能量密度是指鋰離子電池每單位體積(Wh/L)或重量(Wh/kg)可儲存的能量,是提高行動裝置和電動車 (EV) 電池性能的關鍵因素。能量密度通常以每公升瓦時(Wh/L)或公斤(Wh/kg)表示,它決定了電池可容納並隨後輸出的功率。高能量密度意味著在緊湊空間內儲存更多令人難以置信的能量或更輕的重量,這意味著電池壽命更長、更強大、更有效率。

鋰離子電池

平均能量密度指標

鋰離子電池的能量密度通常介於每公斤 150 至 250 瓦時(Wh/kg)或每公升 300 至 700 瓦時(Wh/L)之間。然而,技術進步繼續突破這些界限,更新的迭代超越了這些傳統基準。


第 2 部分. 影響鋰離子電池能量密度的因素

1. 電極材料

電極材料的類型和成分,例如高鎳陰極 (NMC、NCA) 和矽基陽極,對於提高鋰離子電池的能量密度至關重要。這些材料的創新催生了用於電動車和智慧型手機的下一代高能量密度電池。

具有更高比容量的材料,例如高鎳陰極 (NMC、NCA) 和高容量陽極材料(如矽或鈦酸鋰),往往具有更高的能量密度潛力。研究人員不斷探索和優化這些材料,以平衡能量密度、穩定性和成本效益。

2. 電池設計與配置

鋰離子電池單元的設計和結構對其能量密度有顯著影響。優化電極層的排列、隔膜厚度和整體電池結構會影響活性材料的填充密度,從而影響給定體積或重量內儲存的能量。

3. 電解質組成

電解質是電極間離子傳輸的介質,會影響能量密度。電解質的選擇會影響電池的電壓穩定性、內阻和安全性。固態電解質的研究旨在透過替代液體電解質來提高能量密度,同時提高安全性和使用壽命。

4. 封裝效率

電池芯內的封裝密度和空間利用效率極大影響能量密度。最大限度地提高活性材料含量並最大限度地減少黏合劑和導電添加劑等非活性成分有助於實現更高的能量密度。

5. 溫度和工作條件

溫度顯著影響鋰離子電池的性能和能量密度。極端溫度會影響離子運動的效率、電極反應和整體電池性能。保持最佳工作溫度範圍對於實現和維持高能量密度至關重要。

6. 充電狀態與循環行為

鋰離子電池的能量密度會隨著充電狀態和充放電循環次數而改變。循環行為(包括放電深度和充電速率)會影響活性材料的降解,進而影響電池壽命內的能量密度。


第 3 部分. 鋰離子電池的種類及其能量密度

鋰離子與鋰聚合物

鋰離子電池:

鋰離子電池的能量密度通常介於 150 至 250 瓦時/公斤 (Wh/kg) 或 300 至 700 瓦時/公升 (Wh/L) 之間。由於能量密度相對較高,這些電池在許多應用中已廣泛使用。由於其能量重量比和能量體積比高,它們為智慧型手機、筆記型電腦、電動車甚至電網儲存系統供電。

鋰聚合物電池:

鋰聚合物電池是鋰離子技術的一個子集,其能量密度略低於傳統的鋰離子變體。它們通常在 100 至 200 Wh/kg 或 200 至 400 Wh/L 之間。儘管它們的能量密度略有降低,但它們的優勢在於其靈活性,可以實現更薄和客製化形狀的設計。這一特性使它們適合空間和外形靈活性至關重要的應用。

磷酸鐵鋰電池 (LiFePO4):

LiFePO4 電池的能量密度雖然略低於傳統鋰離子電池,但通常在 90 至 120 Wh/kg 或 180 至 240 Wh/L 之間。它們的主要優勢在於其強大的安全性和使用壽命。這些電池非常適合安全性和穩定性至關重要的應用,例如電動工具、醫療設備和固定式儲能係統。

其他鋰電池

鋰硫電池 (Li-S):

Li-S 電池的理論能量密度高達 500 Wh/kg 或更高,超過了大多數傳統鋰離子電池。然而,實際實現的能量密度目前在 300 至 350 Wh/kg 之間。與硫陰極降解和循環壽命相關的挑戰阻礙了它們的廣泛商業化。

鋰空氣電池 (Li-Air):

鋰空氣電池的理論能量密度超過 1000 Wh/kg。然而,與電解質穩定性和電極設計相關的實際限制已將其實際能量密度限制在實驗水平,目前在研究環境中達到約 500 Wh/kg。

鈦酸鋰電池 (Li4Ti5O12):

鈦酸鋰電池的能量密度較低,通常在 70 至 100 Wh/kg 或 100 至 150 Wh/L 之間。然而,它們以出色的充放電速率、較長的循環壽命和增強的安全性彌補了這一缺陷。這些電池在優先考慮快速充電的場景中得到應用,例如電動車和需要高功率輸出的電網儲存系統。


第 4 部分. 鋰離子電池能量密度的未來如何?

固態電池、新型陰極材料和改進的製造流程的最新進展預計將在未來幾年大幅提高能量密度,使未來的電動車更加高效,智慧型手機的電池壽命更長。研究人員的目標是大眾市場鋰離子電池的能量密度超過 300 Wh/kg。