TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech e altri team hanno sostanzialmente realizzato la ricerca e lo sviluppo di batterie da 300 Wh/kg. Inoltre, esiste ancora un gran numero di unità che svolgono attività di sviluppo e ricerca correlate.

La composizione delle batterie agli ioni di litio per imballaggi flessibili di solito include elettrodi positivi, elettrodi negativi, separatori, elettroliti e altri materiali ausiliari necessari, come linguette, nastri e plastica di alluminio. In base alle esigenze della discussione, l’autore di questo lavoro divide le sostanze contenute nella batteria agli ioni di litio soft-pack in due categorie: la combinazione dell’unità polare e il materiale non energetico. L’unità di espansione polare si riferisce a un elettrodo positivo più un elettrodo negativo e tutti gli elettrodi positivi e L’elettrodo negativo può essere considerato come una combinazione di unità di espansione polare composte da più unità di espansione polare; le sostanze energetiche non contribuenti si riferiscono a tutte le altre sostanze ad eccezione della combinazione di unità polari, come diaframmi, elettroliti, capicorda polari, plastica di alluminio, nastri protettivi e terminazioni. nastro, ecc. Per le comuni batterie agli ioni di litio LiMO 2 (M = Co, Ni e Ni-Co-Mn, ecc.)/carbonio, la combinazione di unità polari determina la capacità e l’energia della batteria.

Attualmente, per raggiungere l’obiettivo di 300 Wh/kg di energia specifica di massa della batteria, i metodi principali includono:

(1) Selezionare un sistema di materiali ad alta capacità, l’elettrodo positivo è realizzato in ternario ad alto contenuto di nichel e l’elettrodo negativo è in carbonio di silicio;

(2) Progettare un elettrolita ad alta tensione per migliorare la tensione di interruzione della carica;

(3) Ottimizzare la formulazione della sospensione per elettrodi positivi e negativi e aumentare la proporzione di materiale attivo nell’elettrodo;

(4) Utilizzare un foglio di rame più sottile e un foglio di alluminio per ridurre la proporzione di collettori di corrente;

(5) Aumentare la quantità di rivestimento degli elettrodi positivi e negativi e aumentare la proporzione di materiali attivi negli elettrodi;

(6) Controllare la quantità di elettrolita, ridurre la quantità di elettrolita e aumentare l’energia specifica delle batterie agli ioni di litio;

(7) Ottimizzare la struttura della batteria e ridurre la proporzione di schede e materiali di imballaggio nella batteria.

Tra le tre forme di batteria di forma cilindrica, guscio duro quadrato e foglio laminato soft-pack, la batteria soft-pack ha le caratteristiche di design flessibile, leggerezza, bassa resistenza interna, non facile da esplodere e molti cicli e l’energia specifica anche le prestazioni della batteria sono eccezionali. Pertanto, la batteria laminata agli ioni di litio di alimentazione soft-pack è attualmente un argomento di ricerca caldo. Nel processo di progettazione del modello della batteria laminata agli ioni di litio di alimentazione soft-pack, le variabili principali possono essere suddivise nei seguenti sei aspetti. I primi tre possono essere considerati determinati dal livello del sistema elettrochimico e dalle regole di progettazione, e gli ultimi tre sono solitamente il progetto del modello. variabili di interesse.

(1) Materiali e formulazioni per elettrodi positivi e negativi;

(2) La densità di compattazione degli elettrodi positivi e negativi;

(3) Il rapporto tra la capacità dell’elettrodo negativo (N) e la capacità dell’elettrodo positivo (P) (N/P);

(4) Il numero di unità di espansioni polari (uguale al numero di espansioni polari positive);

(5) Quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo (sulla base della determinazione N/P, determinare prima la quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo, quindi determinare la quantità di rivestimento dell’elettrodo negativo);

(6) L’area unilaterale di un singolo elettrodo positivo (determinata dalla lunghezza e dalla larghezza dell’elettrodo positivo, quando vengono determinate la lunghezza e la larghezza dell’elettrodo positivo, viene determinata anche la dimensione dell’elettrodo negativo e la dimensione della cella può essere determinata).

In primo luogo, secondo la letteratura [1], l’influenza del numero di unità di espansioni polari, la quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo e l’area unilaterale di un singolo pezzo di elettrodo positivo sull’energia specifica e sulla densità di energia dell’elettrodo la batteria è discussa. L’energia specifica (ES) della batteria può essere espressa dall’equazione (1).

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Nella formula (1): x è il numero di elettrodi positivi contenuti nella batteria; y è la quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo, kg/m2; z è l’area unilaterale di un singolo elettrodo positivo, m2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) è l’energia che un’unità di espansione polare può fornire, Wh, la formula di calcolo è mostrata nella formula (2).

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Nella formula (2): DAV è la tensione media di scarica, V; PC è il rapporto tra la massa del materiale attivo dell’elettrodo positivo e la massa totale del materiale attivo dell’elettrodo positivo più l’agente conduttivo e il legante, %; SCC è la capacità specifica del materiale attivo dell’elettrodo positivo, Ah / kg; m(y, z) è la massa di un’unità di espansione polare, kg, e la formula di calcolo è mostrata nella formula (3).

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Nella formula (3): KCT è il rapporto tra l’area totale dell’elettrodo positivo monolitico (la somma dell’area di rivestimento e l’area della lamina della linguetta) e l’area a lato singolo dell’elettrodo positivo monolitico, ed è maggiore di 1; TAl è lo spessore del collettore di corrente in alluminio, m; ρAl è la densità del collettore di corrente in alluminio, kg/m3; KA è il rapporto tra l’area totale di ciascun elettrodo negativo e l’area unilaterale di un singolo elettrodo positivo ed è maggiore di 1; TCu è lo spessore del collettore di corrente in rame, m; ρCu è il collettore di corrente in rame. Densità, kg/m3; N/P è il rapporto tra la capacità dell’elettrodo negativo e la capacità dell’elettrodo positivo; PA è il rapporto tra la massa del materiale attivo dell’elettrodo negativo e la massa totale del materiale attivo dell’elettrodo negativo più l’agente conduttivo e il legante, %; SCA è il rapporto tra il materiale attivo dell’elettrodo negativo Capacità, Ah/kg. M(x, y, z) è la massa della sostanza non apporto energetico, kg, la formula di calcolo è mostrata nella formula (4)

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Nella formula (4): kAP è il rapporto tra l’area alluminio-plastica e l’area unilaterale del singolo elettrodo positivo ed è maggiore di 1; SDAP è la densità areale dell’alluminio-plastica, kg/m2; mTab ​​è la massa totale degli elettrodi positivo e negativo, che può essere vista da una costante; mTape è la massa totale del nastro, che può essere considerata una costante; kS è il rapporto tra l’area totale del separatore e l’area totale del foglio dell’elettrodo positivo ed è maggiore di 1; SDS è la densità areale del separatore, kg/m2; kE è la massa dell’elettrolito e della batteria Il rapporto tra la capacità, il coefficiente è un numero positivo. In base a ciò, si può concludere che l’aumento di un singolo fattore di x, yez aumenterà l’energia specifica della batteria.

Per studiare il significato dell’influenza del numero di unità polari, della quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo e dell’area unilaterale del singolo elettrodo positivo sull’energia specifica e sulla densità di energia della batteria, un elettrochimico regole di sistema e di progettazione (ovvero, per determinare il materiale e la formula dell’elettrodo, la densità di compattazione e N/P, ecc.), quindi combinare ortogonalmente ciascun livello dei tre fattori, come il numero di unità polari, la quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo e l’area unilaterale di un singolo pezzo di elettrodo positivo, per confrontare il materiale dell’elettrodo determinato da un determinato gruppo e l’analisi del range è stata eseguita sull’energia specifica calcolata e sulla densità di energia della batteria in base al formula, densità compattata e N/P. I risultati della progettazione ortogonale e del calcolo sono mostrati nella Tabella 1. I risultati della progettazione ortogonale sono stati analizzati utilizzando il metodo dell’intervallo e i risultati sono mostrati nella Figura 1. L’energia specifica e la densità di energia della batteria aumentano in modo monotono con il numero di unità polari , la quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo e l’area su un lato di un elettrodo positivo monopezzo. Tra i tre fattori del numero di unità polari, la quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo e l’area unilaterale di un singolo elettrodo positivo, la quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo ha l’impatto più significativo sull’energia specifica dell’elettrodo batteria; Tra i tre fattori dell’area unilaterale di, l’area unilaterale del catodo monolitico ha l’impatto più significativo sulla densità di energia della batteria.

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Si può vedere dalla Figura 1a che l’energia specifica della batteria aumenta in modo monotono con il numero di unità polari, la quantità di rivestimento catodico e l’area a lato singolo del catodo monopezzo, che verifica la correttezza di l’analisi teorica nella parte precedente; il fattore più significativo che influenza l’energia specifica della batteria è la quantità di rivestimento positivo. Si può vedere dalla Figura 1b che la densità di energia della batteria aumenta in modo monotono con il numero di unità polari, la quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo e l’area unilaterale di un singolo elettrodo positivo, che verifica anche la correttezza della precedente analisi teorica; il fattore più significativo che influenza la densità di energia della batteria è l’area unilaterale dell’elettrodo positivo monolitico. Secondo l’analisi di cui sopra, al fine di migliorare l’energia specifica della batteria, è fondamentale aumentare il più possibile la quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo. Dopo aver determinato il limite superiore accettabile della quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo, regolare i livelli dei fattori rimanenti per soddisfare i requisiti del cliente; Per la densità di energia della batteria, è fondamentale aumentare il più possibile l’area unilaterale dell’elettrodo positivo monolitico. Dopo aver determinato il limite superiore accettabile dell’area unilaterale dell’elettrodo positivo monolitico, regolare i livelli dei fattori rimanenti per soddisfare le esigenze del cliente.

In base a ciò, si può concludere che l’energia specifica e la densità di energia della batteria aumentano in modo monotono con il numero di unità polari, la quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo e l’area unilaterale di un singolo elettrodo positivo. Tra i tre fattori del numero di unità polari, la quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo e l’area unilaterale di un singolo elettrodo positivo, l’impatto della quantità di rivestimento dell’elettrodo positivo sull’energia specifica della batteria è il più significativo; Tra i tre fattori dell’area unilaterale di, l’area unilaterale del catodo monolitico ha l’impatto più significativo sulla densità di energia della batteria.

Quindi, secondo la letteratura [2], viene discusso come ridurre al minimo la qualità della batteria quando è richiesta solo la capacità della batteria e la dimensione della batteria e altri indicatori di prestazione non sono richiesti nel sistema dei materiali e nella tecnologia di elaborazione determinati livello. Il calcolo della qualità della batteria con il numero di piastre positive e il rapporto di aspetto delle piastre positive come variabili indipendenti è mostrato nella formula (5).

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Nella formula (5), M(x, y) è la massa totale della batteria; x è il numero di piastre positive nella batteria; y è il rapporto di aspetto delle lastre positive (il suo valore è uguale alla larghezza divisa per la lunghezza, come mostrato in Figura 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 sono coefficienti e i loro valori sono determinati da 26 parametri relativi alla capacità della batteria, al sistema dei materiali e al livello di tecnologia di elaborazione, vedere la tabella 2. Dopo aver determinato i parametri nella tabella 2 , ogni coefficiente Si determina quindi che la relazione tra i 26 parametri e k1, k2, k3, k4, k5, k6 e k7 è molto semplice, ma il processo di derivazione è molto macchinoso. Derivando matematicamente l’annuncio (5), regolando il numero di piastre positive e il rapporto di aspetto delle piastre positive, è possibile ottenere la qualità minima della batteria che può essere raggiunta dal design del modello.

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Figura 2 Diagramma schematico della lunghezza e della larghezza della batteria laminata

Tabella 2 Parametri di progettazione delle celle laminate

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Nella tabella 2, il valore specifico è il valore effettivo del parametro della batteria con una capacità di 50.3 Ah. I parametri rilevanti determinano che k1, k2, k3, k4, k5, k6 e k7 sono rispettivamente 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609. , x è 21, y è 1.97006 (la larghezza dell’elettrodo positivo è 329 mln e la lunghezza è 167 mm). Dopo l’ottimizzazione, quando il numero di elettrodi positivi è 51, la qualità della batteria è la più piccola.