【联想技术汇】走进电池地奇幻世界——能量密度

今年初，宁德时代发布了一则重磅新闻：他们在电池上取得了一项重大突破-全新凝聚态电池，其单体能量密度高达500Wh/kg，相比目前市场上普遍的100-150Wh/kg，足足高了两倍之多！也就如同相比续航能力只有不到600公里的传统电池，这款全新电池可支持近2000公里续航！

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想必大家都已经抓到了“能量密度”这一关键词！它作为电池实力的象征以及商家的宣传方向，一直以来在电池界享有盛名！今天，我们就来研究研究，这个让商家苦苦追寻的能量密度吧！

【能量密度大解析】

电池的能量密度又简称为ED，英文全称为Energy Density。它是指一定质量或体积内储存能量的大小，对应过来的单位就是Wh/kg（瓦时/千克）或Wh/L（瓦时/升）。简单来说，电池的能量密度越高，相同质量或体积下电池电量就会越多！这就意味着，提高能量密度不但可以大幅增加电池的续航时间，甚至电池的重量和尺寸也会因它产生意想不到的改变，重要性不言而喻！

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【究竟什么限制能量密度】

大家都应该有所了解，电池的本质其实就是一连串的化学反应，而如何把这些化学材料玩转的恰到好处？这里就不得不从电池的三大材料板块下手：正极、负极和电解液！由于这三部分占据了电池相当多的重量并且决定了其中的化学反应方式和电压，影响能量密度的地位不言而喻。下面，让我们由此展开，亲自感受下四种基于三大板块的改善方法吧！

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提升从它们开始！
第一种：提升正负极电压差
这个方法本质上就是让正极的电压更高，负极的电压更低，从而使得每个电子释放出更多的能量。为实现这一点，我们需要特别选择一些拥有较宽电压阈值的材料。这种方法固然会有明显改善，但如果正极电压过高，就可能会破坏电池材料结构并会出现电解液异常消耗的情况，电池的寿命和安全也会因此大大降低。所以在实际设计中，依据不同材料特性来调整相应电压是最稳妥的选择。

第二种：增大正极材料比容量
提到比容量，其实就是单位质量或体积材料内能存储的电荷量。换句话说，选择高比容量的化合物作为正极，可以在相同质量或体积下提供更多的离子电荷，大幅提升电池能量密度。下图中a到d分别展示了钴酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂、硫酸锂四种常用正极材料的结构与锂离子嵌入情况，相信一眼就能看出钴酸锂拥有较为整齐的排布结构，可容纳更多锂离子！这也就是为什么厂商会选择它作为主流正极材料的原因！

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第三种：增大负极材料的比容量
当然，负极也是同理！负极材料比容量越高，可以完成充电的锂离子也就越多。当前笔电中主要使用的负极材料为石墨和硅。需要注意的是，虽然硅的比容量比石墨要大十倍，但它在反复充放电过程中会发生结构变化导致严重的膨胀，所以目前都是与石墨一起掺杂使用的。

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第四种：减少电解液容量
在电光火石的化学反应中，一个稳定高效的电解液环境也是非常重要的！电解液在锂电池正负间起到传导电子的作用，我们可以通过优化电解液配方来提高传输效率，增加能量密度！也可以将电池电解液注入量减少，使得电池体积或质量变小，从而提升能量密度！

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除了上述四种方式外，当然还有其他方案！电池是一个巨大的化学能量场，每个指标都在潜移默化地互相影响。选择提高能量密度的方法时，需要综合考虑电池的平衡性和安全性，不能只一味追求能量密度而忽视了其他性能。
相信随着技术的发展，我们会发现更多新材料，取之于自然也回归于自然，实现科技与环境的双赢，创造出更多生生不息的产品！

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作者 / 王宁 关玥
专家顾问 / 谭越