锂电池瓦时清研科普为什么电池容量有时用安时Ah作为单位，瓦时Wh不是更好？|上海羊羽卓进出口贸易有限公司

清研科普为什么电池容量有时用安时Ah作为单位，瓦时Wh不是更好？

小编最近有个疑惑：电池容量肯定是用瓦时Wh作为单位更好，咱们电器消耗的是能量，而Wh正是能量度量（1度电=1kWh=3.6*10^6J）；至于安时Ah就有点莫名其妙，需要乘个电压才是能量，即1Wh=1V·Ah，所以安时Ah是商家忽悠人的一种单位吗？

带着这个问题，小编请教了研究院的电池专家。专家微微一笑，耐心地解答：安时与瓦时都是合理的，在应用层面，消费者更关心瓦时Wh；而在科研领域，有时候用安时Ah更方便一些！

安时Ah从名字就可以看出，它是电流×时间。考虑到电流 = 电量（电子的数目）/时间。所以Ah就是可移动电子的数量。 根据电荷守衡，安时Ah也就是锂电池可用于充放电的锂离子数量。

请注意，这是一个“物质的量”。 根据物质守恒定律，锂离子作为一种物质，无论是快充还是慢充，无论在什么温度下放电，它的量是不会发生变化的。就算发生电池衰减或低温放不出电，那也只是可用于充放电的锂离子变少了，而不是湮灭了。

Wh则不同，它是Ah × V，表示的是能量。能量具体是多少，与锂离子移动时那一瞬间的电压有关。 打个比方，你拿一盆水往下泼，水的量相同时，从高处泼的杀伤力会更大一些。

根据锂电池的电化学特性，它的电压是SOC(SOC即State of Charge，指电池的荷电状态)的稳定函数，可以说是开路电压稳定。但锂电池有内阻，在快放与慢放时的端电压是不同的；温度也会影响内阻，导致端电压不同；因此放出的能量也不同。能量的差值，就变成了锂电池的内部生热。

如此一来，Wh就是一个依赖充放电条件的量，而Ah相对Wh来说并不那么依赖充放电条件（并不是完全不依赖)。

有人疑惑，不同测试条件下，Ah数也不一定相同。 确实如此，但咱们为了区别Ah与Wh，只需要找到一个Ah相同而Wh不同的标准试验，例如：

设计一个试验1 ，相同温度下，以xC（C：库伦，电子数，电池放电能力的大小）的倍率放电，在后段逐渐降低到电流至0.01C，然后到相同的截止电压Vmin截止。设x = 1、2、3，做三次试验会发现：Ah数相同，Wh数不同。

还有人质疑：既然你可以设计一个试验让Ah相同而Wh不同，那我也可以设计一个试验让Wh相同，而Ah不同啊？ 例如：

设计一个试验2 ，相同温度下，以xC的倍率放电，在后段逐渐降低到电流至0.01C，然后到Vmin的电压截止。设x = 1、2、3，做三次试验，然后精巧地选择截止电压Vmin1、Vmin2、Vmin3，总能找到，Ah数不同，而Wh数相同。

是的，的确如此，但你应该可以轻易看出来，试验1是一个标准试验，而试验2是一个精挑细选参数Vmin才能成立的偶然试验。这两个试验的说服力是不一样的，从中你应该可以感受到Ah与Wh对充放电条件依赖程度的不同。

所以，用Ah来做单位的时候，就可以省略一句话“在0.01C的放电条件下，此电池的容量是xx Wh”，相对来说更简便一些。

但是在组成电动汽车电池包之后，每家公司的电池包电压不同，用Ah来表示的话，就难以区分真实大小。比如800V 100Ah的电池，看起来比400V 150Ah的电池小，但实际上的储存能量大啊！

所以，在电动汽车或其它电压不同的应用场合 ，大家就用kWh作为通用单位。

这有一个前提，这个kWh的值必须是按照国标来测出来 —— 因为国标的存在，它规定了测试Wh的放电条件，从而使得Wh也和Ah一样，也成为了一个“不需要表述放电条件 ”的物理量了，一样很方便。

小编听完后懂了：购买电器的时候，咱们消费者主要关注瓦时Wh就可以了；如果有朝一日进入了科研领域，那就难免要与安时Ah打交道！

锂电池新进化让电动车续航增至2倍

　　把纯电动汽车（EV）锂电池的性能提高至极限的措施正在推进。美国初创企业和日本软银分别在电极材料方面下工夫，拿出了把电池能量密度增至此前2倍的时间表。纯电动汽车的续航距离也将随之延长。力争2022年以后实现实用化。相关技术转用于被视为新一代电池首选的全固态电池的可能性也很高，开发竞争正日趋激烈。

　　以纯电动汽车锂电池为例，目前的能量密度为400～600瓦时/升，满电续航距离被认为在200～400公里左右。比不上加油1次行驶600公里以上的汽油车。

　　被视为新一代电池首选的是全固态电池。这种电池把电解质由锂电池等使用的液体改为固体。不易起火，安全性更高，而且能实现小型化，可将能量密度提高至2倍以上。不过在目前，仍未找到发挥充分性能的最佳材料组合。被期待2020年代前半期实现实用化。

　　作为那之前的“过渡性产品”，把锂电池性能提高至极限的改进正在被推进。研究人员在正极和负极的材料方面下工夫，寻求把能量密度增至2倍以上。将来，如果借助积累的技术，改进全固态电池的电极材料，在新一代纯电动汽车竞争中也有望显示存在感。

　　近年来尤其受到关注的是负极。为了能储存更多锂离子，向普通材料石墨中加入硅的方法接近实用化。

　　美国初创企业Enevate Corporation将在2022年开始生产能量密度提高至此前约2倍、达到每升800瓦时的锂电池。据称确认具备可充放电1千次以上的足够耐久性。

　　首先将面向电动自行车等推进商品化。计划增加产量，到2025年用于纯电动汽车。据称通过5分钟的快速充电，可行驶约400公里距离。该公司创始人兼首席技术官（CTO）Benjamin Park表示，“已从投资者获得近2亿美元。包括试验生产线在内，将讨论扩建设施”。

　　围绕负极材料加入硅的锂电池，美国西北大学和源自美国阿贡国家实验室的初创企业NanoGraf到2022年也计划实现实用化。预计能量密度也为800瓦时/升。生产由其他企业负责。将面向移动终端电子元器件销售，到2025～2030年面向纯电动汽车实现实用化。

　　美国初创企业Enovix也在推进同样的研发。自2022年起，面向智能手机和个人电脑生产负极采用硅的锂电池。

　　此外，把负极材料从碳改为金属锂的措施也在推进。能储存更多锂离子，电池能量密度将随之增加。

　　软银和美国Enpower Greentech在2021年10月宣布，开发了1100瓦时的蓄电池。不易劣化，即使进行100次充放电，仍保持88％的能量密度。力争到2023年以后面向小型无人机等实现实用化。将来考虑用于纯电动汽车。

　　美国初创企业PolyPlus也开发了负极采用金属锂的蓄电池。能量密度为1200瓦时，可进行数百次充放电。该公司表示，“力争用于无人机、家电产品乃至纯电动汽车”。

　　材料的改进还在正极领域被推进。其中，提高稀有金属镍的掺入比率的“高镍型”电池的开发很活跃。日本物质材料研究机构的鱼崎浩平表示，“蓄电量增加，电压提高。不过如果过度增加镍，稳定性将下降”。据称中韩两国的企业等已启动量产。

　　近年来，把廉价的硫磺用于正极的措施也在推进。日本GS Alliance将在2022年开始试销售正极采用硫磺和碳的复合材料的电池。据称负极采用金属锂，能量密度达到此前锂电池的2倍以上。

　　新材料的课题是耐久性。以GS Alliance的新电池为例，社长森良平表示，“使用30～40次后，能量密度就将减半”。目前的锂电池可进行约4千次充放电，使用10年时间。

　　如果往电极材料中加入硅和硫磺等，存在只要重复进行充放电，电极发生变形或化学反应产生的异物可能导致短路。企业和大学正在对电极材料的形状和结构下工夫，推进提高耐久性的研究。

　　脱碳化趋势推动需求增加，日本国内企业“赖以依靠”的是开发能力

　　随着迈向脱碳化，纯电动汽车的需求正在增加，蓄电池市场也有望持续扩大。英国调查公司IDTechEx的数据显示，纯电动汽车锂电池的市场规模2021年为473亿美元，到2030年有望增至1993亿美元。

　　瑞穗研究技术(Mizuho Research & Technologies)的高级主任经济学家山本武人表示，如果高能量密度的改进型电池等实现实用化，“将推动纯电动汽车进一步普及，市场将进一步加速扩大”。

　　不过从实际份额来看，日本被中国和韩国远远甩在后面。韩国调查公司SNE Research的统计显示，从2021年1～8月的纯电动汽车电池的全球份额来看，首位为中国宁德时代新能源科技（CATL），达到30.3％，第2位是韩国LG能源解决方案（24.5％），第3位是松下（13.3％），第4位是比亚迪（7.7％）。韩国SK创新（5.4％）排在第5位。

　　日本零部件企业的份额也在下滑。截至2010年代中期，正极、负极、电解液和隔膜等4种主要零部件大多为日本制造，但现在首位宝座全部被中国夺走。

　　日本依靠的是新一代电池的开发能力。欧洲专利局和国际能源署（IEA）2020年发布的报告显示，从2018年有关电池技术的世界专利申请数来看，松下和日立制作所等日本企业占到3分之1，数量最多。据称2014～2018年申请的全固态电池专利数的54％来自日本。日本能否发挥这种优势、开发出划时代的新型电池，掌握“后锂电池”时代的主导权？企业的认真程度受到考验。

　　日本经济新闻（中文版：日经中文网）草盐拓郎、三隅勇气、北川舞

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