锂离子电池性能比较器：能量密度、功率密度、寿命和温度 ...

电池的能量和功率密度通常使用标准测试协议进行比较，Ragone图通常用于比较锂离子电池的能量和功率密度，但是一般不考虑成本、寿命和温度敏感性等参数。但是电池寿命对使用条件高度敏感性，例如快速充电、温度控制、电池串并联等，寿命指标没有标准化，不好比较。这里展示一个电池性能比较器: ENPOLITE图，包括能量密度、功率密度、寿命和温度。

如图1所示，X轴为使用条件下的功率密度，Y轴为使用条件下的能量密度，根据电池测试在图中绘制一个圆形气泡，气泡尺寸表示电池寿命。当测试条件变化时重新绘制一个气泡。

图1 根据能量和功率密度计算ENPOLITE图的单个数据点

比能量、功率密度和寿命系数具体计算过程如下：

（1）X轴使用条件比能量计算公式：

式中，DOD表示循环中的充放电深度，Ccell(BOL)表示循环开始时的容量，U表示平均放电电压。比能量根据最开始的容量和放电深度计算，不考虑循环中容量的衰减。一个200Wh/kg的电池放电深度50%和一个125Wh/kg的电池放电深度80%，他们具有相同的使用比能量100Wh/kg。

（2）Y轴使用条件功率密度计算公式：

式中，I表示平均充电电流，U表示平均电压，m表示电池质量。

（3）气泡尺寸寿命系数计算公式：

式中，NFCE表示测试结束或寿命终止（容量≈80%）时等效循环数，即累积的充电容量除以循环开始容量，C表示循环开始容量，U表示平均电压，m表示电池质量，%cap.loss表示容量损失率。具体计算示例如图2所示。

图2 寿命系数计算示例

图3是不同标称容量、电池形式、化学体系、老化测试时间、测试温度下、783个电池的比功率、能量密度和使用寿命比较图，每个气泡边框的颜色表示循环期间的平均电池温度（如果未记录电池温度，则表示环境温度）。图3显示了决定锂离子电池寿命的八个关键参数：（i）能量密度，（ii）功率密度和（iii）每个百分点的能量吞吐量，以及老化测试的条件，包括（iv）循环温度，（v）循环持续时间，（vi）电池化学体系，（vii）电池包装形式和（viii）标称容量。

由图可知，只有少数电池在高能量或高功率密度下实现了高于平均水平的寿命，例如深蓝色数据集（NMC10|0.24Ah|pouch|860d）。高功率密度常常伴随较低的能量密度。在大多数数据集中，较高的循环温度导致寿命缩短。NMC10电池165 Wh/kg 和 50 W/kg均表现出在较高温度下气泡面积显著减少。钛酸锂（LTO）负极电池的超长寿命也在图中可见，如桃色数据集（LTO02|2.9Ah|prismatic|630d）。具有相似边框颜色但尺寸差异很大的相邻气泡说明了电池间的老化一致性差异。

图3 783 个电池单元的循环 ENPOLITE 寿命图

通过利用越来越多的开源电池数据集可以扩展这种电池性能比较方法，目前电池数据量超过1000 GB，具体数据来源见表1。

为了更方便比较，比较图表还可以以互动图表形式展示。文末点击 阅读原文 可以访问互动图表在线网站

不同化学体系比较：红色是NCA正极体系，绿色是NMC正极体系，这两种电池能量密度范围分布广泛;橙色是LTO负极体系，其能量密度比较低，但比功率较高；蓝色是LFP正极体系，性能介于以上两者之间。

不同电池形式比较：18650 电池（蓝色）显示广泛的比能量分布，只有18650电池显示较高的能量密度，而最高的比功率由方形（绿色）和软包（浅绿色）电池达到。

温度的影响

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参考文献：Dechent P , Epp A , Jst D , et al. ENPOLITE: Comparing Lithium-Ion Cells across Energy, Power, Lifetime, and Temperature[J]. 2021.