TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech en andere teams hebben in feite het onderzoek en de ontwikkeling van 300 Wh/kg stroombatterijen bereikt. Daarnaast zijn er nog steeds een groot aantal eenheden die verwante ontwikkelings- en onderzoekswerkzaamheden uitvoeren.

De samenstelling van flexibele lithium-ionbatterijen omvat meestal positieve elektroden, negatieve elektroden, separatoren, elektrolyten en andere noodzakelijke hulpmaterialen, zoals lipjes, tapes en aluminiumkunststoffen. Volgens de behoeften van de discussie verdeelt de auteur van dit artikel de stoffen in de soft-pack lithium-ionbatterij in twee categorieën: de combinatie van de poolstukeenheid en het niet-energieleverende materiaal. De poolstukeenheid verwijst naar een positieve elektrode plus een negatieve elektrode, en alle positieve elektroden en de negatieve elektrode kunnen worden beschouwd als een combinatie van poolstukeenheden bestaande uit verschillende poolstukeenheden; niet-bijdragende energiesubstanties verwijzen naar alle andere substanties behalve de combinatie van poolstukeenheden, zoals diafragma’s, elektrolyten, poolschoenen, aluminiumplastieken, beschermende banden en afsluitingen. tape etc. Voor de gewone LiMO 2 (M = Co, Ni en Ni-Co-Mn, etc.)/koolstof systeem Li-ion accu’s bepaalt de combinatie van poolstuk units de capaciteit en energie van de accu.

Op dit moment zijn de belangrijkste methoden om het doel van 300 Wh/kg batterijmassaspecifieke energie te bereiken:

(1) Selecteer een materiaalsysteem met hoge capaciteit, de positieve elektrode is gemaakt van ternair hoog nikkel en de negatieve elektrode is gemaakt van siliciumkoolstof;

(2) Ontwerp hoogspanningselektrolyt om de laaduitschakelspanning te verbeteren;

(3) Optimaliseer de formulering van positieve en negatieve elektrodeslurry en verhoog het aandeel actief materiaal in de elektrode;

(4) Gebruik dunnere koperfolie en aluminiumfolie om het aandeel stroomcollectoren te verminderen;

(5) Verhoog de coatinghoeveelheid van de positieve en negatieve elektroden en verhoog het aandeel actieve materialen in de elektroden;

(6) Control the amount of electrolyte, reduce the amount of electrolyte and increase the specific energy of lithium-ion batteries;

(7) Optimaliseer de structuur van de batterij en verminder het aandeel lipjes en verpakkingsmateriaal in de batterij.

Van de drie batterijvormen van cilindrische, vierkante harde schaal en soft-pack gelamineerde plaat, heeft de soft-pack-batterij de kenmerken van een flexibel ontwerp, lichtgewicht, lage interne weerstand, niet gemakkelijk te exploderen en vele cycli, en de specifieke energie prestatie van de batterij is ook uitstekend. Daarom is de gelamineerde soft-pack power lithium-ionbatterij op dit moment een populair onderzoeksonderwerp. In het modelontwerpproces van een gelamineerde soft-pack power lithium-ionbatterij, kunnen de belangrijkste variabelen worden onderverdeeld in de volgende zes aspecten. De eerste drie kunnen worden geacht te worden bepaald door het niveau van het elektrochemische systeem en ontwerpregels, en de laatste drie zijn meestal het modelontwerp. variabelen van belang.

(1) Positieve en negatieve elektrodematerialen en formuleringen;

(2) The compaction density of positive and negative electrodes;

(3) De verhouding van negatieve elektrodecapaciteit (N) tot positieve elektrodecapaciteit (P) (N/P);

(4) Het aantal poolstukeenheden (gelijk aan het aantal positieve poolstukken);

(5) Positieve elektrodecoatinghoeveelheid (bepaal op basis van N/P-bepaling eerst de positieve elektrodecoatinghoeveelheid en bepaal vervolgens de negatieve elektrodecoatinghoeveelheid);

(6) Het enkelzijdige gebied van een enkele positieve elektrode (bepaald door de lengte en breedte van de positieve elektrode, wanneer de lengte en breedte van de positieve elektrode worden bepaald, wordt ook de grootte van de negatieve elektrode bepaald, en de grootte van de cel kan worden bepaald).

Ten eerste, volgens de literatuur [1], de invloed van het aantal poolstukeenheden, de hoeveelheid positieve elektrodecoating en het enkelzijdige gebied van een enkel stuk positieve elektrode op de specifieke energie en energiedichtheid van de batterij wordt besproken. De specifieke energie (ES) van de batterij kan worden uitgedrukt door vergelijking (1).

beeld

In formula (1): x is the number of positive electrodes contained in the battery; y is the coating amount of the positive electrode, kg/m2; z is the single-sided area of ​​a single positive electrode, m2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) is the energy that a pole piece unit can contribute, Wh, the calculation formula is shown in formula (2).

beeld

In formule (2): DAV is de gemiddelde ontlaadspanning, V; PC is de verhouding van de massa van het actieve materiaal van de positieve elektrode tot de totale massa van het actieve materiaal van de positieve elektrode plus geleidend middel en bindmiddel, %; SCC is de specifieke capaciteit van het actieve materiaal van de positieve elektrode, Ah / kg; m(y, z) is de massa van een poolstukeenheid, kg, en de berekeningsformule wordt weergegeven in formule (3).

beeld

In formule (3): KCT is de verhouding van het totale oppervlak van de monolithische positieve elektrode (de som van het coatinggebied en het lipfoliegebied) tot het enkelzijdige gebied van de monolithische positieve elektrode, en is groter dan 1; TAl is de dikte van de aluminium stroomafnemer, m; ρAl is de dichtheid van de aluminium stroomafnemer, kg/m3; KA is de verhouding van het totale oppervlak van elke negatieve elektrode tot het enkelzijdige gebied van een enkele positieve elektrode, en is groter dan 1; TCu is de dikte van de koperen stroomcollector, m; ρCu is de koperen stroomafnemer. Dichtheid, kg/m3; N/P is de verhouding tussen negatieve elektrodecapaciteit en positieve elektrodecapaciteit; PA is de verhouding van de massa van het actieve materiaal van de negatieve elektrode tot de totale massa van het actieve materiaal van de negatieve elektrode plus geleidend middel en bindmiddel, %; SCA is de verhouding van de actieve materiaalcapaciteit van de negatieve elektrode, Ah/kg. M(x, y, z) is de massa van de niet-energieleverende stof, kg, de rekenformule staat in formule (4)

beeld

In formule (4): kAP is de verhouding van het aluminium-plastic gebied tot het enkelzijdige gebied van de enkele positieve elektrode, en is groter dan 1; SDAP is de oppervlaktedichtheid van het aluminium-plastic, kg/m2; mTab ​​is de totale massa van de positieve en negatieve elektroden, wat te zien is aan een constante; mTape is de totale massa van de tape, die als een constante kan worden beschouwd; kS is de verhouding van het totale oppervlak van de separator tot het totale oppervlak van het positieve elektrodevel en is groter dan 1; SDS is de oppervlaktedichtheid van de afscheider, kg/m2; kE is de massa van de elektrolyt en de batterij. De verhouding van de capaciteit, de coëfficiënt is een positief getal. Hieruit kan worden geconcludeerd dat de toename van een enkele factor van x, y en z de specifieke energie van de batterij zal verhogen.

Om de betekenis te bestuderen van de invloed van het aantal poolstukeenheden, de coatinghoeveelheid van de positieve elektrode en het enkelzijdige gebied van de enkele positieve elektrode op de specifieke energie en energiedichtheid van de batterij, een elektrochemische systeem- en ontwerpregels (d.w.z. om het elektrodemateriaal en de formule, de verdichtingsdichtheid en N/P, enz. te bepalen), en combineer vervolgens orthogonaal elk niveau van de drie factoren, zoals het aantal poolstukeenheden, de hoeveelheid positieve elektrodecoating en het enkelzijdige gebied van een enkel stuk positieve elektrode, om het elektrodemateriaal te vergelijken dat door een bepaalde groep is bepaald en de bereikanalyse werd uitgevoerd op de berekende specifieke energie en energiedichtheid van de batterij op basis van de formule, samengeperste dichtheid en N/P. De orthogonale ontwerp- en berekeningsresultaten zijn weergegeven in tabel 1. De orthogonale ontwerpresultaten zijn geanalyseerd met behulp van de bereikmethode en de resultaten zijn weergegeven in afbeelding 1. De specifieke energie en energiedichtheid van de batterij nemen monotoon toe met het aantal poolstukeenheden , de hoeveelheid positieve elektrodecoating en het enkelzijdige gebied van een positieve elektrode uit één stuk. Van de drie factoren van het aantal poolstukeenheden, de hoeveelheid positieve elektrodecoating en het enkelzijdige gebied van een enkele positieve elektrode, heeft de hoeveelheid positieve elektrodecoating de grootste invloed op de specifieke energie van de batterij; Van de drie factoren van het enkelzijdige gebied van, heeft het enkelzijdige gebied van de monolithische kathode de belangrijkste invloed op de energiedichtheid van de batterij.

beeld

beeld

Uit figuur 1a blijkt dat de specifieke energie van de batterij monotoon toeneemt met het aantal poolstukeenheden, de hoeveelheid kathodecoating en het enkelzijdige gebied van de kathode uit één stuk, wat de juistheid van de de theoretische analyse in het vorige deel; de belangrijkste factor die de specifieke energie van de batterij beïnvloedt, is de hoeveelheid positieve coating. Uit figuur 1b blijkt dat de energiedichtheid van de batterij monotoon toeneemt met het aantal poolstukeenheden, de hoeveelheid positieve elektrodecoating en het enkelzijdige gebied van een enkele positieve elektrode, wat ook de juistheid verifieert van de vorige theoretische analyse; de belangrijkste factor die de energiedichtheid van de batterij beïnvloedt, is het enkelzijdige gebied van de monolithische positieve elektrode. Volgens de bovenstaande analyse is het, om de specifieke energie van de batterij te verbeteren, de sleutel om de hoeveelheid positieve elektrodecoating zoveel mogelijk te vergroten. Na het bepalen van de aanvaardbare bovengrens van de hoeveelheid positieve elektrodecoating, past u de resterende factorniveaus aan om aan de eisen van de klant te voldoen; Voor de energiedichtheid van de batterij is het de sleutel om het enkelzijdige gebied van de monolithische positieve elektrode zoveel mogelijk te vergroten. Na het bepalen van de acceptabele bovengrens van het enkelzijdige gebied van de monolithische positieve elektrode, past u de resterende factorniveaus aan om aan de eisen van de klant te voldoen.

Hieruit kan worden geconcludeerd dat de specifieke energie en energiedichtheid van de batterij monotoon toenemen met het aantal poolstukeenheden, de hoeveelheid positieve elektrodecoating en het enkelzijdige gebied van een enkele positieve elektrode. Van de drie factoren van het aantal poolstukeenheden, de hoeveelheid positieve elektrodecoating en het enkelzijdige gebied van een enkele positieve elektrode, is de impact van de hoeveelheid positieve elektrodecoating op de specifieke energie van de batterij de belangrijkste; Van de drie factoren van het enkelzijdige gebied van, heeft het enkelzijdige gebied van de monolithische kathode de belangrijkste invloed op de energiedichtheid van de batterij.

Vervolgens wordt volgens de literatuur [2] besproken hoe de kwaliteit van de batterij kan worden geminimaliseerd wanneer alleen de capaciteit van de batterij vereist is, en de batterijgrootte en andere prestatie-indicatoren niet vereist zijn onder het bepaalde materiaalsysteem en de verwerkingstechnologie niveau. De berekening van de batterijkwaliteit met het aantal positieve platen en de aspectverhouding van positieve platen als onafhankelijke variabelen wordt weergegeven in formule (5).

beeld

In formula (5), M(x, y) is the total mass of the battery; x is the number of positive plates in the battery; y is the aspect ratio of the positive plates (its value is equal to the width divided by the length, as shown in Figure 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 are coefficients, and their values ​​are determined by 26 parameters related to battery capacity, material system and processing technology level, see Table 2. After the parameters in Table 2 are determined, each coefficient It is then determined that the relationship between the 26 parameters and k1, k2, k3, k4, k5, k6, and k7 is very simple, but the derivation process is very cumbersome. By mathematically deriving the announcement (5), by adjusting the number of positive plates and the aspect ratio of positive plates, the minimum battery quality that can be achieved by the model design can be obtained.

beeld

Figure 2 Schematic diagram of the length and width of the laminated battery

Tabel 2 Ontwerpparameters voor gelamineerde cellen

beeld

In tabel 2 is de specifieke waarde de werkelijke parameterwaarde van de batterij met een capaciteit van 50.3 Ah. De relevante parameters bepalen dat k1, k2, k3, k4, k5, k6 en k7 respectievelijk 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609 zijn. , x is 21, y is 1.97006 (de breedte van de positieve elektrode is 329 mln en de lengte is 167 mm). Na optimalisatie, wanneer het aantal positieve elektrode 51 is, is de batterijkwaliteit het kleinst.