新能源汽车的续航能力提升，关键在于电池能量密度的提高。在能耗保持不变、电池包体积和重量受到严格限制的条件下，电池的能量密度成为了决定单次最大行驶里程的关键因素。
能量密度分为重量和体积两个维度，单体电芯的能量密度是电池系统的基础，而系统能量密度通常因额外组件的存在而降低。具体来说，电池的重量能量密度计算公式为：电池容量乘以放电平台再除以重量，其基本单位是Wh/kg；而体积能量密度则是：电池容量乘以放电平台再除以体积，单位为Wh/L。电芯，作为电池系统的最小单元，其能量密度是整个电池系统性能的基础。多个电芯组成模组，多个模组再构成电池包，这是车用动力电池的基本构成逻辑。
1.1 > 单体电芯与系统能量密度
单体电芯能量密度通常较高，但由于系统包含其他组件，整体系统能量密度较低。根据《中国制造2025》的规划，动力电池的能量密度将分阶段达到300Wh/kg、400Wh/kg和500Wh/kg，这均指的是单体电芯的能量密度。
2.1 > 化学体系
正负极材料对于能量密度至关重要。正负极是发生化学反应的主要场所，它们的性能对电池的整体性能有着至关重要的影响。在研究锂电池时，我们需要深入了解这些组件的性能特点和工作原理，从而找到提升能量密度的有效途径。
为什么以三元锂为正极的电池包系统能量密度会高于以磷酸铁锂为正极的电池包系统呢？这背后的原因是什么呢？首先，我们要了解锂离子电池的负极材料。目前，石墨是主流的锂离子电池负极材料，其理论克容量为372mAh/g。而正极材料方面，磷酸铁锂的理论克容量相对较低，仅为160mAh/g，而三元材料镍钴锰（NCM）则能达到约200mAh/g。根据木桶理论，锂离子电池的能量密度下限主要由正极材料决定。
由于磷酸铁锂的电压平台为3.2V，而三元材料的电压平台高达3.7V，这使得三元材料在能量密度上显著高于磷酸铁锂，差距高达16%。
2.2 > 生产工艺
生产工艺水平也是不可忽视的因素。例如，压实密度和箔材厚度等都会对能量密度产生影响。压实密度越大，意味着在有限的空间内，电池能容纳的容量就越高。因此，主材的压实密度也被视为评估电池能量密度的重要指标之一。在《大国重器II》第四集中，宁德时代通过采用6微米铜箔和先进的工艺水平，成功提升了电池的能量密度。
3.1 > 正负极材料的变革
高镍正极材料与硅碳负极材料的发展带来了能量密度的提升，并为未来应用提供了方向。在单体层面，化学体系的突破是关键。电池的能量密度主要受限于其正负极材料。当前，负极材料的能量密度显著高于正极，因此，提升能量密度的关键在于持续改进正极材料。高镍正极材料是一种重要的突破方向。
3.2 > 电池设计创新与优化
为了提高电池包的成组效率，通过电池的轻量化设计、结构优化及新型材料的应用，能够有效提高电池包的成组效率。增大电池尺寸是提升电池容量的有效手段。以特斯拉为例，这家知名的电动车企在早期采用松下18650电池的基础上，如今已计划换装容量更大的21700电池。
4.1 > 优化电池包设计
通过紧凑的排布结构和拓扑优化技术，提升电池包的效率并减少重量。电池包的成组效率，是对电池技术团队在单体电芯与模组布局上的一大挑战。在确保安全性的前提下，如何充分利用每一寸空间，成为了提升电池包成组效率的关键。
4.2 > 整车一体化设计
整车一体化设计通过仿真模型优化，实现轻量化与性能平衡。在追求系统能量密度提升的过程中，整车一体化设计成为了不可或缺的一环。通过建立整车集成仿真模型，我们可以更全面地考虑各部件之间的相互影响，从而进行更为精准的结构优化。
电池作为一种复杂而全面的产品，在提升某一方面性能的同时，往往需要权衡其他方面的性能。对于车载专用的动力电池而言，能量密度固然重要，但它并非衡量电池品质的唯一标准。
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