《中国制造2025》规划指明，2020年电池能量密度要达到300Wh/kg，2025年电池能量密度达到400Wh/kg，2030年电池能量密度达到500Wh/kg。

电池的能量密度是什么？

能量密度（Energy density）是指单位重量或单位体积电池所能储存的能量。简单来说，电池的能量密度越高，就意味着在同样的重量或体积下，它能够储存更多的电能，这直接关系到设备的续航时间和电池的体积大小。在电动汽车中，电池的能量密度直接决定了汽车的续航里程；在消费电子产品中，能量密度则决定了设备的重量和电池使用时长。

电池的能量密度越大，单位重量或体积内存储的电量越多。

相关公式：

重量能量密度=（电池容量^[1]×平均放电平台^[2]）/重量 基本单位为Wh/kg （瓦时/千克）

体积能量密度=（电池容量^[1]×平均放电平台^[2]）/体积 基本单位为Wh/L （瓦时/升）

[1]电池容量C（Ah安时）=放电电流（A安）×放电时间（h小时）

[2]放电平台：在一定的充放电制度下，放电曲线中电压基本保持水平的部分的电压，计算能量密度时可代入额定电压

举个例子，如果一块磷酸铁锂的方形电池电芯容量是150Ah，重量为2kg，磷酸铁锂的平均放电电压为3.2v，那么其重量能量密度为，150Ah×3.2v/2kg=240Wh/kg。

把80个磷酸铁锂电池串接起来做成一个180kg的Pack（电芯+各模组的重量），那么这个pack的重量能量密度为150Ah×80×3.2v/180kg=213.3Wh/kg。可以看出Pack的重量能量密度是一定小于单体电芯的，因为其中还有其他的零部件。

因此汽车动力系统的能量密度可以从电芯本身和电池集成结构两个维度来提升。

影响动力系统能量密度的关键因素

1. 电极材料

正极材料：三元材料（NCM811）等高能量密度材料因其含有较高比例的镍，理论上能提升电池的能量密度，但随着镍含量的提高，材料的稳定性变差，容易出现热失控、性能衰退等问题。为此，市场不断开发更加稳定且能量密度更高的替代材料，如富锂镍钴钼材料和无钴三元材料。

负极材料：石墨负极的比容量已经接近其理论极限（372mA·h/g），因此提升负极材料的能量密度成为研究的重点。硅基负极材料因其理论比容量高达4200 mAh/g，成为替代石墨的理想选择。但硅负极材料的体积膨胀问题和循环稳定性差，使得其商业化应用面临巨大挑战。解决这一问题的关键在于通过纳米化、碳包覆等手段，提高硅负极的稳定性。

2. 电解液

固态电解质：电解液是锂电池中传导锂离子的关键组件，其化学稳定性、导电性直接影响电池的能量密度和安全性。传统的液态电解液在高能量密度应用中面临着安全性问题，尤其是在充放电过程中容易引发热失控，甚至起火或爆炸。为了解决液态电解质的安全问题，市场正在致力于固态电池的研发。固态电池采用固体电解质，能够提供更高的电压和更好的热稳定性，因此能显著提高电池的能量密度。

3. 温度管理

随着电池能量密度的提升，电池在充放电过程中产生的热量也会相应增加，可能会导致电池过热、性能衰退甚至引发安全事故。因此，如何有效进行温度管理，确保电池在高能量密度下仍然能够稳定运行，是电池设计中不可忽视的一个问题。当前，采用高导热材料（如石墨烯）以及优化电池包的设计可以有效提升温度管理性能。此外，通过提高电池的充放电效率和使用更高效的散热材料，能够在一定程度上解决这一问题。

4. 电池集成结构

新能源汽车的动力系统传统上采用CTM（Cell to Module）集成方式，即将电池单元组装成模块。这种模块化设计是为了适应不同车型对电池的不同需求以及不同电池制造商生产的电池单元尺寸差异，同时也有助于实现规模经济和产品标准化。通常的配置流程是：电池单元先组成模组，再组成电池包（PACK），最后安装到车辆上。然而，这种模组化配置方式的空间利用率仅为40%，这在很大程度上限制了车辆其他部件的布局空间。因此，电池一体化技术，如CTP（Cell to Pack）、CTC（Cell to Chassis）和CTB（Cell to Body），逐渐成为行业研究和应用的焦点。

市场提升动力系统能量密度两大研究方向

1. 全固态锂离子电池 (ASSLSB)

目前的全固态电解质(SSE)主要有三类：固体无机电解质 (SIE)、固体聚合物电解质 (SPE) 和固体混合电解质 (SHE)。根据固体电解质的不同，固态电池可以分为硫化物固态电池、氧化物固态电池、聚合物固态电池、和卤化物固态电池。硫化物固态电池因其高锂离子电导率和理论能量密度而备受关注，但成本较高且稳定性和安全性有待提升。氧化物固态电池具有良好的化学稳定性，但界面阻抗较大且加工性能差。聚合物固态电池在加工性能和界面性能方面表现良好，但室温下离子电导率较低。卤化物全固态电池具有宽电压窗口和良好的循环性能，但离子电导率低，仍处于实验验证阶段。每种电池类型都有其独特的优势和挑战，未来的研究将集中在提高这些电池的性能、稳定性和成本效益上，以推动其商业化应用。例如，硫化物固态电池中的Li₂S-P₂S₅体系具有较高的离子电导率，而氧化物固态电池中的LLZO具有良好的化学稳定性和机械性能。聚合物固态电池中的PEO基电解质在柔性电子设备中具有潜在应用，卤化物固态电池中的Li₃YCl₆则展示了良好的循环性能。

2. CTP、CTB、CTC

CTP（Cell To Pack）技术是一种创新的电池包结构设计，它通过省略传统模组结构，将电芯直接集成到电池包中。这种设计不仅减少了模组侧板、端板以及用于分隔和连接模组的横梁、纵梁等材料，还极大简化了整个电池结构，释放了更多空间。宁德时代在2019年首次提出CTP技术，并已将其发展至CTP3.0版本，即麒麟电池。麒麟电池通过结构优化，体积利用率达到了72%，相比特斯拉的4680电池系统提升了13%。其三元锂电芯系统能量密度可达255Wh/kg，支持4C充电倍率，并可实现超过1000公里的电动车续航里程。

CTP技术目前主要有两种发展路线：一种是彻底取消模组的设计，以比亚迪的刀片电池为代表；另一种是将小模组整合为大模组的方案，这以宁德时代的CTP技术为代表。

CTB（Cell to Body）技术是比亚迪在发布海豹车型时引入的概念，其核心特点是将车身地板与电池上盖整合为一个整体，从而将体积利用率提升至66%，并增加了10mm的垂直空间。

CTC（Cell To Chassis）技术则是将电芯直接集成到车辆底盘中，省略了模组和电池包结构。零跑的C01车型采用了这种技术，尽管仍包含模组结构，但为电池布置空间增加了14.5%，并提升了10mm的车身垂直空间。特斯拉和零跑的CTC技术与比亚迪的CTB技术在本质上都是通过将电池结构与整车内饰地板整合，实现高度集成化，减少零部件开发，增加车内空间。同时，电池作为车身刚度支撑的一部分，也进一步提升了整车的刚度。

提升锂电池能量密度是新能源技术发展的重要方向。当前，业内正在努力突破现有技术的瓶颈，通过优化电极材料、引入固态电解质以及改进电池集成结构（如CTP、CTB、CTC技术），逐步实现性能的飞跃。未来，随着技术的不断进步和商业化落地，锂电池能量密度有望达到更高的水平，为电动汽车、储能系统等领域带来更高效、更经济的解决方案，推动新能源技术迈向新的高度

参考文献：

Gicha, B.B., Tufa, L.T., Nwaji, N. et al. Advances in All-Solid-State Lithium–Sulfur Batteries for Commercialization. Nano-Micro Lett. 16, 172 (2024). https://doi.org/10.1007/s40820-024-01385-6

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