一、不同負(fù)極材料的鋰離子電池電芯能量密度計(jì)算

　　正負(fù)極材料決定了電池能量密度，但是大部分文獻(xiàn)計(jì)算能量密度時(shí)都是基于單一的活性正極材料質(zhì)量，部分文獻(xiàn)考慮正負(fù)極材料的活性材料質(zhì)量之和，忽略了非活性電池材料的質(zhì)量，使得計(jì)算結(jié)果與實(shí)際偏差較大。

　　按照文獻(xiàn)[4]的計(jì)算方法，計(jì)算了常見的正負(fù)極鋰電材料能量密度，其容量和電壓如表1和表2所示。最近正極材料的容量正在不斷提高，但是與理論值還有較大差距，最高容量的選擇沒有采用報(bào)道中的最高值而是綜合考慮技術(shù)指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的可行性選擇表1和表2的數(shù)值。達(dá)到該值仍有許多問題，如控制體積膨脹、倍率特性、循環(huán)特性等。表3給出除去封裝材料和引線，封裝材料內(nèi)部的非活性材料的典型參數(shù)[4]。

　　然而，電池形狀各異，本工作中的電芯是指不含封裝材料和引線的所有其他材料，大部分計(jì)算是基于電芯的結(jié)果。并且，由于電極涂布的允許厚度、不同形狀的電池、非活性材料特征參數(shù)對(duì)計(jì)算結(jié)果有某程度上的影響，該表格計(jì)算結(jié)果與實(shí)際電池會(huì)有一定偏差，這與電池制造工藝密切相關(guān)。

　　圖29(a)-(j)展示了10種不同負(fù)極與16中正極材料組合形成的電芯的能量密度的計(jì)算結(jié)果。圖2(i)標(biāo)明，Li-rich-300對(duì)Si-C-2000的電芯體系，所有的電池體系中具有最高質(zhì)量能量密度584Whkg-2，以及最高的體積能量密度1645WhL-1（不包括封裝材料和極耳）。

　　表1計(jì)算所用正極活性物質(zhì)及其比容量、電壓

　　表2計(jì)算所用負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量及其比容量、電壓

　　圖2不同負(fù)極材料與不同正極材料匹配的電芯能量密度計(jì)算(a)石墨；(b)軟碳SC-400；(d)硬碳-250；(e)SiOx-420；(f)SiOx-1000；(g)Si-C-450;(h)Si-C-1000；(j)鈦酸鋰

　　二、金屬鋰離子電池電芯能量密度計(jì)算

　　以上計(jì)算結(jié)果均為負(fù)極材料，石墨理論比容量為372mAhg-1[5]，目前可逆容量能達(dá)到365mAhg-1，高容量軌跡負(fù)極材料可逆容量可達(dá)到1000-1500mAhg-1。但在脫嵌鋰過程中存在較大的體積膨脹和收縮，實(shí)際容量難以全部發(fā)揮，僅為380-450mAhg-1。相對(duì)地，金屬鋰的理論比容量高達(dá)3860mAhg-1，即使利用率33%，也有1287mAhg-1，而且可以充當(dāng)鋰源。然而金屬鋰有許多諸如鋰枝晶、孔洞不均勻生長(zhǎng)、與電解液持續(xù)副反應(yīng)、體積膨脹問題、循環(huán)過程中界面穩(wěn)定性等安全問題。

　　考慮到不同電池中金屬鋰容量發(fā)揮可能性不同，本工作計(jì)算了金屬鋰?yán)寐史謩e為100%、80%、50%、33%匹配不同正極材料的鋰金屬電池的能量密度。圖3與圖2對(duì)比，可以看出金屬鋰容量發(fā)揮的時(shí)候，相同正極的體系，金屬鋰離子電池比鋰電池有更顯著的能量密度。如Li-rich-300正極材料在金屬鋰作為負(fù)極時(shí)，能量密度649Whkg-1，即使發(fā)揮只有33%的時(shí)候能量密度也有521Whkg-1。

　　圖3金屬鋰作為負(fù)極的電芯能量密度計(jì)算

　　(a)Li容量全部發(fā)揮；

　　(b)Li容量發(fā)揮80%；

　　(c)Li容量發(fā)揮50%；

　　(d)Li容量發(fā)揮33%.