TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech, dan tim lainnya pada dasarnya telah mencapai penelitian dan pengembangan baterai berdaya 300 Wh/kg. Selain itu, masih banyak unit yang melakukan pengembangan dan penelitian terkait.

Komposisi baterai lithium-ion kemasan fleksibel biasanya mencakup elektroda positif, elektroda negatif, pemisah, elektrolit, dan bahan tambahan lain yang diperlukan, seperti tab, pita, dan plastik aluminium. Sesuai dengan kebutuhan pembahasan, penulis makalah ini membagi zat dalam baterai lithium-ion soft-pack menjadi dua kategori: kombinasi dari unit pole piece dan material yang tidak menyumbang energi. Unit potongan kutub mengacu pada elektroda positif ditambah elektroda negatif, dan semua elektroda positif dan elektroda negatif dapat dianggap sebagai kombinasi unit potongan kutub yang terdiri dari beberapa unit potongan kutub; zat energi non-kontribusi mengacu pada semua zat lain kecuali kombinasi unit potongan tiang, seperti diafragma, elektrolit, lug tiang, plastik aluminium, pita pelindung dan terminasi. pita dll. Untuk baterai Li-ion sistem LiMO 2 umum (M = Co, Ni dan Ni-Co-Mn, dll.)/karbon, kombinasi unit pole piece menentukan kapasitas dan energi baterai.

Saat ini, untuk mencapai tujuan energi spesifik massa baterai 300Wh/kg, metode utama meliputi:

(1) Pilih sistem material berkapasitas tinggi, elektroda positif terbuat dari terner nikel tinggi, dan elektroda negatif terbuat dari karbon silikon;

(2) Desain elektrolit tegangan tinggi untuk meningkatkan tegangan pemutusan muatan;

(3) Mengoptimalkan formulasi bubur elektroda positif dan negatif dan meningkatkan proporsi bahan aktif dalam elektroda;

(4) Gunakan foil tembaga dan aluminium foil yang lebih tipis untuk mengurangi proporsi kolektor saat ini;

(5) Meningkatkan jumlah lapisan elektroda positif dan negatif, dan meningkatkan proporsi bahan aktif dalam elektroda;

(6) Kontrol jumlah elektrolit, kurangi jumlah elektrolit dan tingkatkan energi spesifik baterai lithium-ion;

(7) Optimalkan struktur baterai dan kurangi proporsi tab dan bahan kemasan dalam baterai.

Di antara tiga bentuk baterai silinder, cangkang keras persegi dan lembaran laminasi paket lunak, baterai paket lunak memiliki karakteristik desain yang fleksibel, ringan, resistansi internal rendah, tidak mudah meledak, dan banyak siklus, dan energi spesifik kinerja baterai juga luar biasa. Oleh karena itu, baterai lithium-ion daya kemasan lunak yang dilaminasi adalah topik penelitian yang hangat saat ini. Dalam proses desain model baterai lithium-ion daya paket lunak yang dilaminasi, variabel utama dapat dibagi menjadi enam aspek berikut. Tiga yang pertama dapat dianggap ditentukan oleh tingkat sistem elektrokimia dan aturan desain, dan tiga yang terakhir biasanya merupakan desain model. variabel yang menarik.

(1) Bahan dan formulasi elektroda positif dan negatif;

(2) Kepadatan pemadatan elektroda positif dan negatif;

(3) Rasio kapasitas elektroda negatif (N) terhadap kapasitas elektroda positif (P) (N/P);

(4) Jumlah unit pole piece (sama dengan jumlah pole piece positif);

(5) Jumlah lapisan elektroda positif (berdasarkan penentuan N/P, pertama-tama tentukan jumlah lapisan elektroda positif, dan kemudian tentukan jumlah lapisan elektroda negatif);

(6) Area satu sisi dari elektroda positif tunggal (ditentukan oleh panjang dan lebar elektroda positif, ketika panjang dan lebar elektroda positif ditentukan, ukuran elektroda negatif juga ditentukan, dan ukuran sel dapat ditentukan).

Pertama, menurut literatur [1], pengaruh jumlah unit pole piece, jumlah pelapisan elektroda positif dan luas satu sisi elektroda positif tunggal terhadap energi spesifik dan kepadatan energi baterai dibahas. Energi spesifik (ES) baterai dapat dinyatakan dengan persamaan (1).

gambar

Pada rumus (1): x adalah jumlah elektroda positif yang terdapat pada baterai; y adalah jumlah lapisan elektroda positif, kg/m2; z adalah area satu sisi dari elektroda positif tunggal, m2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) adalah energi yang dapat disumbangkan oleh unit pole piece, Wh, rumus perhitungannya ditunjukkan pada rumus (2).

gambar

Dalam rumus (2): DAV adalah tegangan luahan rata-rata, V; PC adalah rasio massa bahan aktif elektroda positif dengan massa total bahan aktif elektroda positif ditambah bahan konduktif dan pengikat, %; SCC adalah kapasitas spesifik bahan aktif elektroda positif, Ah / kg; m(y, z) adalah massa dari unit potongan tiang, kg, dan rumus perhitungannya ditunjukkan pada rumus (3).

gambar

Dalam rumus (3): KCT adalah rasio luas total elektroda positif monolitik (jumlah dari luas pelapis dan luas tab foil) dengan luas satu sisi dari elektroda positif monolitik, dan adalah lebih besar dari 1; TAl adalah ketebalan kolektor arus aluminium, m; Al adalah kerapatan kolektor arus aluminium, kg/m3; KA adalah rasio luas total setiap elektroda negatif dengan luas satu sisi dari elektroda positif tunggal, dan lebih besar dari 1; Tcu adalah ketebalan kolektor arus tembaga, m; Cu adalah kolektor arus tembaga. Kepadatan, kg/m3; N/P adalah rasio kapasitas elektroda negatif terhadap kapasitas elektroda positif; PA adalah rasio massa bahan aktif elektroda negatif dengan massa total bahan aktif elektroda negatif ditambah bahan konduktif dan pengikat, %; SCA adalah rasio kapasitas bahan aktif elektroda negatif, Ah/kg. M(x, y, z) adalah massa zat yang tidak berkontribusi energi, kg, rumus perhitungannya ditunjukkan pada rumus (4)

gambar

Dalam rumus (4): kAP adalah rasio area aluminium-plastik dengan area satu sisi dari elektroda positif tunggal, dan lebih besar dari 1; SDAP adalah densitas areal aluminium-plastik, kg/m2; mTab adalah massa total elektroda positif dan negatif, yang dapat dilihat dari konstanta; mTape adalah total massa pita, yang dapat dianggap sebagai konstanta; kS adalah rasio luas total pemisah dengan luas total lembaran elektroda positif, dan lebih besar dari 1; SDS adalah kerapatan areal pemisah, kg/m2; kE adalah massa elektrolit dan baterai Rasio kapasitas, koefisien adalah angka positif. Berdasarkan hal ini, dapat disimpulkan bahwa peningkatan setiap faktor tunggal x, y dan z akan meningkatkan energi spesifik baterai.

Untuk mempelajari signifikansi pengaruh jumlah unit potongan kutub, jumlah lapisan elektroda positif dan area satu sisi dari elektroda positif tunggal pada energi spesifik dan kepadatan energi baterai, elektrokimia sistem dan aturan desain (yaitu, untuk menentukan bahan dan formula elektroda, Kepadatan pemadatan dan N/P, dll.), dan kemudian secara ortogonal menggabungkan setiap tingkat dari tiga faktor, seperti jumlah unit potongan kutub, jumlah lapisan elektroda positif, dan area satu sisi dari satu bagian elektroda positif, untuk membandingkan bahan elektroda yang ditentukan oleh kelompok tertentu dan analisis Rentang dilakukan pada energi spesifik yang dihitung dan kepadatan energi baterai berdasarkan formula, kepadatan dipadatkan dan N/P. Hasil desain dan perhitungan ortogonal ditunjukkan pada Tabel 1. Hasil desain ortogonal dianalisis menggunakan metode range, dan hasilnya ditunjukkan pada Gambar 1. Energi spesifik dan rapat energi baterai meningkat secara monoton dengan jumlah unit pole piece , jumlah lapisan elektroda positif, dan luas satu sisi dari elektroda positif bagian tunggal. Di antara tiga faktor jumlah unit potongan kutub, jumlah lapisan elektroda positif, dan luas satu sisi dari satu elektroda positif, jumlah lapisan elektroda positif memiliki dampak paling signifikan pada energi spesifik dari baterai; Di antara tiga faktor luas satu sisi, luas satu sisi katoda monolitik memiliki dampak paling signifikan pada kepadatan energi baterai.

gambar

gambar

Dapat dilihat dari Gambar 1a bahwa energi spesifik baterai meningkat secara monoton dengan jumlah unit potongan kutub, jumlah lapisan katoda, dan luas satu sisi katoda potongan tunggal, yang memverifikasi kebenaran analisis teoritis pada bagian sebelumnya; faktor paling signifikan yang mempengaruhi energi spesifik baterai adalah jumlah lapisan positif. Dapat dilihat dari Gambar 1b bahwa kerapatan energi baterai meningkat secara monoton dengan jumlah unit potongan kutub, jumlah lapisan elektroda positif, dan area satu sisi dari elektroda positif tunggal, yang juga memverifikasi kebenarannya. dari analisis teoritis sebelumnya; faktor paling signifikan yang mempengaruhi kepadatan energi baterai adalah area satu sisi dari elektroda positif monolitik. Menurut analisis di atas, untuk meningkatkan energi spesifik baterai, itu adalah kunci untuk meningkatkan jumlah lapisan elektroda positif sebanyak mungkin. Setelah menentukan batas atas yang dapat diterima dari jumlah lapisan elektroda positif, sesuaikan tingkat faktor yang tersisa untuk mencapai kebutuhan pelanggan; Untuk kepadatan energi baterai, ini adalah kunci untuk meningkatkan area satu sisi dari elektroda positif monolitik sebanyak mungkin. Setelah menentukan batas atas yang dapat diterima dari area satu sisi dari elektroda positif monolitik, sesuaikan tingkat faktor yang tersisa untuk memenuhi kebutuhan pelanggan.

Menurut ini, dapat disimpulkan bahwa energi spesifik dan kepadatan energi baterai meningkat secara monoton dengan jumlah unit potongan kutub, jumlah lapisan elektroda positif, dan luas satu sisi dari elektroda positif tunggal. Di antara tiga faktor jumlah unit potongan kutub, jumlah lapisan elektroda positif, dan luas satu sisi dari satu elektroda positif, dampak jumlah lapisan elektroda positif pada energi spesifik baterai adalah yang paling signifikan; Di antara tiga faktor luas satu sisi, luas satu sisi katoda monolitik memiliki dampak paling signifikan pada kepadatan energi baterai.

Kemudian, menurut literatur [2], dibahas bagaimana meminimalkan kualitas baterai ketika hanya kapasitas baterai yang diperlukan, dan ukuran baterai dan indikator kinerja lainnya tidak diperlukan di bawah sistem material dan teknologi pemrosesan yang ditentukan. tingkat. Perhitungan kualitas baterai dengan jumlah pelat positif dan rasio aspek pelat positif sebagai variabel bebas ditunjukkan pada rumus (5).

gambar

Dalam rumus (5), M(x, y) adalah massa total baterai; x adalah jumlah pelat positif dalam baterai; y adalah rasio aspek pelat positif (nilainya sama dengan lebar dibagi panjang, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 adalah koefisien, dan nilainya ditentukan oleh 26 parameter yang terkait dengan kapasitas baterai, sistem material, dan tingkat teknologi pemrosesan, lihat Tabel 2. Setelah parameter pada Tabel 2 ditentukan , masing-masing koefisien Kemudian ditentukan bahwa hubungan antara 26 parameter dan k1, k2, k3, k4, k5, k6, dan k7 sangat sederhana, tetapi proses penurunannya sangat rumit. Dengan menurunkan pengumuman (5) secara matematis, dengan menyesuaikan jumlah pelat positif dan rasio aspek pelat positif, kualitas baterai minimum yang dapat dicapai oleh desain model dapat diperoleh.

gambar

Gambar 2 Diagram skema panjang dan lebar baterai laminasi

Tabel 2 Parameter desain sel laminasi

gambar

Pada Tabel 2, nilai spesifik adalah nilai parameter aktual baterai dengan kapasitas 50.3Ah. Parameter yang relevan menentukan bahwa k1, k2, k3, k4, k5, k6, dan k7 berturut-turut adalah 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609. , x adalah 21, y adalah 1.97006 (lebar elektroda positif adalah 329 juta, dan panjangnya adalah 167 mm). Setelah dilakukan optimasi, saat jumlah elektroda positif 51 maka kualitas baterai paling kecil.