鋰離子電池基礎科學問題系列（一）

序言：該系列文章由中國科學院物理研究所清潔能源實驗室納米離子學與納米能源材料研究組撰寫，並於2013年至2015年間連續刊載於《儲能科學與技術》雜誌「專家講座」欄目，這裡作為學習筆記整理總結！

鋰離子電池基礎科學問題（一）：化學儲能電池理論能量密度的計算

01 能量密度的計算公式

一個化學反應體系反應前後的化學能變化可通過該反應的 Gibbs 自由能進行描述：

例如反應

該反應的Gibbs自由能應等於生成物的Gibbs生成能減去反應物的Gibbs生成能：

其中 Gibbs生成能，可通過如下途徑獲得：

• 熱力學手冊查找；
• 對於吉布斯自由能尚不清楚的物質，如果已知所有參與反應物質的晶體結構，可以通過基於第一性原理的密度泛函方法，計算出材料的吉布斯自由能；
• 如果不知道晶體結構，也可以通過第一性原理計算先獲得弛豫後的晶體結構，然後計算獲得。

在等溫等壓條件下，體系發生反應的 Gibbs 自由能的減小等於對外所做的最大非膨脹功，如果非膨脹功只有電功時，則 ，該式為Nernst方程。

該式揭示了化學能轉變為電能的最高限度，為改善電池性能提供了理論依據；其中 n 為每摩爾電極材料在氧化或還原反應中轉移電子的數量，F 法拉第常數（F=96485C/mol），E為可逆電動勢（理論電壓）。

電池的能量密度用兩種方式表示：

質量能量密度（Wh/kg）= （反應物的總質量）

體積能量密度（Wh/L）= （反應物的總體積）

可以看出：

生成物的 Gibbs 生成能越高，反應物的 Gibbs 生成能越低，電池體系的能量密度越高。

對於給定電極材料，其充放電比容量（mAh/g） Capacity= nF/3.6M，式中M為電極材料的摩爾質量（g/mol）。

另外：電池體系的能量密度也可以通過，電池體系的充放電電壓乘以電池體系的充放電比容量獲得，即質量能量密度（Wh/kg）=E（V）x Capacity（mAh/g）。

對鋰電池而言，從能量密度逐年增長的角度考慮，可充放鋰電池今後的發展趨勢可能是：

• 採用高容量正極（富理錳基）、高電壓正極（高鎳錳基），高容量負極（金屬鋰及硅碳）的新一代鋰離子電池。
• 最終發展的高能量密度電池應該是以金屬鋰為負極，O2 、H2O、CO2 、S 為正極的可充放鋰電池，在中短期內，Li-S 電池獲得較高的質量能量密度最有競爭力。

同時推薦：

《鋰離子電池》-郭炳坤-中南大學出版社

《電池手冊》-[美] 托馬斯 B. 雷迪 （Thomas B. Reddy）-汪繼強譯-化學工業出版社