之时，从负极材料等角度进行革新将带来意想不到的成果。

锂电池密度