近些年來，新能源汽車、儲能、通信、數據中心等新興領域得到了迅速發展，極大地推動了大容量鋰離子電池的發展，各個領域對鋰離子電池的能量密度提出了更高的要求。

鋰離子電池的活性儲能材料為正負極材料，提高能量密度的辦法對于正極來說就是提高放電電壓和放電容量。對于負極材料來說就是高容量和低的平均脫鋰電壓。以提高能量密度為主要發展目標的第三代鋰離子電池中，正負極材料都處于升級換代的階段。今后進一步提高能量密度將朝著采用金屬鋰負極的電池發展。

一、不同負極材料的鋰離子電池電芯能量密度計算

正負極材料決定了電池能量密度，但是大部分文獻計算能量密度時都是基于單一的活性正極材料質量，部分文獻考慮正負極材料的活性材料質量之和，忽略了非活性電池材料的質量，使得計算結果與實際偏差較大。

按照文獻的計算方法，計算了常見的正負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道中的最高值而是綜合考慮技術指標實現的可行性選擇表1和表2的數值。達到該值仍有許多問題，如控制體積膨脹、倍率特性、循環特性等。表3給出除去封裝材料和引線，封裝材料內部的非活性材料的典型參數。

二、金屬鋰離子電池電芯能量密度計算

以上計算結果均為負極材料，石墨理論比容量為372mAhg-1，目前可逆容量能達到365mAhg-1，高容量軌跡負極材料可逆容量可達到1000-1500mAhg-1。但在脫嵌鋰過程中存在較大的體積膨脹和收縮，實際容量難以全部發揮，僅為380-450mAhg-1。相對地，金屬鋰的理論比容量高達3860mAhg-1，即使利用率33%，也有1287mAhg-1，而且可以充當鋰源。然而金屬鋰有許多諸如鋰枝晶、孔洞不均勻生長、與電解液持續副反應、體積膨脹問題、循環過程中界面穩定性等安全問題。

三、18650單體電池能量密度估算

考慮上連接的極耳和封裝材料，可以計算單體電池的能量密度。表4、5給出松下NCR18650圓柱電池和Prismatic系列軟包方形單體電池的性能參數。以NCR18650為例，其極耳以及封裝材料占單體電池的質量分數一般為15%-20%。表6總結了鋰電池不同負極材料對應電芯最高能量密度以及18650最高能量密度。表7則給出Si-C-1000負極與不同正極材料電芯、單體能量密度，其中LCO-220電芯能量密度為492Whkg-1，單體能量密度為416Whkg-1，可以看出由于封裝材料所占電池總體比例更多，導致電池的能量密度進一步降低。

四、電池能量密度與續航里程的關系

續航里程是電動車的核心指標，增加續航里程的最簡單方法是直接增加單體電池或電池模塊和容量，但是這卻會相應增加電池在電動汽車中所占的成本；另一種是在汽車電池包體積或者質量不變的前提下，提升電池的能量密度。

以北汽EV200（整備質量1.290t）為例，百公里耗電為14kWh，電池箱為220L，壽命要求為20萬公里。電池的質量能量密度為180Whkg-1時，EV200標準工況常溫下續航里程為200km。循環壽命的估計需要考慮全壽命里程設計要求，每次使用續航里程和壽命末期每次充電續駛里程因素，這樣估算20萬公里需要的電池循環壽命為2000次

五、高能量密度鋰電池的成本

依據現有產業化的電芯組成和工藝條件，可以大致推算出不同電池電芯原材料成本價格，所用原材料的成本參見表9。均以100Ah容量的電芯為例，圖4展示了以硅碳為負極與不同正極材料組成的鋰電電芯成本以及以金屬鋰為負極，富鋰，NCM作為正極材料的金屬鋰離子電池電芯的成本。可以得出電池成本中，正極材料和電解液的成本接近電芯成本的37%-56%，硅碳負極成本普遍接近38%-48%，占電芯成本比重較大。當金屬鋰作為負極時，富鋰，NCM作為正極材料電芯成本分別為0.2元/瓦時和0.29元/瓦時。相比硅碳作為負極，金屬鋰能量密度更高，成本顯著降低。