TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech 및 기타 팀은 기본적으로 300Wh/kg 전력 배터리의 연구 및 개발을 달성했습니다. 또한 관련 개발 및 연구 작업을 수행하는 많은 단위가 여전히 있습니다.

연포장 리튬이온 배터리의 구성은 일반적으로 양극, 음극, 분리막, 전해질 및 탭, 테이프 및 알루미늄 플라스틱과 같은 기타 필요한 보조 재료를 포함합니다. 논의의 필요에 따라 이 논문의 저자는 소프트팩 리튬 이온 배터리의 물질을 폴피스 유닛과 비에너지 기여 물질의 조합이라는 두 가지 범주로 나눕니다. 극편 단위는 양극에 음극을 더한 것을 말하며 모든 양극과 음극은 여러 극편 단위로 구성된 극편 단위의 조합으로 간주될 수 있습니다. 비기여 에너지 물질은 다이어프램, 전해질, 폴 러그, 알루미늄 플라스틱, 보호 테이프 및 단자와 같은 폴 피스 유닛의 조합을 제외한 다른 모든 물질을 나타냅니다. 테이프 등. 일반적인 LiMO 2(M = Co, Ni 및 Ni-Co-Mn 등)/탄소 시스템 리튬 이온 배터리의 경우 폴 피스 단위의 조합이 배터리의 용량과 에너지를 결정합니다.

현재 300Wh/kg 배터리 질량 비에너지 목표를 달성하기 위한 주요 방법은 다음과 같습니다.

(1) 고용량 재료 시스템을 선택하고 양극은 고 니켈 삼원으로 만들어지고 음극은 실리콘 탄소로 만들어집니다.

(2) 전하 차단 전압을 개선하기 위해 고전압 전해질을 설계합니다.

(3) 양극 및 음극 슬러리의 조성을 최적화하고 전극에서 활물질의 비율을 증가시킵니다.

(4) 더 얇은 구리박과 알루미늄박을 사용하여 집전체의 비율을 줄입니다.

(5) 양극 및 음극의 코팅량을 늘리고 전극의 활물질 비율을 높입니다.

(6) 전해질의 양을 조절하고 전해질의 양을 줄이고 리튬 이온 배터리의 비 에너지를 증가시킵니다.

(7) 배터리의 구조를 최적화하고 배터리에서 탭과 포장재의 비율을 줄입니다.

원통형, 각형 하드쉘 및 소프트팩 적층 시트의 세 가지 배터리 형태 중 소프트팩 배터리는 유연한 디자인, 경량, 낮은 내부 저항, 폭발하기 쉽지 않은, 많은 사이클 및 비에너지의 특성을 가지고 있습니다. 배터리 성능도 뛰어납니다. 따라서 적층형 소프트팩 전원 리튬 이온 배터리는 현재 뜨거운 연구 주제입니다. 적층 소프트팩 전원 리튬 이온 배터리의 모델 설계 과정에서 주요 변수는 다음과 같은 XNUMX가지 측면으로 나눌 수 있습니다. 처음 XNUMX개는 전기화학적 시스템의 수준과 설계 규칙에 따라 결정되는 것으로 간주할 수 있으며, 후자의 XNUMX개는 일반적으로 모델 설계입니다. 관심 변수.

(1) 양극 및 음극 재료 및 제형

(2) 양극 및 음극의 압축 밀도;

(3) 양극 용량(P)에 대한 음극 용량(N)의 비율(N/P);

(4) 극편 단위의 수(극편의 수와 동일);

(5) 양극 코팅량(N/P 결정에 기초하여 먼저 양극 코팅량을 결정한 다음 음극 코팅량을 결정);

(6) 단일 양극의 단면적(양극의 길이와 너비에 의해 결정되고, 양극의 길이와 너비가 결정되면 음극의 크기도 결정되고, 셀의 크기를 결정할 수 있습니다).

첫째, 문헌[1]에 따르면, 극편 단위의 수, 양극 코팅량 및 양극 단일편의 단면적이 극편의 비에너지 및 에너지 밀도에 미치는 영향 배터리가 논의됩니다. 배터리의 비에너지(ES)는 수학식 1로 표현될 수 있다.

.

식 (1)에서: x는 배터리에 포함된 양극의 수입니다. y는 양극의 코팅량, kg/m2이고; z는 단일 양극의 단면 영역, m2입니다. x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z)는 폴피스 유닛이 기여할 수 있는 에너지이며, 계산식은 식 (2)와 같습니다.

.

공식 (2)에서: DAV는 평균 방전 전압, V입니다. PC는 양극 활물질과 도전제 및 결합제의 총 질량에 대한 양극 활물질의 질량의 비율, %이고; SCC는 양극 활물질의 비용량, Ah/kg이고; m(y, z)는 폴피스 단위의 질량 kg이며, 계산식은 식 (3)과 같다.

.

식 (3)에서: KCT는 모놀리식 양극의 단면적에 대한 모놀리식 양극의 전체 면적(코팅 면적과 탭 포일 면적의 합)의 비율이며, 1보다 큼; TA3은 알루미늄 집전체의 두께, m입니다. ρAl은 알루미늄 집전체의 밀도, kg/m1입니다. KA는 단일 양극의 단면 면적에 대한 각 음극의 총 면적의 비율이며 3보다 크며; TCu는 구리 집전체의 두께, m입니다. ρCu는 구리 집전체입니다. 밀도, kg/m4; N/P는 양극 용량에 대한 음극 용량의 비율입니다. PA는 음극 활물질과 도전제 및 바인더의 총 질량에 대한 음극 활물질 질량의 비율, %이고; SCA는 음극 활물질 용량의 비율, Ah/kg이다. M(x, y, z)는 에너지 비기여 물질의 질량, kg이며, 계산식은 식 (XNUMX)와 같다.

.

식 (4)에서: kAP는 단일 양극의 단면 면적에 대한 알루미늄 플라스틱 면적의 비율이며 1보다 큽니다. SDAP는 알루미늄-플라스틱의 면적 밀도, kg/m2입니다. mTab은 에서 볼 수 있는 양극과 음극의 총 질량이 일정합니다. mTape는 테이프의 총 질량으로 상수로 간주할 수 있습니다. kS는 양극 시트의 전체 면적에 대한 분리막의 전체 면적의 비율이며, 1보다 크며; SDS는 분리기의 면적 밀도, kg/m2입니다. kE는 전해질과 배터리의 질량이며, 용량의 비율, 계수는 양수입니다. 이에 따르면 x, y 및 z의 단일 인자가 증가하면 배터리의 비에너지가 증가한다는 결론을 내릴 수 있습니다.

극편 단위의 수, 양극의 코팅량 및 단일 양극의 단면적 면적이 전지의 비에너지 및 에너지 밀도에 미치는 영향의 중요성을 연구하기 위해, 전기화학 시스템 및 설계 규칙(즉, 전극 재료 및 공식, 압축 밀도 및 N/P 등을 결정하기 위해)을 결정하고 극편 단위 수, 양극 코팅 및 단일 양극의 단면적, 특정 그룹으로 결정된 전극 물질을 비교하기 위해 Range 분석을 기반으로 계산된 전지의 비에너지 및 에너지 밀도에 대해 수행하였다. 공식, 압축 밀도 및 N/P. 직교 설계 및 계산 결과는 Table 1과 같다. 직교 설계 결과는 Range 방법을 이용하여 분석하였으며 그 결과는 Figure 1과 같다. 전지의 비에너지와 에너지 밀도는 극편 단위의 개수에 따라 단조 증가한다. , 양극 코팅의 양, 단일 피스 양극의 단면 면적. 극편 단위 수, 양극 코팅량, 단일 양극 단면적의 XNUMX가지 요인 중 양극 코팅량이 전극의 비에너지에 가장 큰 영향을 미친다. 배터리; 단면적의 XNUMX가지 요소 중 모놀리식 양극의 단면적은 배터리의 에너지 밀도에 가장 큰 영향을 미친다.

.

.

그림 1a에서 전지의 비에너지는 극편 단위의 수, 양극 코팅량, 단일편 음극의 단면적에 따라 단조 증가함을 알 수 있으며, 이는 이전 부분의 이론적 분석; 배터리의 비에너지에 영향을 미치는 가장 중요한 요소는 Positive 코팅량입니다. 도 1b에서 전지의 에너지 밀도는 극편 단위의 수, 양극 코팅량, 양극 단일 면 면적에 따라 단조 증가함을 알 수 있으며, 이것 역시 정확성을 검증한다 이전 이론적 분석의; 배터리 에너지 밀도에 영향을 미치는 가장 중요한 요소는 모 놀리 식 양극의 단면 영역입니다. 위의 분석에 따르면 전지의 비에너지를 향상시키기 위해서는 양극 코팅량을 최대한 높이는 것이 관건이다. 양극 코팅량의 허용 가능한 상한선을 결정한 후 나머지 요소 수준을 조정하여 고객 요구 사항을 달성하십시오. 배터리의 에너지 밀도를 위해서는 모놀리식 양극의 단면적을 최대한 늘리는 것이 관건이다. 모 놀리 식 양극의 단면 영역의 허용 가능한 상한을 결정한 후 고객의 요구 사항에 맞게 나머지 요소 수준을 조정하십시오.

이에 따라 전지의 비에너지 및 에너지 밀도는 극편 단위의 수, 양극 코팅량, 단일 양극의 단면적에 따라 단조 증가한다는 결론을 내릴 수 있다. 극편 단위 수, 양극 코팅량, 단일 양극 단면적의 XNUMX가지 요인 중 양극 코팅량이 전지의 비에너지에 미치는 영향은 가장 중요한; 단면적의 XNUMX가지 요소 중 모놀리식 양극의 단면적은 배터리의 에너지 밀도에 가장 큰 영향을 미친다.

그런 다음 문헌[2]에 따르면, 정해진 재료 시스템과 가공 기술에서 배터리의 용량만 필요하고 배터리 크기 및 기타 성능 지표가 필요하지 않은 경우 배터리 품질을 최소화하는 방법이 논의됩니다. 수준. 양극판의 개수와 양극판의 종횡비를 독립변수로 하여 배터리 품질을 계산하면 식 (5)와 같다.

.

식 (5)에서 M(x, y)는 배터리의 총 질량입니다. x는 배터리의 양극 판 수입니다. y는 양극판의 종횡비입니다(그 값은 그림 2와 같이 너비를 길이로 나눈 값과 같습니다). k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7은 계수이며, 그 값은 배터리 용량, 재료 시스템 및 가공 기술 수준과 관련된 26개의 매개변수에 의해 결정됩니다(표 2 참조). 표 2의 매개변수가 결정된 후 , 각 계수 그러면 26개의 매개변수와 k1, k2, k3, k4, k5, k6 및 k7 간의 관계가 매우 간단하지만 유도 프로세스가 매우 번거로운 것으로 결정됩니다. 발표 (5)를 수학적으로 유도함으로써 양극판의 수와 양극판의 종횡비를 조정하여 모델 설계에서 달성할 수 있는 최소 배터리 품질을 얻을 수 있습니다.

.

그림 2 적층 배터리의 길이와 너비의 개략도

표 2 적층 셀 설계 매개변수

.

표 2에서 특정 값은 50.3Ah 용량의 배터리의 실제 매개변수 값입니다. 관련 매개변수는 k1, k2, k3, k4, k5, k6 및 k7이 각각 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609임을 결정합니다. , x는 21, y는 1.97006(양극의 폭은 329mln, 길이는 167mm)이다. 최적화 후 양극의 개수가 51개일 때 배터리 품질이 가장 작습니다.