TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech и други екипи са постигнали основно изследване и разработка на батерии с мощност 300 Wh/kg. Освен това все още има голям брой звена, извършващи свързана развойна и изследователска работа.

Съставът на гъвкавите опаковъчни литиево-йонни батерии обикновено включва положителни електроди, отрицателни електроди, сепаратори, електролити и други необходими спомагателни материали, като пластини, ленти и алуминиеви пластмаси. Според нуждите на дискусията, авторът на тази статия разделя веществата в меката литиево-йонна батерия на две категории: комбинацията от полюсния елемент и неенергийния материал. Полюсната част се отнася до положителен електрод плюс отрицателен електрод, а всички положителни електроди и Отрицателният електрод може да се разглежда като комбинация от полюсни накрайници, съставени от няколко полюсни елементи; неприносните енергийни вещества се отнасят за всички други вещества, с изключение на комбинацията от полюсни елементи, като диафрагми, електролити, накрайници на полюсите, алуминиеви пластмаси, защитни ленти и накрайници. лента и т.н. За обикновените LiMO 2 (M = Co, Ni и Ni-Co-Mn и т.н.)/въглеродната система литиево-йонни батерии, комбинацията от полюсни елементи определя капацитета и енергията на батерията.

Понастоящем, за да се постигне целта от 300Wh/kg специфична енергия на масата на батерията, основните методи включват:

(1) Изберете система от материали с висок капацитет, положителният електрод е направен от тройка с високо съдържание на никел, а отрицателният електрод е направен от силициев въглерод;

(2) Проектирайте електролит с високо напрежение за подобряване на напрежението на прекъсване на заряда;

(3) Оптимизиране на формулирането на суспензия от положителни и отрицателни електроди и увеличаване на дела на активния материал в електрода;

(4) Използвайте по-тънко медно фолио и алуминиево фолио, за да намалите дела на тококолекторите;

(5) Увеличете количеството на покритието на положителните и отрицателните електроди и увеличете дела на активните материали в електродите;

(6) Контролирайте количеството електролит, намалете количеството електролит и увеличете специфичната енергия на литиево-йонните батерии;

(7) Оптимизирайте структурата на батерията и намалете дела на раздели и опаковъчни материали в батерията.

Сред трите форми на батерии от цилиндрична, квадратна твърда обвивка и ламиниран лист с мека опаковка, батерията с мека опаковка има характеристиките на гъвкав дизайн, леко тегло, ниско вътрешно съпротивление, не е лесна за експлодиране и много цикли и специфична енергия производителността на батерията също е изключителна. Следователно ламинираната мека захранваща литиево-йонна батерия е гореща тема за изследване в момента. В процеса на проектиране на модела на ламинирана мека захранваща литиево-йонна батерия, основните променливи могат да бъдат разделени на следните шест аспекта. Първите три могат да се считат за определени от нивото на електрохимичната система и правилата за проектиране, а последните три обикновено са дизайнът на модела. променливи от интерес.

(1) Материали и формулировки за положителни и отрицателни електроди;

(2) Плътността на уплътняване на положителни и отрицателни електроди;

(3) Съотношението на капацитета на отрицателния електрод (N) към капацитета на положителния електрод (P) (N/P);

(4) Броят на полюсните накрайници (равен на броя на положителните полюсни накрайници);

(5) Количество покритие на положителния електрод (въз основа на определяне на N/P, първо определете количеството на покритието на положителния електрод и след това определете количеството на покритието на отрицателния електрод);

(6) Едностранната площ на единичен положителен електрод (определя се от дължината и ширината на положителния електрод, когато се определят дължината и ширината на положителния електрод, се определя и размерът на отрицателния електрод, и размерът на клетката може да се определи).

Първо, според литературата [1], влиянието на броя на полюсните елементи, количеството покритие на положителния електрод и едностранната площ на единично парче положителен електрод върху специфичната енергия и енергийната плътност на батерията се обсъжда. Специфичната енергия (ES) на батерията може да бъде изразена с уравнение (1).

снимка

Във формула (1): x е броят на положителните електроди, съдържащи се в батерията; y е количеството на покритието на положителния електрод, kg/m2; z е едностранната площ на единичен положителен електрод, m2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) е енергията, която може да допринесе един полюсен елемент, Wh, формулата за изчисление е показана във формула (2).

снимка

Във формула (2): DAV е средното разрядно напрежение, V; PC е съотношението на масата на активния материал на положителния електрод към общата маса на активния материал на положителния електрод плюс проводящия агент и свързващо вещество, %; SCC е специфичният капацитет на активния материал на положителния електрод, Ah / kg; m(y, z) е масата на един стълб, кг, а формулата за изчисление е показана във формула (3).

снимка

Във формула (3): KCT е съотношението на общата площ на монолитния положителен електрод (сумата от площта на покритието и площта на фолиото) към едностранната площ на монолитния положителен електрод и е по-голямо от 1; TAL е дебелината на алуминиевия тококолектор, m; ρAl е плътността на алуминиевия токоприемник, kg/m3; KA е съотношението на общата площ на всеки отрицателен електрод към едностранната площ на единичен положителен електрод и е по-голямо от 1; TCu е дебелината на медния тококолектор, m; ρCu е медният токов колектор. Плътност, kg/m3; N/P е съотношението на капацитета на отрицателния електрод към капацитета на положителния електрод; PA е съотношението на масата на активния материал на отрицателния електрод към общата маса на активния материал на отрицателния електрод плюс проводящия агент и свързващо вещество, %; SCA е съотношението на активния материал на отрицателния електрод Капацитет, Ah/kg. M(x, y, z) е масата на неенергийното вещество, kg, формулата за изчисление е показана във формула (4)

снимка

Във формула (4): kAP е съотношението на алуминиево-пластмасовата площ към едностранната площ на единичния положителен електрод и е по-голямо от 1; SDAP е площната плътност на алуминиево-пластмасата, kg/m2; mTab е общата маса на положителния и отрицателния електроди, която може да се види от е константа; mTape е общата маса на лентата, която може да се разглежда като константа; kS е съотношението на общата площ на сепаратора към общата площ на листа на положителния електрод и е по-голямо от 1; SDS е площната плътност на сепаратора, kg/m2; kE е масата на електролита и батерията Съотношението на капацитета, коефициентът е положително число. Според това може да се заключи, че увеличаването на всеки единичен коефициент на x, y и z ще увеличи специфичната енергия на батерията.

За да се проучи значението на влиянието на броя на полюсните елементи, количеството на покритието на положителния електрод и едностранната площ на единичния положителен електрод върху специфичната енергия и енергийната плътност на батерията, електрохимичен система и правила за проектиране (тоест за определяне на материала и формулата на електрода, плътността на уплътняване и N/P и т.н.), и след това ортогонално комбинирайте всяко ниво от трите фактора, като например броя на елементите на полюса, количеството на покритието на положителен електрод и едностранната площ на единично парче положителен електрод, за да се сравни електродният материал, определен от определена група, и анализът на обхвата беше извършен върху изчислената специфична енергия и енергийна плътност на батерията въз основа на формула, уплътнена плътност и N/P. Резултатите от ортогоналното проектиране и изчисленията са показани в Таблица 1. Резултатите от ортогоналното проектиране бяха анализирани с помощта на метода на обхвата, а резултатите са показани на Фигура 1. Специфичната енергия и енергийната плътност на батерията нарастват монотонно с броя на полюсните елементи , количеството покритие на положителния електрод и едностранната площ на единичен положителен електрод. Сред трите фактора за броя на полюсните елементи, количеството покритие на положителния електрод и едностранната площ на единичен положителен електрод, количеството на покритието на положителния електрод има най-значимо влияние върху специфичната енергия на батерия; Сред трите фактора на едностранната площ, едностранната площ на монолитния катод има най-значително влияние върху енергийната плътност на батерията.

снимка

снимка

От фигура 1а може да се види, че специфичната енергия на батерията нараства монотонно с броя на полюсните елементи, количеството на катодното покритие и едностранната площ на катода от една част, което проверява правилността на теоретичният анализ в предходната част; най-значимият фактор, влияещ върху специфичната енергия на батерията, е положителното количество покритие. От фигура 1b може да се види, че енергийната плътност на батерията нараства монотонно с броя на полюсните елементи, количеството покритие на положителния електрод и едностранната площ на единичен положителен електрод, което също проверява правилността на предишния теоретичен анализ; най-значимият фактор, влияещ върху плътността на енергията на батерията, е едностранната площ на монолитния положителен електрод. Според горния анализ, за ​​да се подобри специфичната енергия на батерията, ключът е да се увеличи максимално количеството покритие на положителния електрод. След определяне на допустимата горна граница на количеството покритие на положителния електрод, коригирайте останалите нива на фактор, за да постигнете изискванията на клиента; За енергийната плътност на батерията е ключът да се увеличи колкото е възможно повече едностранната площ на монолитния положителен електрод. След като определите допустимата горна граница на едностранната площ на монолитния положителен електрод, коригирайте останалите нива на фактор, за да отговарят на изискванията на клиента.

Според това може да се заключи, че специфичната енергия и енергийната плътност на батерията монотонно се увеличават с броя на полюсните елементи, количеството покритие на положителния електрод и едностранната площ на единичен положителен електрод. Сред трите фактора за броя на полюсните елементи, количеството покритие на положителния електрод и едностранната площ на единичен положителен електрод, влиянието на количеството покритие на положителния електрод върху специфичната енергия на батерията е най-значимите; Сред трите фактора на едностранната площ, едностранната площ на монолитния катод има най-значително влияние върху енергийната плътност на батерията.

След това, според литературата [2], се обсъжда как да се сведе до минимум качеството на батерията, когато се изисква само капацитетът на батерията, а размерът на батерията и други показатели за ефективност не се изискват при определената материална система и технология на обработка ниво. Изчисляването на качеството на батерията с броя на положителните пластини и съотношението на положителните пластини като независими променливи е показано във формула (5).

снимка

Във формула (5), M(x, y) е общата маса на батерията; x е броят на положителните пластини в акумулатора; y е аспектното съотношение на положителните плочи (стойността му е равна на ширината, разделена на дължината, както е показано на фигура 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 са коефициенти и техните стойности се определят от 26 параметъра, свързани с капацитета на батерията, материалната система и нивото на технологията на обработка, вижте таблица 2. След като се определят параметрите в таблица 2 , всеки коефициент След това се определя, че връзката между 26-те параметъра и k1, k2, k3, k4, k5, k6 и k7 е много проста, но процесът на извеждане е много тромав. Чрез математически извличане на съобщението (5), чрез регулиране на броя на положителните пластини и съотношението на положителните пластини, може да се получи минималното качество на батерията, което може да бъде постигнато чрез дизайна на модела.

снимка

Фигура 2 Схематична диаграма на дължината и ширината на ламинираната батерия

Таблица 2 Проектни параметри на ламинирана клетка

снимка

В таблица 2 конкретната стойност е действителната стойност на параметъра на батерията с капацитет 50.3Ah. Съответните параметри определят, че k1, k2, k3, k4, k5, k6 и k7 са съответно 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609. , x е 21, y е 1.97006 (ширината на положителния електрод е 329 милиона, а дължината е 167 mm). След оптимизация, когато броят на положителния електрод е 51, качеството на батерията е най-малко.