TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech and other teams have basically achieved the research and development of 300 Wh/kg power batteries. In addition, there are still a large number of units carrying out related development and research work.

Die Zusammensetzung von Lithium-Ionen-Batterien mit flexibler Verpackung umfasst normalerweise positive Elektroden, negative Elektroden, Separatoren, Elektrolyte und andere notwendige Hilfsmaterialien wie Laschen, Bänder und Aluminiumkunststoffe. Entsprechend den Erfordernissen der Diskussion teilt der Autor dieses Papiers die Substanzen in der Soft-Pack-Lithium-Ionen-Batterie in zwei Kategorien ein: die Kombination der Polschuheinheit und das nicht energieliefernde Material. Die Polstückeinheit bezieht sich auf eine positive Elektrode plus eine negative Elektrode, und alle positiven Elektroden und die negative Elektrode können als eine Kombination von Polstückeinheiten angesehen werden, die aus mehreren Polstückeinheiten besteht; nicht zur Energie beitragende Stoffe beziehen sich auf alle anderen Stoffe mit Ausnahme der Kombination von Polschuheinheiten, wie z. B. Membranen, Elektrolyte, Polschuhe, Aluminiumkunststoffe, Schutzbänder und Endverschlüsse. Band usw. Bei den üblichen LiMO 2 (M = Co, Ni und Ni-Co-Mn usw.)/Kohle-System-Li-Ion-Batterien bestimmt die Kombination der Polschuheinheiten die Kapazität und Energie der Batterie.

Um das Ziel von 300 Wh/kg spezifischer Energie der Batteriemasse zu erreichen, umfassen die wichtigsten Methoden derzeit:

(1) Wählen Sie ein Materialsystem mit hoher Kapazität, die positive Elektrode besteht aus ternärem Nickel und die negative Elektrode aus Siliziumkohlenstoff;

(2) Entwurf eines Hochspannungselektrolyten zur Verbesserung der Ladeschlussspannung;

(3) Optimieren Sie die Formulierung der positiven und negativen Elektrodenaufschlämmung und erhöhen Sie den Anteil an aktivem Material in der Elektrode;

(4) Verwenden Sie dünnere Kupferfolie und Aluminiumfolie, um den Anteil an Stromkollektoren zu reduzieren;

(5) Erhöhung der Beschichtungsmenge der positiven und negativen Elektroden und Erhöhung des Anteils an aktiven Materialien in den Elektroden;

(6) Kontrollieren Sie die Elektrolytmenge, reduzieren Sie die Elektrolytmenge und erhöhen Sie die spezifische Energie von Lithium-Ionen-Batterien;

(7) Den Aufbau der Batterie optimieren und den Anteil an Laschen und Verpackungsmaterialien in der Batterie reduzieren.

Unter den drei Batterieformen aus zylindrischer, quadratischer Hartschale und laminiertem Softpack-Blech hat die Softpack-Batterie die Eigenschaften flexibles Design, geringes Gewicht, geringer Innenwiderstand, nicht leicht zu explodieren, viele Zyklen und die spezifische Energie Auch die Leistung des Akkus ist hervorragend. Daher ist die laminierte Softpack-Power-Lithium-Ionen-Batterie derzeit ein heißes Forschungsthema. Beim Modelldesignprozess einer laminierten Softpack-Lithium-Ionen-Batterie können die Hauptvariablen in die folgenden sechs Aspekte unterteilt werden. Die ersten drei können als durch das Niveau des elektrochemischen Systems und die Designregeln bestimmt angesehen werden, und die letzten drei sind normalerweise das Modelldesign. Variablen von Interesse.

(1) Materialien und Formulierungen für positive und negative Elektroden;

(2) die Verdichtungsdichte von positiven und negativen Elektroden;

(3) das Verhältnis der Kapazität der negativen Elektrode (N) zur Kapazität der positiven Elektrode (P) (N/P);

(4) Die Anzahl der Polstückeinheiten (gleich der Anzahl der positiven Polstücke);

(5) Beschichtungsmenge der positiven Elektrode (bestimmen Sie auf der Grundlage der N/P-Bestimmung zuerst die Beschichtungsmenge der positiven Elektrode und dann die Beschichtungsmenge der negativen Elektrode);

(6) Die einseitige Fläche einer einzelnen positiven Elektrode (bestimmt durch die Länge und Breite der positiven Elektrode, wenn die Länge und Breite der positiven Elektrode bestimmt werden, wird auch die Größe der negativen Elektrode bestimmt, und die Größe der Zelle kann bestimmt werden).

Erstens wird laut Literatur [1] der Einfluss der Anzahl der Polstückeinheiten, der Menge der positiven Elektrodenbeschichtung und der einseitigen Fläche einer einzelnen positiven Elektrode auf die spezifische Energie und Energiedichte der Batterie diskutiert. Die spezifische Energie (ES) der Batterie kann durch Gleichung (1) ausgedrückt werden.

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In Formel (1): x ist die Anzahl der in der Batterie enthaltenen positiven Elektroden; y ist die Beschichtungsmenge der positiven Elektrode, kg/m²; z ist die einseitige Fläche einer einzelnen positiven Elektrode, m2; x∈N*, y > 2, z > 0; e(y, z) ist die Energie, die eine Polschuheinheit beitragen kann, Wh, die Berechnungsformel ist in Formel (0) gezeigt.

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In Formel (2): DAV ist die durchschnittliche Entladespannung V; PC ist das Verhältnis der Masse des Positivelektroden-Aktivmaterials zur Gesamtmasse des Positivelektroden-Aktivmaterials plus Leitmittel und Bindemittel, %; SCC ist die spezifische Kapazität des aktiven Materials der positiven Elektrode, Ah/kg; m(y, z) ist die Masse einer Polstückeinheit, kg, und die Berechnungsformel ist in Formel (3) gezeigt.

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In Formel (3): KCT ist das Verhältnis der Gesamtfläche der monolithischen positiven Elektrode (die Summe aus der Beschichtungsfläche und der Laschenfolienfläche) zur einseitigen Fläche der monolithischen positiven Elektrode und ist größer als 1; TAl ist die Dicke des Aluminiumstromkollektors, m; ρAl ist die Dichte des Aluminiumstromkollektors, kg/m3; KA ist das Verhältnis der Gesamtfläche jeder negativen Elektrode zur einseitigen Fläche einer einzelnen positiven Elektrode und ist größer als 1; TCu ist die Dicke des Kupferstromkollektors, m; ρCu ist der Kupferstromkollektor. Dichte, kg/m3; N/P ist das Verhältnis der Kapazität der negativen Elektrode zur Kapazität der positiven Elektrode; PA ist das Verhältnis der Masse des Aktivmaterials der negativen Elektrode zur Gesamtmasse des Aktivmaterials der negativen Elektrode plus Leitmittel und Bindemittel, %; SCA ist das Verhältnis der Kapazität des aktiven Materials der negativen Elektrode, Ah/kg. M(x, y, z) ist die Masse des nicht energieliefernden Stoffes, kg, die Berechnungsformel ist in Formel (4) dargestellt

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In Formel (4): kAP ist das Verhältnis der Aluminium-Kunststoff-Fläche zur einseitigen Fläche der einzelnen positiven Elektrode und ist größer als 1; SDAP ist die Flächendichte des Aluminium-Kunststoffs, kg/m2; mTab ​​ist die Gesamtmasse der positiven und negativen Elektroden, die aus ersichtlich ist, ist eine Konstante; mBand ist die Gesamtmasse des Bandes, die als Konstante angesehen werden kann; kS ist das Verhältnis der Gesamtfläche des Separators zur Gesamtfläche der positiven Elektrodenfolie und ist größer als 1; SDS ist die Flächendichte des Separators, kg/m2; kE ist die Masse des Elektrolyten und der Batterie das Verhältnis der Kapazität, der Koeffizient ist eine positive Zahl. Daraus kann geschlossen werden, dass die Erhöhung jedes einzelnen Faktors von x, y und z die spezifische Energie der Batterie erhöht.

Um die Bedeutung des Einflusses der Anzahl der Polschuheinheiten, der Beschichtungsmenge der positiven Elektrode und der einseitigen Fläche der einzelnen positiven Elektrode auf die spezifische Energie und Energiedichte der Batterie zu untersuchen, wird eine Elektrochemikalie verwendet System- und Konstruktionsregeln (d. h. um Elektrodenmaterial und -formel, Verdichtungsdichte und N/P usw. zu bestimmen) und dann orthogonal jede Ebene der drei Faktoren zu kombinieren, wie z. B. die Anzahl der Polschuheinheiten, die Menge an positive Elektrodenbeschichtung und die einseitige Fläche einer einzelnen positiven Elektrode, um das Elektrodenmaterial zu vergleichen, das von einer bestimmten Gruppe bestimmt wurde, und die Reichweitenanalyse wurde auf der Grundlage der berechneten spezifischen Energie und Energiedichte der Batterie durchgeführt Formel, Kompaktdichte und N/P. Das orthogonale Design und die Berechnungsergebnisse sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Ergebnisse des orthogonalen Designs wurden unter Verwendung der Bereichsmethode analysiert, und die Ergebnisse sind in Abbildung 1 gezeigt. Die spezifische Energie und Energiedichte der Batterie steigen monoton mit der Anzahl der Polstückeinheiten , die Menge der positiven Elektrodenbeschichtung und die einseitige Fläche einer einteiligen positiven Elektrode. Unter den drei Faktoren der Anzahl der Polschuheinheiten, der Menge der Beschichtung der positiven Elektrode und der einseitigen Fläche einer einzelnen positiven Elektrode hat die Menge der Beschichtung der positiven Elektrode den größten Einfluss auf die spezifische Energie der Batterie; Unter den drei Faktoren der einseitigen Fläche hat die einseitige Fläche der monolithischen Kathode den größten Einfluss auf die Energiedichte der Batterie.

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Aus Abbildung 1a ist ersichtlich, dass die spezifische Energie der Batterie mit der Anzahl der Polschuheinheiten, der Menge der Kathodenbeschichtung und der einseitigen Fläche der einteiligen Kathode monoton ansteigt, was die Richtigkeit belegt die theoretische Analyse im vorherigen Teil; Der wichtigste Faktor, der die spezifische Energie der Batterie beeinflusst, ist die positive Beschichtungsmenge. Aus Abbildung 1b ist ersichtlich, dass die Energiedichte der Batterie monoton mit der Anzahl der Polschuheinheiten, der Menge der positiven Elektrodenbeschichtung und der einseitigen Fläche einer einzelnen positiven Elektrode ansteigt, was ebenfalls die Richtigkeit belegt der vorangegangenen theoretischen Analyse; Der wichtigste Faktor, der die Energiedichte der Batterie beeinflusst, ist die einseitige Fläche der monolithischen positiven Elektrode. Gemäß der obigen Analyse ist es zur Verbesserung der spezifischen Energie der Batterie der Schlüssel, die Beschichtungsmenge der positiven Elektrode so weit wie möglich zu erhöhen. Nachdem Sie die akzeptable Obergrenze der positiven Elektrodenbeschichtungsmenge bestimmt haben, passen Sie die verbleibenden Faktorstufen an, um die Anforderungen des Kunden zu erfüllen; Für die Energiedichte der Batterie ist es der Schlüssel, die einseitige Fläche der monolithischen positiven Elektrode so weit wie möglich zu vergrößern. Nachdem Sie die akzeptable Obergrenze des einseitigen Bereichs der monolithischen positiven Elektrode bestimmt haben, passen Sie die verbleibenden Faktorstufen an die Anforderungen des Kunden an.

Daraus lässt sich schließen, dass die spezifische Energie und Energiedichte der Batterie mit der Anzahl der Polschuheinheiten, der Menge der positiven Elektrodenbeschichtung und der einseitigen Fläche einer einzelnen positiven Elektrode monoton steigen. Unter den drei Faktoren der Anzahl der Polschuheinheiten, der Menge der Beschichtung der positiven Elektrode und der einseitigen Fläche einer einzelnen positiven Elektrode ist der Einfluss der Menge der Beschichtung der positiven Elektrode auf die spezifische Energie der Batterie das bedeutendste; Unter den drei Faktoren der einseitigen Fläche hat die einseitige Fläche der monolithischen Kathode den größten Einfluss auf die Energiedichte der Batterie.

Dann wird gemäß Literatur [2] diskutiert, wie die Qualität der Batterie minimiert werden kann, wenn nur die Kapazität der Batterie erforderlich ist und die Batteriegröße und andere Leistungsindikatoren unter dem ermittelten Materialsystem und der Verarbeitungstechnologie nicht erforderlich sind Stufe. Die Berechnung der Batteriequalität mit der Anzahl positiver Platten und dem Aspektverhältnis positiver Platten als unabhängige Variablen ist in Formel (5) dargestellt.

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In Formel (5) ist M(x, y) die Gesamtmasse der Batterie; x ist die Anzahl der positiven Platten in der Batterie; y ist das Seitenverhältnis der positiven Platten (sein Wert ist gleich der Breite dividiert durch die Länge, wie in Fig. 2 gezeigt); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 sind Koeffizienten, und ihre Werte werden durch 26 Parameter in Bezug auf Batteriekapazität, Materialsystem und Verarbeitungstechnologieniveau bestimmt, siehe Tabelle 2. Nachdem die Parameter in Tabelle 2 bestimmt wurden , jeder Koeffizient. Es wird dann bestimmt, dass die Beziehung zwischen den 26 Parametern und k1, k2, k3, k4, k5, k6 und k7 sehr einfach ist, aber der Ableitungsprozess sehr umständlich ist. Durch mathematisches Herleiten der Ansage (5), durch Anpassen der Anzahl positiver Platten und des Aspektverhältnisses positiver Platten, kann die durch die Modellauslegung erreichbare minimale Batteriequalität erhalten werden.

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Abbildung 2 Schematische Darstellung der Länge und Breite der laminierten Batterie

Tabelle 2 Konstruktionsparameter der laminierten Zelle

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In Tabelle 2 ist der spezifische Wert der tatsächliche Parameterwert der Batterie mit einer Kapazität von 50.3 Ah. Die relevanten Parameter bestimmen, dass k1, k2, k3, k4, k5, k6 und k7 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554 bzw. 921.609 sind. , x ist 21, y ist 1.97006 (die Breite der positiven Elektrode ist 329 mm und die Länge ist 167 mm). Wenn nach der Optimierung die Anzahl der positiven Elektroden 51 beträgt, ist die Batteriequalität am geringsten.