动力电池为什么越做越大

能量密度：电芯惰性材料和Pack封装效率

在讨论能量密度时，通常会集中关注电池的各个层面，这些层面是基本电化学反应发生的地方。电池中重复出现的正极-隔膜-负极层可以被认为是活性堆栈。通过增加电极负载或使用更高能量密度的化学成分，可以提高活性堆栈乃至整个电池的能量密度。
但是，电池的能量密度不仅仅与堆栈能量密度有关。毕竟，电池并不是以活性材料的裸堆栈形式出售的，而是以完全封装的单元形式出售的。而活性堆栈的封装方式在总体能量密度中起着重要作用。在这篇文章中，我们将探讨一些惰性材料和封装效率如何影响电池的能量密度。

降低惰性材料比例

过去十年中，能量密度的提高主要原因之一并不在于更好的化学成分或新材料，而是制造工艺的改进，使电池制造商能够在相同尺寸的电池中装入更多的活性材料。更高精度的机械设备和精细的制造技术可以最大程度地减少电池内部的浪费。例如，考虑一下正极的制作。高能量的镍基正极活性材料是一种细金属氧化物粉末，与液体混合后涂覆在一张薄金属箔片上，类似于厨房里常见的铝箔。这种箔片被称为集流体；正极使用铝箔，负极使用铜箔。虽然集流体是电池的重要组成部分，负责传导电子和热量，但从提供电池能量的反应角度来看，集流体本身是惰性材料，本质上是能量密度的“死重”。因此，显而易见的提高电池能量密度的方法之一就是减少这些集流体箔片的厚度。

现代集流体箔片比20年前的要薄得多。例如，铜负极集流体的厚度从20微米减至仅6微米。这些变化并非微不足道——铜箔曾占电池总质量的近20%，而现在仅占约6%。尽管如此，从制造的角度来看，使用3倍更薄的铜箔仍然具有挑战性——较薄的箔片更难处理且更易撕裂。然而，随着锂离子电池行业的成熟，已经找到了解决这些问题的方法，并在此过程中显著提高了能量密度。

但是，这种改进也是有限的。从20微米减至6微米，电池制造商已经削减了14微米的厚度，但从仅6微米厚的集流体上再减少14微米是不可能的。更薄的集流体也会对电池的电导率和热性能产生负面影响。因此，对集流体的改进开始显示出收益递减的迹象。

无论是使用更薄的集流体、确保所有部件更加精确地结合，还是去除电池内部的空隙，电池制造商已经显著优化了传统锂离子电池的设计。但这并不是从现有技术中挤出更多能量密度的唯一方法。

电池尺寸：更大总是更好吗？

提高封装效率的另一种方法利用了几何学的一个简单原理：当你使物体变大时，它的体积增长速度比表面积快。因此，如果你需要封装更大的体积，封装与体积的比例会随着封闭体积的增大而降低。这个概念可能看起来很抽象甚至有些困惑，但与能量密度的关系很容易说明。
想象两个水瓶：一个一升的瓶子和一个两升的瓶子。当然，两升的瓶子装的水是一升瓶子的两倍；它的体积是双倍的。但是，如果你称一下每个瓶子的重量，你会发现一升瓶子重约36克，而两升瓶子重约47克——只重了约30%，而不是两倍。因此，一升瓶子每36克包装能装一升水，而两升瓶子每23.5克包装能装一升水。换句话说，两升瓶子仅仅因为它们更大，所以拥有更好的包装效率。

同样的基本原理适用于电池。就像水瓶一样，包装材料也会对电池的总重量产生影响，如果电池非常小，包装的死重将占电池总重量的相当大一部分，从而降低其最终能量密度。仅仅通过增大电池的尺寸，包装和电池内部活性材料的比例就会减少。

这是追求更大电池单元，特别是磷酸铁锂（LFP）单元的逻辑所在：LFP化学成分能量密度较差，因此必须制造更大的电池单元以弥补这一缺陷。如今一些最大的LFP单元容量超过100Ah；相比之下，智能手机电池的容量通常为3-4Ah。

然而，通过制造更大的电池单元来提高能量密度并不是解决能量密度挑战的直接方案，而是一种可以缓解传统活性材料限制的变通方法。这种变通方法也有自己的严重缺陷——最重要的是，电池做得这么大，可靠性和安全问题就会开始出现。实现一致性、管理热量和防止灾难性热失控（当电池局部失效导致温度升高，从而加热邻近电池，导致整个电池组发生级联失效）在更大体积的电池单元中变得更加困难。热失控对于那些使用更易挥发的高性能镍基化学物质的传统锂离子电池尤其令人担忧。这也是为什么容量约为4-5Ah的2170圆柱电池单元仍然是当今电动汽车中最能量密集的传统电池之一。

此外，对于消费电子产品等应用来说，更大的尺寸通常不是一个选择，因为更大的电池无法安装在使现代智能手机或笔记本电脑的薄壳内。简而言之，更大并不总是更好。这些只是惰性材料如何影响能量密度的几个例子。在过去的十年里，传统锂离子电池能量密度的显著提升有很大一部分归因于这样的封装改进。

然而，这些方法正在接近极限。封装的效率提升是有限的，而且大部分低垂的果实已经被采摘。归根结底，优化封装固然重要，但我们相信，推动能量密度长期改进的最有希望的方法是采用下一代电池化学。