是什么決定了新能源汽車的續航里程?新能源汽車的續航主要取決于可用電量和整車能耗。

續航能力↑=可用電量↑÷能耗↓

在相同能耗不變，電池包體積和重量不變都受到嚴格限制的情況下，新能源汽車的單次最大行駛里程主要取決于電池的能量密度。

圖1 電池包系統在整車中的布局

什么是能量密度？

能量密度(Energydensity)是指在單位一定的空間或質量物質中儲存能量的大小。電池的能量密度也就是電池平均單位體積或質量所釋放出的電能。電池的能量密度一般分重量能量密度和體積能量密度兩個維度。

電池重量能量密度=電池容量×放電平臺/重量，基本單位為Wh/kg(瓦時/千克)

電池體積能量密度=電池容量×放電平臺/體積，基本單位為Wh/L(瓦時/升)

電池的能量密度越大，單位體積、或重量內存儲的電量越多。

什么是單體能量密度？

電池的能量密度常常指向兩個不同的概念，一個是單體電芯的能量密度，一個是電池系統的能量密度。

電芯是一個電池系統的最小單元。M個電芯組成一個模組，N個模組組成一個電池包，這是車用動力電池的基本結構。

圖2 動力電池系統構造示意圖

單體電芯能量密度，顧名思義是單個電芯級別的能量密度。

根據《中國制造2025》明確了動力電池的發展規劃：2020年，電池能量密度達到300Wh/kg;2025年，電池能量密度達到400Wh/kg;2030年，電池能量密度達到500Wh/kg。這里指的就是單個電芯級別的能量密度。

什么是系統能量密度？

系統能量密度是指單體組合完成后的整個電池系統的電量比整個電池系統的重量或體積。因為電池系統內部包含電池管理系統，熱管理系統，高低壓回路等占據了電池系統的部分重量和內部空間，因此電池系統的能量密度都比單體能量密度低。

系統能量密度=電池系統電量/電池系統重量OR電池系統體積

究竟是什么限制了鋰電池的能量密度？

電池背后的化學體系是主要原因難逃其咎。

一般而言，鋰電池的四個部分非常關鍵：正極，負極，電解質，膈膜。正負極是發生化學反應的地方，相當于任督二脈，重要地位可見一斑。

圖3 方殼電芯結構圖

我們都知道以三元鋰為正極的電池包系統能量密度要高于以磷酸鐵鋰為正極的電池包系統。這是為什么呢?

現有的鋰離子電池負極材料多以石墨為主，石墨的理論克容量372mAh/g。正極材料磷酸鐵鋰理論克容量只有160mAh/g，而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。

根據木桶理論，水位的高低決定于木桶最短處，鋰離子電池的能量密度下限取決于正極材料。

磷酸鐵鋰的電壓平臺是3.2V，三元的這一指標則是3.7V，兩相比較，能量密度高下立分：16%的差額。

當然，除了化學體系，生產工藝水平如壓實密度、箔材厚度等，也會影響能量密度。一般來說，壓實密度越大，在有限空間內，電池的容量就越高，所以主材的壓實密度也被看做電池能量密度的參考指標之一。

在《大國重器II》第四集中，寧德時代采用了6微米銅箔，利用先進的工藝水平，提升了能量密度。

如果你能堅持每行讀下來一直讀到這里。恭喜，你對電池的理解已經上了一個層次。

如何提高能量密度呢？

新材料體系的采用、鋰電池結構的精調、制造能力的提升是研發工程師“長袖善舞”的三塊舞臺。下面，我們會從單體和系統兩個維度進行講解。

——單體能量密度，主要依靠化學體系的突破

01 增大電池尺寸

電池廠家可以通過增大原來電池尺寸來達到電量擴容的效果。我們最熟悉的例子莫過于：率先使用松下18650電池的知名電動車企特斯拉將換裝新款21700電池。

圖4 不同尺寸的圓柱電池對比

但是電芯“變胖”或者“長個”只是治標，并不治本。釜底抽薪的辦法，是從構成電池單元的正負極材料以及電解液成分中，找到提高能量密度的關鍵技術。