TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech et d’autres équipes ont essentiellement réalisé la recherche et le développement de batteries de 300 Wh/kg. En outre, il existe encore un grand nombre d’unités qui effectuent des travaux de développement et de recherche connexes.

La composition des batteries lithium-ion à emballage flexible comprend généralement des électrodes positives, des électrodes négatives, des séparateurs, des électrolytes et d’autres matériaux auxiliaires nécessaires, tels que des languettes, des rubans et des plastiques en aluminium. Selon les besoins de la discussion, l’auteur de cet article divise les substances contenues dans la batterie lithium-ion soft-pack en deux catégories : la combinaison de l’unité de pièce polaire et du matériau ne contribuant pas à l’énergie. L’unité de pièce polaire fait référence à une électrode positive plus une électrode négative, et toutes les électrodes positives et L’électrode négative peut être considérée comme une combinaison d’unités de pièce polaire composées de plusieurs unités de pièce polaire; les substances énergétiques non contributrices désignent toutes les autres substances, à l’exception de la combinaison d’unités polaires, telles que les diaphragmes, les électrolytes, les cosses polaires, les plastiques en aluminium, les rubans de protection et les terminaisons. ruban adhésif, etc. Pour les batteries LiMO 2 (M = Co, Ni et Ni-Co-Mn, etc.)/système carbone Li-ion, la combinaison des pièces polaires détermine la capacité et l’énergie de la batterie.

À l’heure actuelle, afin d’atteindre l’objectif de 300 Wh/kg d’énergie spécifique de la masse de la batterie, les principales méthodes comprennent :

(1) Sélectionnez un système de matériaux à haute capacité, l’électrode positive est en ternaire à haute teneur en nickel et l’électrode négative est en carbone de silicium;

(2) concevoir un électrolyte haute tension pour améliorer la tension de coupure de charge ;

(3) Optimiser la formulation de la suspension d’électrode positive et négative et augmenter la proportion de matière active dans l’électrode ;

(4) Utilisez une feuille de cuivre et une feuille d’aluminium plus fines pour réduire la proportion de collecteurs de courant ;

(5) augmenter la quantité de revêtement des électrodes positives et négatives et augmenter la proportion de matériaux actifs dans les électrodes ;

(6) contrôler la quantité d’électrolyte, réduire la quantité d’électrolyte et augmenter l’énergie spécifique des batteries lithium-ion ;

(7) Optimisez la structure de la batterie et réduisez la proportion d’onglets et de matériaux d’emballage dans la batterie.

Parmi les trois formes de batterie à coque dure cylindrique et carrée et feuille laminée soft-pack, la batterie soft-pack a les caractéristiques de conception flexible, légère, faible résistance interne, pas facile à exploser, et de nombreux cycles, et l’énergie spécifique les performances de la batterie sont également exceptionnelles. Par conséquent, la batterie lithium-ion de puissance laminée est un sujet de recherche brûlant à l’heure actuelle. Dans le processus de conception du modèle de batterie lithium-ion de puissance laminée, les principales variables peuvent être divisées selon les six aspects suivants. Les trois premiers peuvent être considérés comme étant déterminés par le niveau du système électrochimique et les règles de conception, et les trois derniers sont généralement la conception du modèle. variable d’intérêt.

(1) Matériaux et formulations d’électrodes positives et négatives;

(2) La densité de compactage des électrodes positives et négatives ;

(3) Le rapport de la capacité de l’électrode négative (N) à la capacité de l’électrode positive (P) (N/P);

(4) Le nombre d’unités de pièces polaires (égal au nombre de pièces polaires positives) ;

(5) quantité de revêtement d’électrode positive (sur la base de la détermination N/P, déterminer d’abord la quantité de revêtement d’électrode positive, puis déterminer la quantité de revêtement d’électrode négative) ;

(6) La zone unilatérale d’une seule électrode positive (déterminée par la longueur et la largeur de l’électrode positive, lorsque la longueur et la largeur de l’électrode positive sont déterminées, la taille de l’électrode négative est également déterminée, et la taille de la cellule peut être déterminée).

Premièrement, selon la littérature [1], l’influence du nombre d’unités de pièces polaires, de la quantité de revêtement d’électrode positive et de la surface d’un seul côté d’une seule pièce d’électrode positive sur l’énergie spécifique et la densité d’énergie du la batterie est discutée. L’énergie spécifique (ES) de la batterie peut être exprimée par l’équation (1).

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Dans la formule (1) : x est le nombre d’électrodes positives contenues dans la batterie ; y est la quantité de revêtement de l’électrode positive, kg/m2 ; z est la surface unilatérale d’une seule électrode positive, m2; x∈N*, y > 0, z > 0 ; e(y, z) est l’énergie qu’une pièce polaire peut apporter, Wh, la formule de calcul est indiquée dans la formule (2).

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Dans la formule (2) : DAV est la tension de décharge moyenne, V ; PC est le rapport de la masse du matériau actif d’électrode positive à la masse totale du matériau actif d’électrode positive plus l’agent conducteur et le liant, % ; SCC est la capacité spécifique du matériau actif de l’électrode positive, Ah / kg; m(y, z) est la masse d’une unité de pièce polaire, kg, et la formule de calcul est indiquée dans la formule (3).

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Dans la formule (3): KCT est le rapport de la surface totale de l’électrode positive monolithique (la somme de la surface de revêtement et de la surface de la feuille de languette) à la surface unilatérale de l’électrode positive monolithique, et est supérieur à 1 ; TAl est l’épaisseur du collecteur de courant en aluminium, m ; ρAl est la masse volumique du collecteur de courant en aluminium, kg/m3 ; KA est le rapport de la surface totale de chaque électrode négative à la surface unilatérale d’une seule électrode positive, et est supérieur à 1 ; TCu est l’épaisseur du collecteur de courant en cuivre, m ; ρCu est le collecteur de courant en cuivre. Densité, kg/m3 ; N/P est le rapport de la capacité de l’électrode négative à la capacité de l’électrode positive ; PA est le rapport de la masse du matériau actif de l’électrode négative à la masse totale du matériau actif de l’électrode négative plus l’agent conducteur et le liant, % ; SCA est le rapport de la capacité du matériau actif de l’électrode négative, Ah/kg. M(x, y, z) est la masse de la substance non énergétique, kg, la formule de calcul est indiquée dans la formule (4)

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Dans la formule (4) : kAP est le rapport de la surface aluminium-plastique à la surface unilatérale de l’électrode positive unique, et est supérieur à 1 ; SDAP est la densité surfacique de l’aluminium-plastique, kg/m2 ; mTab ​​est la masse totale des électrodes positives et négatives, qui peut être vue à partir d’une constante; mTape est la masse totale de la bande, qui peut être considérée comme une constante ; kS est le rapport de la surface totale du séparateur à la surface totale de la feuille d’électrode positive, et est supérieur à 1 ; SDS est la densité surfacique du séparateur, kg/m2 ; kE est la masse de l’électrolyte et de la batterie Le rapport de la capacité, le coefficient est un nombre positif. Selon cela, on peut conclure que l’augmentation de n’importe quel facteur de x, y et z augmentera l’énergie spécifique de la batterie.

Afin d’étudier l’importance de l’influence du nombre d’unités de pièces polaires, de la quantité de revêtement de l’électrode positive et de la zone unilatérale de l’électrode positive unique sur l’énergie spécifique et la densité d’énergie de la batterie, un électrochimique système et règles de conception (c’est-à-dire pour déterminer le matériau et la formule de l’électrode, la densité de compactage et N / P, etc.), puis combiner orthogonalement chaque niveau des trois facteurs, tels que le nombre d’unités de pièce polaire, la quantité de revêtement d’électrode positive et la zone unilatérale d’une seule pièce d’électrode positive, pour comparer le matériau d’électrode déterminé par un certain groupe et l’analyse de la plage a été effectuée sur l’énergie spécifique calculée et la densité d’énergie de la batterie en fonction de la formule, densité compactée et N/P. Les résultats de la conception orthogonale et des calculs sont présentés dans le tableau 1. Les résultats de la conception orthogonale ont été analysés à l’aide de la méthode de la plage et les résultats sont présentés dans la figure 1. L’énergie spécifique et la densité d’énergie de la batterie augmentent de manière monotone avec le nombre d’unités de pièces polaires. , la quantité de revêtement d’électrode positive et la zone unilatérale d’une électrode positive monobloc. Parmi les trois facteurs du nombre d’unités de pièces polaires, de la quantité de revêtement d’électrode positive et de la zone unilatérale d’une seule électrode positive, la quantité de revêtement d’électrode positive a l’impact le plus significatif sur l’énergie spécifique du la batterie; Parmi les trois facteurs de la zone unilatérale de, la zone unilatérale de la cathode monolithique a l’impact le plus significatif sur la densité d’énergie de la batterie.

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On peut voir sur la figure 1a que l’énergie spécifique de la batterie augmente de manière monotone avec le nombre d’unités polaires, la quantité de revêtement cathodique et la zone unilatérale de la cathode monobloc, qui vérifie l’exactitude de l’analyse théorique dans la partie précédente ; le facteur le plus important affectant l’énergie spécifique de la batterie est la quantité de revêtement positif. On peut voir sur la figure 1b que la densité d’énergie de la batterie augmente de manière monotone avec le nombre d’unités de pièces polaires, la quantité de revêtement d’électrode positive et la zone unilatérale d’une seule électrode positive, qui vérifie également l’exactitude de l’analyse théorique précédente ; le facteur le plus important affectant la densité d’énergie de la batterie est la zone unilatérale de l’électrode positive monolithique. Selon l’analyse ci-dessus, afin d’améliorer l’énergie spécifique de la batterie, il est essentiel d’augmenter autant que possible la quantité de revêtement d’électrode positive. Après avoir déterminé la limite supérieure acceptable de la quantité de revêtement d’électrode positive, ajustez les niveaux de facteur restants pour répondre aux exigences du client ; Pour la densité d’énergie de la batterie, il est essentiel d’augmenter autant que possible la surface unilatérale de l’électrode positive monolithique. Après avoir déterminé la limite supérieure acceptable de la zone unilatérale de l’électrode positive monolithique, ajustez les niveaux de facteur restants pour répondre aux exigences du client.

Selon cela, on peut conclure que l’énergie spécifique et la densité d’énergie de la batterie augmentent de manière monotone avec le nombre d’unités de pièces polaires, la quantité de revêtement d’électrode positive et la zone unilatérale d’une seule électrode positive. Parmi les trois facteurs du nombre d’unités de pièces polaires, de la quantité de revêtement d’électrode positive et de la zone unilatérale d’une seule électrode positive, l’impact de la quantité de revêtement d’électrode positive sur l’énergie spécifique de la batterie est le plus significatif ; Parmi les trois facteurs de la zone unilatérale de, la zone unilatérale de la cathode monolithique a l’impact le plus significatif sur la densité d’énergie de la batterie.

Ensuite, selon la littérature [2], il est expliqué comment minimiser la qualité de la batterie lorsque seule la capacité de la batterie est requise, et que la taille de la batterie et d’autres indicateurs de performance ne sont pas requis dans le cadre du système de matériau et de la technologie de traitement déterminés. niveau. Le calcul de la qualité de la batterie avec le nombre de plaques positives et le rapport d’aspect des plaques positives comme variables indépendantes est illustré dans la formule (5).

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Dans la formule (5), M(x, y) est la masse totale de la batterie ; x est le nombre de plaques positives dans la batterie ; y est le rapport d’aspect des plaques positives (sa valeur est égale à la largeur divisée par la longueur, comme le montre la figure 2) ; k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 sont des coefficients et leurs valeurs sont déterminées par 26 paramètres liés à la capacité de la batterie, au système de matériaux et au niveau de technologie de traitement, voir le tableau 2. Une fois les paramètres du tableau 2 déterminés , chaque coefficient Il est alors déterminé que la relation entre les 26 paramètres et k1, k2, k3, k4, k5, k6 et k7 est très simple, mais le processus de dérivation est très lourd. En dérivant mathématiquement l’annonce (5), en ajustant le nombre de plaques positives et le rapport d’aspect des plaques positives, la qualité de batterie minimale pouvant être obtenue par la conception du modèle peut être obtenue.

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Figure 2 Schéma de principe de la longueur et de la largeur de la batterie laminée

Tableau 2 Paramètres de conception des cellules stratifiées

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Dans le tableau 2, la valeur spécifique est la valeur réelle du paramètre de la batterie d’une capacité de 50.3 Ah. Les paramètres pertinents déterminent que k1, k2, k3, k4, k5, k6 et k7 sont respectivement 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609. , x vaut 21, y vaut 1.97006 (la largeur de l’électrode positive est de 329 mln et la longueur est de 167 mm). Après optimisation, lorsque le nombre d’électrodes positives est de 51, la qualité de la batterie est la plus faible.