TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech og andre teams har grundlæggende opnået forskning og udvikling af 300 Wh/kg strømbatterier. Derudover er der stadig et stort antal enheder, der udfører relateret udviklings- og forskningsarbejde.

Sammensætningen af ​​fleksible lithium-ion-batterier omfatter normalt positive elektroder, negative elektroder, separatorer, elektrolytter og andre nødvendige hjælpematerialer, såsom tapper, tape og aluminiumsplast. I henhold til diskussionens behov opdeler forfatteren af ​​denne artikel stofferne i softpack lithium-ion-batteriet i to kategorier: kombinationen af ​​polstykket og det ikke-energi-bidragende materiale. Polstykkeenheden refererer til en positiv elektrode plus en negativ elektrode, og alle de positive elektroder og Den negative elektrode kan betragtes som en kombination af polstykkeenheder sammensat af flere polstykkeenheder; Ikke-medvirkende energistoffer refererer til alle andre stoffer undtagen kombinationen af ​​polstykke-enheder, såsom membraner, elektrolytter, polflig, aluminiumsplast, beskyttelsestape og afslutninger. tape osv. For de almindelige LiMO 2 (M = Co, Ni og Ni-Co-Mn, etc.)/kulstofsystem Li-ion batterier, bestemmer kombinationen af ​​polstykke-enheder batteriets kapacitet og energi.

På nuværende tidspunkt, for at nå målet om 300Wh/kg batterimassespecifik energi, omfatter de vigtigste metoder:

(1) Vælg et materialesystem med høj kapacitet, den positive elektrode er lavet af ternær høj nikkel, og den negative elektrode er lavet af siliciumcarbon;

(2) Design højspændingselektrolyt for at forbedre ladningsafskæringsspændingen;

(3) Optimer formuleringen af ​​positiv og negativ elektrodeopslæmning og øg andelen af ​​aktivt materiale i elektroden;

(4) Brug tyndere kobberfolie og aluminiumsfolie for at reducere andelen af ​​strømaftagere;

(5) Øg belægningsmængden af ​​de positive og negative elektroder, og øg andelen af ​​aktive materialer i elektroderne;

(6) Kontroller mængden af ​​elektrolyt, reducer mængden af ​​elektrolyt og øg den specifikke energi af lithium-ion-batterier;

(7) Optimer batteriets struktur og reducer andelen af ​​faner og emballagematerialer i batteriet.

Among the three battery forms of cylindrical, square hard shell and soft-pack laminated sheet, the soft-pack battery has the characteristics of flexible design, light weight, low internal resistance, not easy to explode, and many cycles, and the specific energy performance of the battery is also outstanding. Therefore, the laminated soft-pack power lithium-ion battery is a hot research topic at present. In the model design process of laminated soft-pack power lithium-ion battery, the main variables can be divided into the following six aspects. The first three can be considered to be determined by the level of the electrochemical system and design rules, and the latter three are usually the model design. variables of interest.

(1) Positive og negative elektrodematerialer og formuleringer;

(2) komprimeringstætheden af ​​positive og negative elektroder;

(3) The ratio of negative electrode capacity (N) to positive electrode capacity (P) (N/P);

(4) Antallet af polstykkeenheder (lig med antallet af positive polstykker);

(5) Positiv elektrodebelægningsmængde (på grundlag af N/P-bestemmelse, bestemme først den positive elektrodebelægningsmængde og derefter den negative elektrodebelægningsmængde);

(6) Det enkeltsidede område af en enkelt positiv elektrode (bestemt af længden og bredden af ​​den positive elektrode, når længden og bredden af ​​den positive elektrode bestemmes, bestemmes størrelsen af ​​den negative elektrode også, og cellens størrelse kan bestemmes).

For det første, ifølge litteraturen [1], indflydelsen af ​​antallet af polstykkeenheder, mængden af ​​positiv elektrodebelægning og enkeltsidearealet af et enkelt stykke positiv elektrode på den specifikke energi og energitæthed af batteri diskuteres. Batteriets specifikke energi (ES) kan udtrykkes ved ligning (1).

billede

I formel (1): x er antallet af positive elektroder indeholdt i batteriet; y er belægningsmængden af ​​den positive elektrode, kg/m2; z er det enkeltsidede areal af en enkelt positiv elektrode, m2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) er den energi som en polstykkeenhed kan bidrage med, Wh, beregningsformlen er vist i formel (2).

billede

I formel (2): DAV er den gennemsnitlige afladningsspænding, V; PC er forholdet mellem massen af ​​det positive elektrode aktive materiale og den samlede masse af det positive elektrode aktive materiale plus ledende middel og bindemiddel, %; SCC er den specifikke kapacitet af det positive elektrode aktive materiale, Ah / kg; m(y, z) er massen af ​​en polstykkeenhed, kg, og beregningsformlen er vist i formel (3).

billede

In formula (3): KCT is the ratio of the total area of ​​the monolithic positive electrode (the sum of the coating area and the tab foil area) to the single-sided area of ​​the monolithic positive electrode, and is greater than 1; TAl is the thickness of the aluminum current collector, m; ρAl is the density of the aluminum current collector, kg/m3; KA is the ratio of the total area of ​​each negative electrode to the single-sided area of ​​a single positive electrode, and is greater than 1; TCu is the thickness of the copper current collector, m; ρCu is the copper current collector. Density, kg/m3; N/P is the ratio of negative electrode capacity to positive electrode capacity; PA is the ratio of negative electrode active material mass to the total mass of negative electrode active material plus conductive agent and binder, %; SCA is the ratio of negative electrode active material Capacity, Ah/kg. M(x, y, z) is the mass of the non-energy-contributing substance, kg, the calculation formula is shown in formula (4)

billede

I formel (4): kAP er forholdet mellem aluminium-plastområdet og det enkeltsidede område af den enkelte positive elektrode og er større end 1; SDAP er arealdensiteten af ​​aluminium-plasten, kg/m2; mTab er den samlede masse af de positive og negative elektroder, som kan ses ud fra en konstant; mTape er den samlede masse af båndet, som kan betragtes som en konstant; kS er forholdet mellem det samlede areal af separatoren og det samlede areal af det positive elektrodeark og er større end 1; SDS er arealdensiteten af ​​separatoren, kg/m2; kE er massen af ​​elektrolytten og batteriet Forholdet mellem kapaciteten, koefficienten er et positivt tal. Ifølge dette kan det konkluderes, at stigningen af ​​enhver enkelt faktor af x, y og z vil øge batteriets specifikke energi.

For at studere betydningen af ​​indflydelsen af ​​antallet af polstykkeenheder, belægningsmængden af ​​den positive elektrode og det enkeltsidede areal af den enkelte positive elektrode på batteriets specifikke energi og energitæthed, en elektrokemisk system- og designregler (det vil sige at bestemme elektrodematerialet og formel, komprimeringstæthed og N/P osv.), og derefter ortogonalt kombinere hvert niveau af de tre faktorer, såsom antallet af polstykkeenheder, mængden af positiv elektrodebelægning og det enkeltsidede område af et enkelt stykke positiv elektrode for at sammenligne elektrodematerialet bestemt af en bestemt gruppe, og rækkeviddeanalysen blev udført på den beregnede specifikke energi og energitæthed af batteriet baseret på formel, komprimeret densitet og N/P. Det ortogonale design og beregningsresultaterne er vist i tabel 1. De ortogonale designresultater blev analyseret ved hjælp af rækkeviddemetoden, og resultaterne er vist i figur 1. Batteriets specifikke energi og energitæthed stiger monotont med antallet af polstykkeenheder , mængden af ​​positiv elektrodebelægning og det enkeltsidede område af en positiv elektrode i et stykke. Blandt de tre faktorer af antallet af polstykkeenheder, mængden af ​​positiv elektrodebelægning og det enkeltsidede areal af en enkelt positiv elektrode, har mængden af ​​positiv elektrodebelægning den mest signifikante indvirkning på den specifikke energi af batteri; Blandt de tre faktorer i det enkeltsidede område af har det enkeltsidede område af den monolitiske katode den mest betydelige indflydelse på batteriets energitæthed.

billede

billede

Det kan ses af figur 1a, at batteriets specifikke energi stiger monotont med antallet af polstykkeenheder, mængden af ​​katodebelægning og det enkeltsidede areal af enkeltstykke katoden, hvilket verificerer rigtigheden af den teoretiske analyse i forrige del; den vigtigste faktor, der påvirker batteriets specifikke energi, er den positive belægningsmængde. Det kan ses fra figur 1b, at batteriets energitæthed stiger monotont med antallet af polstykkeenheder, mængden af ​​positiv elektrodebelægning og det enkeltsidede areal af en enkelt positiv elektrode, hvilket også verificerer korrektheden af den tidligere teoretiske analyse; den vigtigste faktor, der påvirker batteriets energitæthed, er det enkeltsidede område af den monolitiske positive elektrode. Ifølge ovenstående analyse, for at forbedre batteriets specifikke energi, er det nøglen at øge den positive elektrodebelægningsmængde så meget som muligt. Efter at have bestemt den acceptable øvre grænse for den positive elektrodebelægningsmængde, justeres de resterende faktorniveauer for at opnå kundens krav; For batteriets energitæthed er det nøglen at øge det enkeltsidede område af den monolitiske positive elektrode så meget som muligt. Efter at have bestemt den acceptable øvre grænse for det enkeltsidede område af den monolitiske positive elektrode, skal du justere de resterende faktorniveauer for at opfylde kundens krav.

Ifølge dette kan det konkluderes, at batteriets specifikke energi og energitæthed monotont stiger med antallet af polstykkeenheder, mængden af ​​positiv elektrodebelægning og det enkeltsidede areal af en enkelt positiv elektrode. Blandt de tre faktorer for antallet af polstykkeenheder, mængden af ​​positiv elektrodebelægning og det enkeltsidede område af en enkelt positiv elektrode, er indvirkningen af ​​mængden af ​​positiv elektrodebelægning på batteriets specifikke energi den mest betydningsfulde; Blandt de tre faktorer i det enkeltsidede område af har det enkeltsidede område af den monolitiske katode den mest betydelige indflydelse på batteriets energitæthed.

Derefter diskuteres det ifølge litteraturen [2], hvordan man kan minimere batteriets kvalitet, når kun batteriets kapacitet er påkrævet, og batteristørrelsen og andre ydeevneindikatorer ikke er nødvendige under det bestemte materialesystem og forarbejdningsteknologi. niveau. Beregningen af ​​batterikvaliteten med antallet af positive plader og billedformatet af positive plader som uafhængige variabler er vist i formel (5).

billede

I formel (5) er M(x, y) batteriets samlede masse; x er antallet af positive plader i batteriet; y er størrelsesforholdet af de positive plader (dens værdi er lig med bredden divideret med længden, som vist i figur 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 er koefficienter, og deres værdier er bestemt af 26 parametre relateret til batterikapacitet, materialesystem og procesteknologiniveau, se tabel 2. Efter parametrene i tabel 2 er bestemt , hver koefficient Det bestemmes så, at forholdet mellem de 26 parametre og k1, k2, k3, k4, k5, k6 og k7 er meget simpelt, men udledningsprocessen er meget besværlig. Ved matematisk at udlede meddelelsen (5), ved at justere antallet af positive plader og sideforholdet for positive plader, kan den minimale batterikvalitet, der kan opnås ved modeldesignet, opnås.

billede

Figur 2 Skematisk diagram af længden og bredden af ​​det laminerede batteri

Tabel 2 Designparametre for laminerede celler

billede

I tabel 2 er den specifikke værdi den aktuelle parameterværdi for batteriet med en kapacitet på 50.3Ah. De relevante parametre bestemmer, at k1, k2, k3, k4, k5, k6 og k7 er henholdsvis 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609. , x er 21, y er 1.97006 (bredden af ​​den positive elektrode er 329 mln, og længden er 167 mm). Efter optimering, når antallet af positive elektroder er 51, er batterikvaliteten den mindste.