近些年来，新能源汽车、储能、通信、数据中心等新兴领域得到了迅速发展，极大地推动了大容量锂离子电池的发展，所有的领域对锂离子电池的单位体积内的包含的能量提出了更高的要求[1]。

  锂离子电池的活性储能材料为正负极材料，提高单位体积内的包含的能量的办法对于正极来说就是提高放电电压和放电容量。对于负极材料来说就是高容量和低的平均脱锂电压。以提高单位体积内的包含的能量为主要发展目标的第三代锂离子电池中，正负极材料都处于升级换代的阶段[2-3]。今后进一步提升单位体积内的包含的能量将朝着采用金属锂负极的电池发展。

  因此，计算锂电池中的单位体积内的包含的能量显得很重要。本文在考虑活性材料和非活性材料的基础上，计算了不同不包括封装材料和极耳的电芯的单位体积内的包含的能量。然后计算了圆柱形18650单体的单位体积内的包含的能量，根据计算得到预期单位体积内的包含的能量，进一步核算电池成本。

  正负极材料决定了电池单位体积内的包含的能量，但是大部分文献计算单位体积内的包含的能量时都是基于单一的活性正极材料的品质，部分文献考虑正负极材料的活性材料的品质之和，忽略了非活性电池材料的质量，使得计算结果与实际偏差较大。

  按照文献[4]的计算方式，计算了常见的正负极锂电材料单位体积内的包含的能量，其容量和电压如表1和表2所示。最近正极材料的容量正在逐步的提升，但是与理论值还有很大的差距，最高容量的选择没有采用报道中的最高值而是考虑技术指标实现的可行性选择表1和表2的数值。达到该值仍有许多问题，如控制体积膨胀、倍率特性、循环特性等。表3给出除去封装材料和引线，封装材料内部的非活性材料的典型参数[4]。

  然而，电池形状各异，本工作中的电芯是指不含封装材料和引线的所有其他材料，大部分计算是基于电芯的结果。并且，由于电极涂布的允许厚度、不一样的形状的电池、非活性材料特征参数对计算结果有某程度上的影响，该表格计算结果与实际电池会有一定偏差，这与电池制造工艺密切相关。

  图29(a)-(j)展示了10种不同负极与16中正极材料组合形成的电芯的单位体积内的包含的能量的计算结果。图2(i)标明，Li-rich-300对Si-C-2000的电芯体系，所有的电池体系中具有最高质量单位体积内的包含的能量584Wh kg-2，以及最高的体积单位体积内的包含的能量1645Wh L-1(不包括封装材料和极耳)。

  以上计算结果均为负极材料，石墨理论比容量为372mAh g-1[5]，目前可逆容量能达到365mAh g-1，高容量轨迹负极材料可逆容量可达到1000-1500mAh g-1。但在脱嵌锂过程中存在比较大的体积膨胀和收缩，实际容量难以全部发挥，仅为380-450mAh g-1。相对地，金属锂的理论比容量高达3860mAh g-1，即使利用率33%，也有1287mAh g-1，还能够充当锂源。然而金属锂有许多诸如锂枝晶、孔洞不均匀生长、与电解液持续副反应、体积膨胀问题、循环过程中界面稳定性等安全问题。

  考虑到不同电池中金属锂容量发挥可能性不同，本工作计算了金属锂利用率分别为100%、80%、50%、33%匹配不同正极材料的锂金属电池的单位体积内的包含的能量。图3与图2对比，能够准确的看出金属锂容量发挥的时候，相同正极的体系，金属锂离子电池比锂电池有更显著的单位体积内的包含的能量。如Li-rich-300正极材料在金属锂作为负极时，单位体积内的包含的能量649Wh kg-1，即使发挥只有33%的时候单位体积内的包含的能量也有521Wh kg-1。

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