TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech y otros equipos han logrado básicamente la investigación y el desarrollo de baterías de potencia de 300 Wh/kg. Además, todavía hay un gran número de unidades que llevan a cabo trabajos de desarrollo e investigación relacionados.

La composición de las baterías de iones de litio de embalaje flexible generalmente incluye electrodos positivos, electrodos negativos, separadores, electrolitos y otros materiales auxiliares necesarios, como pestañas, cintas y plásticos de aluminio. De acuerdo con las necesidades de la discusión, el autor de este artículo divide las sustancias en la batería de iones de litio de paquete blando en dos categorías: la combinación de la unidad de pieza polar y el material que no aporta energía. La unidad de pieza polar se refiere a un electrodo positivo más un electrodo negativo, y todos los electrodos positivos y El electrodo negativo pueden considerarse como una combinación de unidades de pieza polar compuestas por varias unidades de pieza polar; Las sustancias que no contribuyen a la energía se refieren a todas las demás sustancias, excepto la combinación de unidades de piezas polares, como diafragmas, electrolitos, terminales de polos, plásticos de aluminio, cintas protectoras y terminaciones. cinta, etc. Para las baterías LiMO 2 comunes (M = Co, Ni y Ni-Co-Mn, etc.)/sistema de carbono, la combinación de unidades de piezas polares determina la capacidad y la energía de la batería.

En la actualidad, para lograr el objetivo de 300 Wh/kg de energía específica de la masa de la batería, los métodos principales incluyen:

(1) Seleccione un sistema de material de alta capacidad, el electrodo positivo está hecho de ternario con alto contenido de níquel y el electrodo negativo está hecho de carbono de silicio;

(2) Diseño de electrolito de alto voltaje para mejorar el voltaje de corte de carga;

(3) optimizar la formulación de la suspensión de electrodos positivos y negativos y aumentar la proporción de material activo en el electrodo;

(4) Use una lámina de cobre y una lámina de aluminio más delgadas para reducir la proporción de colectores de corriente;

(5) aumentar la cantidad de revestimiento de los electrodos positivo y negativo, y aumentar la proporción de materiales activos en los electrodos;

(6) Controlar la cantidad de electrolito, reducir la cantidad de electrolito y aumentar la energía específica de las baterías de iones de litio;

(7) Optimice la estructura de la batería y reduzca la proporción de pestañas y materiales de embalaje en la batería.

Entre las tres formas de batería de lámina laminada cilíndrica, cuadrada y de paquete blando, la batería de paquete blando tiene las características de diseño flexible, peso ligero, baja resistencia interna, no es fácil de explotar y muchos ciclos, y la energía específica El rendimiento de la batería también es sobresaliente. Por lo tanto, la batería laminada de iones de litio de potencia de paquete blando es un tema de investigación candente en la actualidad. En el proceso de diseño del modelo de batería laminada de iones de litio de potencia de paquete blando, las principales variables se pueden dividir en los siguientes seis aspectos. Se puede considerar que los tres primeros están determinados por el nivel del sistema electroquímico y las reglas de diseño, y los tres últimos suelen ser el diseño del modelo. variables de interes.

(1) Formulaciones y materiales de electrodos positivos y negativos;

(2) La densidad de compactación de los electrodos positivo y negativo;

(3) La relación entre la capacidad del electrodo negativo (N) y la capacidad del electrodo positivo (P) (N/P);

(4) El número de unidades de piezas polares (igual al número de piezas polares positivas);

(5) Cantidad de recubrimiento del electrodo positivo (sobre la base de la determinación de N/P, primero determine la cantidad de recubrimiento del electrodo positivo y luego determine la cantidad de recubrimiento del electrodo negativo);

(6) El área de un solo lado de un solo electrodo positivo (determinado por la longitud y el ancho del electrodo positivo, cuando se determinan la longitud y el ancho del electrodo positivo, también se determina el tamaño del electrodo negativo, y se puede determinar el tamaño de la celda).

Primero, de acuerdo con la literatura [1], la influencia del número de unidades de pieza polar, la cantidad de recubrimiento de electrodo positivo y el área de un solo lado de una sola pieza de electrodo positivo sobre la energía específica y la densidad de energía del Se discute la batería. La energía específica (ES) de la batería se puede expresar mediante la ecuación (1).

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En la fórmula (1): x es el número de electrodos positivos contenidos en la batería; y es la cantidad de revestimiento del electrodo positivo, kg/m2; z es el área de un solo lado de un solo electrodo positivo, m2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) es la energía que puede aportar una unidad de pieza polar, Wh, la fórmula de cálculo se muestra en la fórmula (2).

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En la fórmula (2): DAV es el voltaje de descarga promedio, V; PC es la relación entre la masa del material activo del electrodo positivo y la masa total del material activo del electrodo positivo más el agente conductor y el aglutinante, %; SCC es la capacidad específica del material activo del electrodo positivo, Ah/kg; m(y, z) es la masa de una unidad de pieza polar, kg, y la fórmula de cálculo se muestra en la fórmula (3).

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En la fórmula (3): KCT es la relación entre el área total del electrodo positivo monolítico (la suma del área de recubrimiento y el área de lámina de lengüeta) al área de un solo lado del electrodo positivo monolítico, y es mayor que 1; TAl es el espesor del colector de corriente de aluminio, m; ρAl es la densidad del colector de corriente de aluminio, kg/m3; KA es la relación entre el área total de cada electrodo negativo y el área de un solo lado de un solo electrodo positivo, y es mayor que 1; TCu es el espesor del colector de corriente de cobre, m; ρCu es el colector de corriente de cobre. Densidad, kg/m3; N/P es la relación entre la capacidad del electrodo negativo y la capacidad del electrodo positivo; PA es la relación entre la masa del material activo del electrodo negativo y la masa total del material activo del electrodo negativo más el agente conductor y el aglutinante, %; SCA es la relación de capacidad de material activo del electrodo negativo, Ah/kg. M(x, y, z) es la masa de la sustancia que no aporta energía, kg, la fórmula de cálculo se muestra en la fórmula (4)

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En la fórmula (4): kAP es la relación del área de aluminio y plástico al área de un solo lado del electrodo positivo único, y es mayor que 1; SDAP es la densidad superficial del aluminio-plástico, kg/m2; mTab ​​es la masa total de los electrodos positivo y negativo, que se puede ver desde es una constante; mTape es la masa total de la cinta, que se puede considerar como una constante; kS es la relación entre el área total del separador y el área total de la lámina de electrodo positivo, y es mayor que 1; SDS es la densidad superficial del separador, kg/m2; kE es la masa del electrolito y la batería La relación de la capacidad, el coeficiente es un número positivo. De acuerdo con esto, se puede concluir que el aumento de cualquier factor único de x, y y z aumentará la energía específica de la batería.

Para estudiar la importancia de la influencia del número de unidades de pieza polar, la cantidad de recubrimiento del electrodo positivo y el área de un solo lado del electrodo positivo único en la energía específica y la densidad de energía de la batería, un electroquímico sistema y reglas de diseño (es decir, para determinar el material y la fórmula del electrodo, la densidad de compactación y N/P, etc.), y luego combinar ortogonalmente cada nivel de los tres factores, como el número de unidades de pieza polar, la cantidad de recubrimiento de electrodo positivo, y el área de un solo lado de una sola pieza de electrodo positivo, para comparar el material del electrodo determinado por un determinado grupo y el análisis de rango se realizó sobre la energía específica calculada y la densidad de energía de la batería en función de la fórmula, densidad compactada y N/P. Los resultados del cálculo y el diseño ortogonal se muestran en la Tabla 1. Los resultados del diseño ortogonal se analizaron utilizando el método de rango, y los resultados se muestran en la Figura 1. La energía específica y la densidad de energía de la batería aumentan monótonamente con el número de unidades de pieza polar , la cantidad de recubrimiento de electrodo positivo y el área de un solo lado de un electrodo positivo de una sola pieza. Entre los tres factores del número de unidades de pieza polar, la cantidad de recubrimiento de electrodo positivo y el área de un solo lado de un solo electrodo positivo, la cantidad de recubrimiento de electrodo positivo tiene el impacto más significativo en la energía específica del batería; Entre los tres factores del área de un solo lado, el área de un solo lado del cátodo monolítico tiene el impacto más significativo en la densidad de energía de la batería.

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En la Figura 1a se puede ver que la energía específica de la batería aumenta de forma monótona con el número de unidades de pieza polar, la cantidad de recubrimiento del cátodo y el área de un solo lado del cátodo de una sola pieza, lo que verifica la exactitud de el análisis teórico en la parte anterior; el factor más significativo que afecta la energía específica de la batería es la cantidad de revestimiento positivo. En la Figura 1b se puede ver que la densidad de energía de la batería aumenta de manera monótona con el número de unidades de pieza polar, la cantidad de revestimiento de electrodo positivo y el área de un solo lado de un solo electrodo positivo, lo que también verifica la corrección. del análisis teórico anterior; el factor más importante que afecta la densidad de energía de la batería es el área de un solo lado del electrodo positivo monolítico. De acuerdo con el análisis anterior, para mejorar la energía específica de la batería, la clave es aumentar la cantidad de recubrimiento del electrodo positivo tanto como sea posible. Después de determinar el límite superior aceptable de la cantidad de recubrimiento del electrodo positivo, ajuste los niveles de factor restantes para lograr los requisitos del cliente; Para la densidad de energía de la batería, es clave aumentar el área de un solo lado del electrodo positivo monolítico tanto como sea posible. Después de determinar el límite superior aceptable del área de un solo lado del electrodo positivo monolítico, ajuste los niveles de factor restantes para cumplir con los requisitos del cliente.

De acuerdo con esto, se puede concluir que la energía específica y la densidad de energía de la batería aumentan monótonamente con el número de unidades de pieza polar, la cantidad de recubrimiento de electrodo positivo y el área de un solo lado de un solo electrodo positivo. Entre los tres factores del número de unidades de pieza polar, la cantidad de recubrimiento de electrodo positivo y el área de un solo lado de un solo electrodo positivo, el impacto de la cantidad de recubrimiento de electrodo positivo en la energía específica de la batería es lo más significativo; Entre los tres factores del área de un solo lado, el área de un solo lado del cátodo monolítico tiene el impacto más significativo en la densidad de energía de la batería.

Luego, de acuerdo con la literatura [2], se analiza cómo minimizar la calidad de la batería cuando solo se requiere la capacidad de la batería, y el tamaño de la batería y otros indicadores de rendimiento no se requieren bajo el sistema de materiales y la tecnología de procesamiento determinados. nivel. El cálculo de la calidad de la batería con el número de placas positivas y la relación de aspecto de las placas positivas como variables independientes se muestra en la fórmula (5).

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En la fórmula (5), M(x, y) es la masa total de la batería; x es el número de placas positivas en la batería; y es la relación de aspecto de las placas positivas (su valor es igual al ancho dividido por el largo, como se muestra en la Figura 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 son coeficientes y sus valores están determinados por 26 parámetros relacionados con la capacidad de la batería, el sistema de materiales y el nivel de tecnología de procesamiento, consulte la Tabla 2. Después de determinar los parámetros de la Tabla 2 , cada coeficiente Luego se determina que la relación entre los 26 parámetros y k1, k2, k3, k4, k5, k6 y k7 es muy simple, pero el proceso de derivación es muy engorroso. Derivando matemáticamente el anuncio (5), ajustando el número de placas positivas y la relación de aspecto de las placas positivas, se puede obtener la calidad de batería mínima que se puede lograr mediante el diseño del modelo.

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Figura 2 Diagrama esquemático del largo y ancho de la batería laminada

Tabla 2 Parámetros de diseño de celdas laminadas

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En la Tabla 2, el valor específico es el valor del parámetro real de la batería con una capacidad de 50.3 Ah. Los parámetros relevantes determinan que k1, k2, k3, k4, k5, k6 y k7 son 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609 respectivamente. , x es 21, y es 1.97006 (el ancho del electrodo positivo es 329 mln y la longitud es 167 mm). Después de la optimización, cuando el número de electrodos positivos es 51, la calidad de la batería es mínima.