حققت TianJinlishen و Guoxuan Hi-Tech وفرق أخرى بشكل أساسي البحث والتطوير لبطاريات طاقة 300 Wh / kg. بالإضافة إلى ذلك ، لا يزال هناك عدد كبير من الوحدات التي تقوم بأعمال التطوير والبحث ذات الصلة.

عادةً ما يشتمل تكوين بطاريات الليثيوم أيون المرنة على أقطاب موجبة ، وأقطاب كهربائية سالبة ، وفواصل ، وإلكتروليتات ، ومواد مساعدة أخرى ضرورية ، مثل علامات التبويب ، والأشرطة ، وبلاستيك الألومنيوم. وفقًا لاحتياجات المناقشة ، يقسم مؤلف هذه الورقة المواد الموجودة في بطارية الليثيوم أيون اللينة إلى فئتين: مجموعة وحدة قطعة العمود والمواد غير المساهمة في الطاقة. تشير وحدة قطعة القطب إلى قطب موجب بالإضافة إلى قطب سالب ، ويمكن اعتبار جميع الأقطاب الموجبة والقطب السالب بمثابة مزيج من وحدات قطعة القطب المكونة من عدة وحدات قطعة قطب ؛ تشير المواد غير المساهمة في الطاقة إلى جميع المواد الأخرى باستثناء مجموعة وحدات قطعة العمود ، مثل الأغشية ، والإلكتروليتات ، وعروات العمود ، وبلاستيك الألومنيوم ، والأشرطة الواقية والنهايات. الشريط وما إلى ذلك بالنسبة للبطاريات LiMO 2 المشتركة (M = Co و Ni و Ni-Co-Mn ، إلخ.) / بطاريات Li-ion الخاصة بنظام الكربون ، تحدد مجموعة وحدات قطعة القطب سعة وطاقة البطارية.

في الوقت الحالي ، من أجل تحقيق هدف 300Wh / kg من الطاقة المحددة لكتلة البطارية ، تشمل الطرق الرئيسية ما يلي:

(1) حدد نظام مواد عالي السعة ، والإلكترود الموجب مصنوع من النيكل العالي الثلاثي ، والقطب السالب مصنوع من كربون السيليكون ؛

(2) تصميم إلكتروليت عالي الجهد لتحسين جهد قطع الشحن ؛

(3) تحسين صياغة ملاط ​​القطب الموجب والسالب وزيادة نسبة المواد النشطة في القطب ؛

(4) Use thinner copper foil and aluminum foil to reduce the proportion of current collectors;

(5) زيادة كمية طلاء الأقطاب الموجبة والسالبة ، وزيادة نسبة المواد الفعالة في الأقطاب الكهربائية ؛

(6) التحكم في كمية الإلكتروليت ، وتقليل كمية الإلكتروليت وزيادة الطاقة المحددة لبطاريات الليثيوم أيون ؛

(7) تحسين هيكل البطارية وتقليل نسبة علامات التبويب ومواد التعبئة والتغليف في البطارية.

من بين الأشكال الثلاثة للبطارية الأسطوانية ، والمربعة الغلاف الصلب ، والصفائح المصفحة الناعمة ، تتميز البطارية الناعمة بخصائص التصميم المرن ، والوزن الخفيف ، والمقاومة الداخلية المنخفضة ، وليس من السهل الانفجار ، والعديد من الدورات ، والطاقة المحددة أداء البطارية رائع أيضًا. لذلك ، تعد بطارية الليثيوم أيون ذات الطاقة اللينة المصفحة موضوع بحث ساخن في الوقت الحاضر. في عملية تصميم النموذج لبطارية ليثيوم أيون ذات حزمة ناعمة ، يمكن تقسيم المتغيرات الرئيسية إلى الجوانب الستة التالية. يمكن اعتبار الثلاثة الأولى محددة من خلال مستوى النظام الكهروكيميائي وقواعد التصميم ، والأخيرة هي عادةً تصميم النموذج. المتغيرات ذات الأهمية.

(1) مواد وتركيبات القطب الموجب والسالب ؛

(2) The compaction density of positive and negative electrodes;

(3) نسبة سعة القطب السالب (N) إلى سعة القطب الموجب (P) (N / P) ؛

(4) عدد وحدات قطعة القطب (يساوي عدد قطع القطب الموجبة) ؛

(5) كمية طلاء القطب الموجب (على أساس تحديد N / P ، حدد أولاً كمية طلاء القطب الموجب ، ثم حدد كمية طلاء القطب السالب) ؛

(6) المنطقة أحادية الجانب للقطب موجب واحد (يحددها طول وعرض القطب الموجب ، عندما يتم تحديد طول وعرض القطب الموجب ، يتم أيضًا تحديد حجم القطب السالب ، و يمكن تحديد حجم الخلية).

أولاً ، وفقًا للأدبيات [1] ، تأثير عدد وحدات قطعة القطب وكمية طلاء القطب الموجب ومنطقة الجانب المفرد لقطعة واحدة من القطب الموجب على الطاقة المحددة وكثافة الطاقة في البطارية. يمكن التعبير عن الطاقة المحددة (ES) للبطارية بالمعادلة (1).

صورة

في الصيغة (1): x هو عدد الأقطاب الموجبة الموجودة في البطارية ؛ y هي كمية طلاء القطب الموجب ، كجم / م 2 ؛ z هي منطقة أحادية الجانب لقطب كهربائي واحد موجب ، m2 ؛ x∈N * ، y> 0 ، z> 0 ؛ e (y، z) هي الطاقة التي يمكن أن تساهم بها وحدة القطعة القطبية ، Wh ، تظهر صيغة الحساب في الصيغة (2).

صورة

في الصيغة (2): DAV هو متوسط ​​جهد التفريغ ، V ؛ PC هو نسبة كتلة المادة النشطة للإلكترود الموجب إلى الكتلة الكلية للمادة النشطة للإلكترود الموجب بالإضافة إلى العامل الموصّل والموثق ،٪ ؛ SCC هي السعة المحددة للمادة النشطة للإلكترود الموجب ، آه / كجم ؛ m (y، z) هي كتلة وحدة القطعة القطبية ، kg ، ومعادلة الحساب موضحة في الصيغة (3).

صورة

في الصيغة (3): KCT هي نسبة المساحة الإجمالية للإلكترود الموجب المتجانس (مجموع مساحة الطلاء ومنطقة رقائق الجدولة) إلى المنطقة أحادية الجانب من القطب الموجب المتآلف ، وهي أكبر من 1 TAl هو سمك مجمع الألومنيوم الحالي ، م ؛ ρAl هي كثافة مجمع الألومنيوم الحالي ، كجم / م 3 ؛ KA هي نسبة المساحة الإجمالية لكل قطب سالب إلى المنطقة أحادية الجانب لقطب كهربائي واحد موجب ، وهي أكبر من 1 ؛ TCu هو سمك مجمع التيار النحاسي ، م ؛ ρCu هو مجمع التيار النحاسي. الكثافة ، كجم / م 3 ؛ N / P هي نسبة قدرة القطب السالب إلى قدرة القطب الموجب ؛ PA هي نسبة كتلة المادة النشطة للإلكترود السالب إلى الكتلة الكلية للمادة النشطة للإلكترود السالب بالإضافة إلى العامل الموصّل والموثق ،٪ ؛ SCA هي نسبة قدرة المادة النشطة للإلكترود السالب ، آه / كجم. M (x ، y ، z) هي كتلة المادة غير المساهمة في الطاقة ، kg ، معادلة الحساب موضحة في الصيغة (4)

صورة

في الصيغة (4): kAP هي نسبة منطقة الألومنيوم والبلاستيك إلى المنطقة أحادية الجانب من القطب الموجب المفرد ، وهي أكبر من 1 ؛ SDAP هي الكثافة المساحية لبلاستيك الألمنيوم ، كجم / م 2 ؛ mTab هي الكتلة الإجمالية للأقطاب الموجبة والسالبة ، والتي يمكن رؤيتها من الثابت ؛ mTape هي الكتلة الكلية للشريط ، والتي يمكن اعتبارها ثابتة ؛ kS هي نسبة المساحة الإجمالية للفاصل إلى المساحة الإجمالية لصفيحة القطب الموجب ، وهي أكبر من 1 ؛ SDS هي الكثافة المساحية للفاصل ، كجم / م 2 ؛ kE هو كتلة المنحل بالكهرباء والبطارية. نسبة السعة ، المعامل هو رقم موجب. وفقًا لهذا ، يمكن استنتاج أن زيادة أي عامل فردي لـ x و y و z ستزيد من الطاقة المحددة للبطارية.

من أجل دراسة أهمية تأثير عدد وحدات قطعة القطب ، وكمية الطلاء للقطب الموجب والمساحة أحادية الجانب للإلكترود الموجب الفردي على الطاقة المحددة وكثافة الطاقة للبطارية ، الكهروكيميائية قواعد النظام والتصميم (أي لتحديد مادة القطب الكهربائي والصيغة ، وكثافة الضغط و N / P ، وما إلى ذلك) ، ثم قم بدمج كل مستوى من العوامل الثلاثة بشكل متعامد ، مثل عدد وحدات قطعة القطب ، ومقدار طلاء القطب الموجب ، والمساحة أحادية الجانب لقطعة واحدة من القطب الموجب ، لمقارنة مادة القطب التي تحددها مجموعة معينة وتم إجراء تحليل النطاق على الطاقة المحددة المحسوبة وكثافة الطاقة للبطارية على أساس الصيغة والكثافة المضغوطة و N / P. يتم عرض التصميم المتعامد ونتائج الحساب في الجدول 1. تم تحليل نتائج التصميم المتعامد باستخدام طريقة النطاق ، وتظهر النتائج في الشكل 1. تزداد الطاقة المحددة وكثافة الطاقة للبطارية بشكل رتيب مع عدد وحدات قطعة القطب ، ومقدار طلاء القطب الموجب ، والمساحة أحادية الجانب من القطب الموجب المكون من قطعة واحدة. من بين العوامل الثلاثة لعدد وحدات قطعة القطب ، وكمية طلاء القطب الموجب ، والمساحة أحادية الجانب لقطب كهربائي موجب واحد ، يكون لمقدار طلاء القطب الموجب التأثير الأكثر أهمية على الطاقة المحددة للقطب الكهربائي. البطارية؛ من بين العوامل الثلاثة للمنطقة أحادية الجانب ، فإن المنطقة أحادية الجانب للكاثود المتآلف لها التأثير الأكثر أهمية على كثافة طاقة البطارية.

صورة

صورة

يمكن أن نرى من الشكل 1 أ أن الطاقة المحددة للبطارية تزداد بشكل رتيب مع عدد وحدات قطعة القطب ، وكمية طلاء الكاثود ، والمنطقة أحادية الجانب من الكاثود أحادي القطعة ، مما يتحقق من صحة التحليل النظري في الجزء السابق. العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على الطاقة المحددة للبطارية هو كمية الطلاء الإيجابية. يمكن أن نرى من الشكل 1 ب أن كثافة الطاقة للبطارية تزداد بشكل رتيب مع عدد وحدات قطعة القطب ، وكمية طلاء القطب الموجب ، والمساحة أحادية الجانب لقطب موجب واحد ، والذي يتحقق أيضًا من صحتها من التحليل النظري السابق؛ العامل الأكثر أهمية الذي يؤثر على كثافة طاقة البطارية هو المنطقة أحادية الجانب من القطب الموجب المتآلف. وفقًا للتحليل أعلاه ، من أجل تحسين الطاقة المحددة للبطارية ، من الضروري زيادة كمية طلاء القطب الموجب قدر الإمكان. بعد تحديد الحد الأعلى المقبول لمقدار طلاء القطب الموجب ، اضبط مستويات العامل المتبقية لتحقيق متطلبات العميل ؛ بالنسبة لكثافة طاقة البطارية ، يعد هذا هو المفتاح لزيادة المساحة أحادية الجانب من القطب الموجب الموحّد قدر الإمكان. بعد تحديد الحد الأعلى المقبول للمنطقة أحادية الجانب من القطب الموجب المتآلف ، اضبط مستويات العامل المتبقية لتلبية متطلبات العميل.

وفقًا لذلك ، يمكن استنتاج أن الطاقة المحددة وكثافة الطاقة للبطارية تزداد بشكل رتيب مع عدد وحدات قطعة القطب ، وكمية طلاء القطب الموجب ، ومنطقة الجانب الواحد من القطب الموجب الفردي. من بين العوامل الثلاثة لعدد وحدات قطعة القطب ، وكمية طلاء القطب الموجب ، والمساحة أحادية الجانب من القطب الموجب الفردي ، يكون تأثير كمية طلاء القطب الموجب على الطاقة المحددة للبطارية الاكثر اهمية؛ من بين العوامل الثلاثة للمنطقة أحادية الجانب ، فإن المنطقة أحادية الجانب للكاثود المتآلف لها التأثير الأكثر أهمية على كثافة طاقة البطارية.

بعد ذلك ، وفقًا للأدبيات [2] ، تتم مناقشة كيفية تقليل جودة البطارية إلى أدنى حد عندما تكون سعة البطارية فقط مطلوبة ، وحجم البطارية ومؤشرات الأداء الأخرى غير مطلوبة بموجب نظام المواد المحدد وتكنولوجيا المعالجة مستوى. يظهر حساب جودة البطارية بعدد اللوحات الموجبة ونسبة العرض إلى الارتفاع للألواح الموجبة كمتغيرات مستقلة في الصيغة (5).

صورة

في الصيغة (5) ، M (x ، y) هي الكتلة الكلية للبطارية ؛ x هو عدد اللوحات الموجبة في البطارية ؛ y هي نسبة العرض إلى الارتفاع للألواح الموجبة (قيمتها تساوي العرض مقسومًا على الطول ، كما هو موضح في الشكل 2) ؛ k1 ، k2 ، k3 ، k4 ، k5 ، k6 ، k7 هي معاملات ، ويتم تحديد قيمها من خلال 26 معلمة تتعلق بسعة البطارية ونظام المواد ومستوى تكنولوجيا المعالجة ، انظر الجدول 2. بعد تحديد المعلمات في الجدول 2 ، كل معامل يتم بعد ذلك تحديد أن العلاقة بين المعلمات 26 و k1 و k2 و k3 و k4 و k5 و k6 و k7 بسيطة للغاية ، لكن عملية الاشتقاق مرهقة للغاية. من خلال اشتقاق الإعلان رياضيًا (5) ، من خلال تعديل عدد اللوحات الموجبة ونسبة العرض إلى الارتفاع للوحات الموجبة ، يمكن الحصول على الحد الأدنى من جودة البطارية التي يمكن تحقيقها من خلال تصميم النموذج.

صورة

الشكل 2 الشكل XNUMX. رسم تخطيطي لطول وعرض البطارية مغلفة

الجدول 2 معلمات تصميم الخلية الرقائقي

صورة

في الجدول 2 ، القيمة المحددة هي قيمة المعلمة الفعلية للبطارية بسعة 50.3Ah. تحدد المعلمات ذات الصلة أن k1 و k2 و k3 و k4 و k5 و k6 و k7 هي 0.041 و 0.680 و 0.619 و 13.953 و 8.261 و 639.554 و 921.609 على التوالي. ، x 21 ، y 1.97006 (عرض القطب الموجب 329 مليون ، والطول 167 ملم). بعد التحسين ، عندما يكون عدد القطب الموجب 51 ، تكون جودة البطارية هي الأصغر.