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QuantumScape (QS)计划中的首款商业产品QSE-5是一款约5Ah（OMG）的电池 ， 旨在满足汽车应用的要求 。 在此 ， QS将介绍电池规格的各种要素 ， 并解释能量密度这一看似简单的指标背后的一些复杂性 。
能量密度：不仅仅是一个数字
对于那些关注电池行业的人来说 ， 可能会觉得有关能量密度破纪录的新型电池的头条新闻络绎不绝 。 然而 ， 这些头条新闻却很少提供必要的背景信息来说明这些数字的意义 。 如果不了解电池的尺寸和重量、放电倍率、温度、充电状态和工作压力等因素 ， 就无法对不同电池的能量密度进行公平的比较评估 。 下图展示了相关性能参数：
从基本数据开始：QSE-5 B样品电池在C/5放电倍率和25 °C条件下测得的电池能量为21.6瓦时 (Wh) 。 将其除以电池体积可得出844Wh/L 的体积能量密度 ， 或除以电池质量可得出 301 Wh/kg的质量能量密度（也称为比能量） 。 如果电池容量是QS所称的5Ah ， 那么标称电压则为21.6Wh/5Ah=4.32V ， 显然不对 。 常见的NMC/G的标称电压为3.6V-3.7V ， 鉴于使用的是锂金属负极 ， 电压平台提高0.1V-0.2V ， 取最大值3.9V ， 那么电池容量应该为21.6Wh/3.9V=5.53846Ah ， 说自己是5Ah ， QS非常的保守和谦虚、
但故事并没有就此结束 。 首先 ， 有些电池的设计优化是为了获得更高的功率或更高的能量密度 ， 这就会影响特定电池的能量密度 。 除此之外 ， 在对不同电池的能量密度进行有意义的比较之前 ， 还必须回答一系列更大的问题 。 让QS逐一探讨这些问题 。
电池尺寸
QSE-5的电池尺寸是使用实际的QSE-5电池样品测量的 ， 而不是基于预测或模型 。 许多电池开发商采用较小版本的商用电池设计（开始贬低同行） ， 并预测将其放大到封装效率更高的更大规格时的能量密度 ， 但这些预测所基于的假设可能并不准确 。 在评估能量密度声明时 ， 一定要问清楚你看到的数字是对未来可能产品的预测 ， 还是对实际电池的测量 。
有些能量密度报告只涉及未包装的活性电池组 ， 其中包括电极和隔膜 ， 但不包括外包装材料 ， 但这有点像报告三明治的卡路里而不包括面包 。 就像三明治一样 ， 商用电池芯也必须包括一些将整个包装固定在一起的东西 。 由于所有商用电池芯都必须用罐装或软包包装 ， 因此活性叠层能量密度指标很难解释 ， 而且可能会误导性地偏高 。 因此 ， QS测量的是完全包装电池的能量密度 。
即使是包装电池 ， 格式也很重要：例如 ， 测量圆柱形电池的体积时 ， 通常包括整个电池罐 ， 而测量软包电池时 ， 可能不包括电池顶部或侧面的薄片区域 ， 因为这些薄片将集成到更大的模块组件中 。 根据后一种方法 ， QSE-5 体积测量不包括框架上方的顶部薄片区域 ， 但包括其他三个边缘的折叠层压材料 。
最后但并非最不重要的一点是 ， 电池的体积取决于其充电状态 。 即使是传统电池 ， 充满电后也会膨胀几个百分点；这种效应在硅负极电池中更为明显 ， 而在锂金属负极电池中 ， 0%和100%充电状态（SoC）下的体积差异可能很大 。 重要的是 ， 如果电池体积是在0%或30%SoC 状态下测量的 ， 由于低SoC状态下的电池体积较小 ， 体积能量密度似乎也较高 。 但从根本上说 ， 引用电池在0%SoC时的能量密度是没有意义的 ， 因为当电池完全放电时 ， 它根本没有储存任何能量 。 QS在100% SoC 时报告QSE-5能量密度 ， QS认为只有在100% SoC 时才能报告体积能量密度 ， 这样才能充分考虑膨胀的影响 。
放电倍率
QS测量的QSE-5 B样品的放电能量为21.6Wh 。 然而 ， 与电池中的几乎所有物质一样 ， 能量不能简单地归结为一个数字 。 许多其他因素也会影响电池能为最终用户提供多少能量 。 其中一个被忽视的因素是放电倍率 ， 它与车辆的加速度直接相关 ， 会影响测量到的标称容量 ， 或电池可存储的总电量 。 一个很好的经验法则是 ， 放电速度越慢 ， 电池可提供的容量越高 。 这就意味着 ， 如果使用非常低的放电倍率来定义标称容量 ， 那么纸面上的能量密度可能会高于实际值 。 因此 ， 在确定标称容量时 ， 必须使用与电池可能的使用方式相关的放电倍率 。
电动汽车电池没有通用的标准放电倍率 ， 但许多电动汽车电池公司在报告能量密度时都使用 C/5（五小时放电）倍率来测量标称容量（应该是C/3？） 。 在现实世界中 ， 这大致相当于以每小时70英里的速度行驶350英里 。 QS认为 ， 这是对车辆续航里程的一个很好的近似值 ， 因此能量密度对驾驶者来说最为重要 ， 这也是QS公布的QSE-5 B样品规格所使用的C率 。 说了半天 ， 倍率也不高啊、
如果使用较低的倍率 ， 如 C/20（20 小时放电） ， 这种较慢的放电倍率会使电池能量密度看起来更高 ， 一些电池制造商已经使用这种较慢（或更慢）的放电倍率来报告其能量密度（没听说过） 。 然而 ， C/20放电相当于在时速仅为17.5英里的情况下行驶350英里 ， 而这并不是人们通常使用汽车的方式 。 因此 ， 在评估能量密度声明时 ， 确定测量能量密度的放电速率并检查其是否与预期应用相匹配始终是非常重要的 。
温度
【QuantumScape固态电池B样完成开发】QS已经写过很多关于温度对电池性能影响的文章 ， 因此温度也会影响能量密度 ， 这一点不足为奇 。 特别是在固态电池方面 ， 聚合物固态电解质等技术通常需要较高的温度来克服固态电解质的离子电阻 ， 并提供高能量密度 。 如果一种电池技术在60 °C 时能量密度很高 ， 但在室温下能量密度却很低 ， 那么这种电池技术对于乘用电动汽车来说就不是特别有用 。 因此 ， 能量密度规格应始终包括电池放电时的温度；QSE-5 B 样品的放电温度为 25 °C（室温） 。
工作压力和包装效率
所有锂离子电池在充电和放电时都会膨胀和收缩 ， 但电池模块或电池组通常不会膨胀和收缩 。 这意味着电池所承受的压力会随着充电状态的不同而变化 ， 而电池所感受到的压缩力会影响其体积 。 就QSE-5而言 ， 电池的设计工作压力范围低于3.4 atm ， 体积能量密度数字反映的是电池在100% 充电状态下内置到固定体积模块中时的尺寸 。
QSE-5采用FlexFrame格式 ， 是传统方壳和软包设计的混合体 ， 可使每个电池紧靠相邻电池 。 这与流行的圆柱形格式形成了鲜明对比 ， 由于基本的电池几何形状 ， 圆柱形格式在组装成电池组时会损失大约9%的能量密度 。 这就意味着 ， 圆柱形电池的电池级体积能量密度数据在一定程度上夸大了整车电池组可实现的系统级能量密度 。
能量密度清单
虽然能量密度是最常报告的电池指标之一 ， 但其中涉及的复杂因素无法简化为一个简单的数字 。 因此 ， QS创建了一份有用的核对表 ， 作为评估能量密度声明的完整性和可比性的指南 。
总之 ， QSE-5 B样品代表了电池技术的重大进步和QuantumScape的重要里程碑 。 其令人印象深刻的顶线能量密度也提供了一个例子 ， 说明了在汽车应用中提供能量密度的各个因素的重要性 ， 如电池的物理尺寸、放电倍率、温度和工作压力 。
文章来源：Batteryman Helps Batteryman
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