تیم‌های TianJinlishen، Guoxuan Hi-Tech و سایر تیم‌ها اساساً به تحقیق و توسعه باتری‌های 300 Wh/kg رسیده‌اند. علاوه بر این، هنوز تعداد زیادی واحد در حال انجام کارهای توسعه و تحقیقات مرتبط هستند.

ترکیب باتری‌های لیتیوم یون بسته‌بندی انعطاف‌پذیر معمولاً شامل الکترودهای مثبت، الکترودهای منفی، جداکننده‌ها، الکترولیت‌ها و سایر مواد کمکی ضروری مانند زبانه‌ها، نوارها و پلاستیک‌های آلومینیومی است. با توجه به نیاز بحث، نویسنده این مقاله مواد موجود در باتری لیتیوم یون بسته نرم را به دو دسته تقسیم می کند: ترکیبی از واحد قطعه قطبی و مواد غیر کمک کننده انرژی. واحد قطعه قطبی به یک الکترود مثبت به اضافه یک الکترود منفی اشاره دارد و تمام الکترودهای مثبت و الکترود منفی را می توان ترکیبی از واحدهای قطعه قطب متشکل از چندین واحد قطعه قطبی در نظر گرفت. مواد انرژی غیر کمک کننده به همه مواد دیگر به جز ترکیبی از واحدهای قطعه قطبی، مانند دیافراگم، الکترولیت ها، تیرهای قطب، پلاستیک های آلومینیومی، نوارهای محافظ و پایانه ها اطلاق می شود. نوار و غیره. برای باتری های Li-ion معمولی LiMO 2 (M = Co، Ni و Ni-Co-Mn، و غیره) / سیستم کربن، ترکیب واحدهای قطعه قطب ظرفیت و انرژی باتری را تعیین می کند.

در حال حاضر، برای دستیابی به هدف 300 وات ساعت بر کیلوگرم انرژی ویژه جرم باتری، روش های اصلی عبارتند از:

(1) یک سیستم مواد با ظرفیت بالا را انتخاب کنید، الکترود مثبت از سه تایی نیکل بالا و الکترود منفی از کربن سیلیکون ساخته شده است.

(2) طراحی الکترولیت ولتاژ بالا برای بهبود ولتاژ قطع شارژ.

(3) بهینه سازی فرمول دوغاب الکترود مثبت و منفی و افزایش نسبت مواد فعال در الکترود.

(4) از فویل مسی نازک تر و فویل آلومینیومی برای کاهش نسبت کلکتورهای فعلی استفاده کنید.

(5) مقدار پوشش الکترودهای مثبت و منفی را افزایش دهید و نسبت مواد فعال در الکترودها را افزایش دهید.

(6) مقدار الکترولیت را کنترل کنید، مقدار الکترولیت را کاهش دهید و انرژی ویژه باتری های لیتیوم یون را افزایش دهید.

(7) ساختار باتری را بهینه کنید و نسبت زبانه ها و مواد بسته بندی در باتری را کاهش دهید.

در میان سه شکل باتری استوانه ای، پوسته سخت مربعی و ورق لمینت شده با بسته نرم، باتری بسته نرم دارای ویژگی های طراحی انعطاف پذیر، وزن سبک، مقاومت داخلی کم، عدم انفجار آسان و چرخه های زیاد و انرژی خاص است. عملکرد باتری نیز فوق العاده است. بنابراین، باتری لیتیوم یونی با بسته نرم چند لایه یک موضوع تحقیقاتی داغ در حال حاضر است. در فرآیند طراحی مدل باتری لیتیوم یونی با بسته نرم چند لایه، متغیرهای اصلی را می توان به شش جنبه زیر تقسیم کرد. سه مورد اول را می توان با سطح سیستم الکتروشیمیایی و قوانین طراحی تعیین کرد و سه مورد آخر معمولاً طراحی مدل هستند. متغیرهای مورد علاقه

(1) مواد و فرمولاسیون الکترود مثبت و منفی؛

(2) چگالی تراکم الکترودهای مثبت و منفی؛

(3) نسبت ظرفیت الکترود منفی (N) به ظرفیت الکترود مثبت (P) (N/P).

(4) تعداد واحدهای قطعه قطب (برابر تعداد قطعات قطب مثبت).

(5) مقدار پوشش الکترود مثبت (بر اساس تعیین N/P، ابتدا مقدار پوشش الکترود مثبت را تعیین کنید و سپس مقدار پوشش الکترود منفی را تعیین کنید).

(6) ناحیه یک طرفه یک الکترود مثبت منفرد (تعیین شده توسط طول و عرض الکترود مثبت، زمانی که طول و عرض الکترود مثبت تعیین می شود، اندازه الکترود منفی نیز تعیین می شود، و اندازه سلول را می توان تعیین کرد).

ابتدا، با توجه به ادبیات [1]، تأثیر تعداد واحدهای قطعه قطب، میزان پوشش الکترود مثبت و سطح یک طرف یک تکه الکترود مثبت بر انرژی و چگالی انرژی ویژه باتری مورد بحث قرار گرفته است. انرژی ویژه (ES) باتری را می توان با رابطه (1) بیان کرد.

تصویر

در فرمول (1): x تعداد الکترودهای مثبت موجود در باتری است. y مقدار پوشش الکترود مثبت، کیلوگرم بر متر مربع است. z مساحت یک طرفه یک تک الکترود مثبت، m2 است. x∈N*، y > 2، z > 0; e(y, z) انرژی است که یک واحد قطعه قطبی می تواند کمک کند، Wh، فرمول محاسبه در فرمول (0) نشان داده شده است.

تصویر

در فرمول (2): DAV ولتاژ تخلیه متوسط، V است. PC نسبت جرم ماده فعال الکترود مثبت به جرم کل ماده فعال الکترود مثبت به اضافه عامل رسانا و بایندر، % است. SCC ظرفیت خاص ماده فعال الکترود مثبت، Ah / kg است. m(y, z) جرم یک واحد قطعه قطب، کیلوگرم است و فرمول محاسبه در فرمول (3) نشان داده شده است.

تصویر

در فرمول (3): KCT نسبت مساحت کل الکترود مثبت یکپارچه (مجموع سطح پوشش و سطح فویل زبانه) به سطح یک طرفه الکترود مثبت یکپارچه است و برابر است با بزرگتر از 1؛ TAl ضخامت کلکتور جریان آلومینیومی، m است. ρAl چگالی کلکتور جریان آلومینیوم، کیلوگرم بر متر مکعب است. KA نسبت کل مساحت هر الکترود منفی به ناحیه یک طرفه یک الکترود مثبت است و بزرگتر از 3 است. TCu ضخامت کلکتور جریان مس، m است. ρCu جمع کننده جریان مس است. چگالی، کیلوگرم بر متر مکعب؛ N/P نسبت ظرفیت الکترود منفی به ظرفیت الکترود مثبت است. PA نسبت جرم ماده فعال الکترود منفی به جرم کل ماده فعال الکترود منفی به اضافه عامل رسانا و بایندر، % است. SCA نسبت ظرفیت ماده فعال الکترود منفی، Ah/kg است. M(x, y, z) جرم ماده غیر کمک کننده انرژی کیلوگرم است که فرمول محاسبه در فرمول (1) نشان داده شده است.

تصویر

در فرمول (4): kAP نسبت سطح آلومینیوم-پلاستیک به ناحیه یک طرفه تک الکترود مثبت است و بیشتر از 1 است. SDAP چگالی سطحی آلومینیوم-پلاستیک، کیلوگرم بر متر مربع است. mTab مجموع جرم الکترودهای مثبت و منفی است که می توان آن را ثابت کرد. mTape جرم کل نوار است که می تواند به عنوان یک ثابت در نظر گرفته شود. kS نسبت مساحت کل جداکننده به کل مساحت ورق الکترود مثبت است و بزرگتر از 2 است. SDS چگالی سطحی جداکننده، کیلوگرم بر متر مربع است. kE جرم الکترولیت و باتری است. نسبت ظرفیت، ضریب یک عدد مثبت است. بر این اساس می توان نتیجه گرفت که افزایش هر یک از ضریب های x، y و z باعث افزایش انرژی ویژه باتری می شود.

به منظور بررسی اهمیت تأثیر تعداد واحدهای قطعه قطب، مقدار پوشش الکترود مثبت و ناحیه یک طرفه تک الکترود مثبت بر انرژی ویژه و چگالی انرژی باتری، یک الکتروشیمیایی سیستم و قوانین طراحی (یعنی برای تعیین مواد و فرمول الکترود، چگالی تراکم و N/P و غیره)، و سپس به طور متعامد هر سطح از سه عامل، مانند تعداد واحدهای قطعه قطب، مقدار پوشش الکترود مثبت و سطح یک طرفه یک تکه الکترود مثبت، برای مقایسه مواد الکترود تعیین شده توسط یک گروه خاص و تجزیه و تحلیل محدوده بر روی انرژی ویژه محاسبه شده و چگالی انرژی باتری بر اساس فرمول، چگالی فشرده و N/P. نتایج طراحی متعامد و محاسبات در جدول 1 نشان داده شده است. نتایج طراحی متعامد با استفاده از روش محدوده مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفت و نتایج در شکل 1 نشان داده شده است. انرژی ویژه و چگالی انرژی باتری به طور یکنواخت با تعداد واحدهای قطعه قطب افزایش می یابد. ، مقدار پوشش الکترود مثبت و سطح یک طرفه یک الکترود مثبت تک تکه. در بین سه عامل تعداد واحدهای قطعه قطب، مقدار پوشش الکترود مثبت و سطح یک طرفه یک الکترود مثبت، میزان پوشش الکترود مثبت بیشترین تأثیر را بر انرژی ویژه الکترود دارد. باتری؛ در بین سه عامل ناحیه یک طرفه، ناحیه یک طرفه کاتد یکپارچه بیشترین تأثیر را بر چگالی انرژی باتری دارد.

تصویر

تصویر

از شکل 1 الف مشاهده می شود که انرژی ویژه باتری با تعداد واحدهای قطعه قطب، مقدار پوشش کاتد و ناحیه یک طرفه کاتد تک تکه به طور یکنواخت افزایش می یابد، که صحت را تأیید می کند. تحلیل نظری در بخش قبل؛ مهمترین عامل موثر بر انرژی ویژه باتری، مقدار پوشش مثبت است. از شکل 1b می توان دریافت که چگالی انرژی باتری با تعداد واحدهای قطعه قطب، مقدار پوشش الکترود مثبت و ناحیه یک طرفه یک الکترود مثبت به طور یکنواخت افزایش می یابد، که همچنین صحت را تأیید می کند. تحلیل نظری قبلی؛ مهمترین عامل مؤثر بر چگالی انرژی باتری، ناحیه یک طرفه الکترود مثبت یکپارچه است. با توجه به تجزیه و تحلیل فوق، به منظور بهبود انرژی ویژه باتری، کلید افزایش مقدار پوشش الکترود مثبت تا حد امکان است. پس از تعیین حد بالایی قابل قبول مقدار پوشش الکترود مثبت، سطوح فاکتور باقی مانده را برای دستیابی به نیازهای مشتری تنظیم کنید. برای چگالی انرژی باتری، کلید افزایش سطح یک طرفه الکترود مثبت یکپارچه تا حد امکان است. پس از تعیین حد بالایی قابل قبول ناحیه یک طرفه الکترود مثبت یکپارچه، سطوح فاکتور باقی مانده را برای برآورده کردن نیازهای مشتری تنظیم کنید.

بر این اساس، می توان نتیجه گرفت که انرژی ویژه و چگالی انرژی باتری با تعداد واحدهای قطعه قطب، میزان پوشش الکترود مثبت و سطح یک طرفه یک الکترود مثبت به طور یکنواخت افزایش می یابد. از بین سه عامل تعداد واحدهای قطعه قطب، مقدار پوشش الکترود مثبت و سطح یک طرفه یک الکترود مثبت، تأثیر مقدار پوشش الکترود مثبت بر انرژی ویژه باتری است. مهم ترین؛ در بین سه عامل ناحیه یک طرفه، ناحیه یک طرفه کاتد یکپارچه بیشترین تأثیر را بر چگالی انرژی باتری دارد.

سپس، با توجه به ادبیات [2]، نحوه به حداقل رساندن کیفیت باتری در زمانی که فقط ظرفیت باتری مورد نیاز است، و اندازه باتری و سایر شاخص های عملکرد تحت سیستم مواد تعیین شده و فناوری پردازش مورد نیاز نیست، بحث می شود. مرحله. محاسبه کیفیت باتری با تعداد صفحات مثبت و نسبت ابعاد صفحات مثبت به عنوان متغیرهای مستقل در فرمول (5) نشان داده شده است.

تصویر

در فرمول (5)، M(x، y) جرم کل باتری است. x تعداد صفحات مثبت باتری است. y نسبت ابعاد صفحات مثبت است (مقدار آن برابر است با عرض تقسیم بر طول، همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است). k1، k2، k3، k4، k5، k6، k7 ضرایب هستند و مقادیر آنها با 26 پارامتر مربوط به ظرفیت باتری، سیستم مواد و سطح فناوری پردازش تعیین می شود، جدول 2 را ببینید. پس از تعیین پارامترهای جدول 2. ، هر ضریب سپس مشخص می شود که رابطه بین 26 پارامتر و k1، k2، k3، k4، k5، k6 و k7 بسیار ساده است، اما فرآیند استخراج بسیار دشوار است. با استخراج ریاضی اعلان (5)، با تنظیم تعداد صفحات مثبت و نسبت ابعاد صفحات مثبت می توان حداقل کیفیت باتری را که با طراحی مدل می توان به دست آورد.

تصویر

شکل 2 نمودار شماتیک طول و عرض باتری چند لایه

جدول 2 پارامترهای طراحی سلول چند لایه

تصویر

در جدول 2، مقدار خاص، مقدار پارامتر واقعی باتری با ظرفیت 50.3Ah است. پارامترهای مربوطه تعیین می کند که k1، k2، k3، k4، k5، k6 و k7 به ترتیب 0.041، 0.680، 0.619، 13.953، 8.261، 639.554، 921.609 هستند. ، x 21، y 1.97006 است (عرض الکترود مثبت 329 میلیون و طول آن 167 میلی متر است). پس از بهینه سازی، زمانی که تعداد الکترود مثبت 51 باشد، کیفیت باتری کوچکترین است.