TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech i inne zespoły zasadniczo osiągnęły badania i rozwój akumulatorów o mocy 300 Wh/kg. Ponadto nadal istnieje duża liczba jednostek prowadzących związane z tym prace rozwojowe i badawcze.

W skład elastycznych opakowań akumulatorów litowo-jonowych wchodzą zwykle elektrody dodatnie, elektrody ujemne, separatory, elektrolity i inne niezbędne materiały pomocnicze, takie jak zakładki, taśmy i aluminiowe tworzywa sztuczne. Zgodnie z potrzebami dyskusji, autor artykułu dzieli substancje w baterii litowo-jonowej typu soft-pack na dwie kategorie: połączenie nabiegunnika i materiału niewnoszącego energię. Jednostka nabiegunników odnosi się do elektrody dodatniej plus elektrody ujemnej, a wszystkie elektrody dodatnie i Elektrodę ujemną można uważać za kombinację jednostek nabiegunników złożonych z kilku jednostek nabiegunników; Substancje niewnoszące energii odnoszą się do wszystkich innych substancji z wyjątkiem kombinacji jednostek nabiegunników, takich jak membrany, elektrolity, końcówki biegunowe, aluminiowe tworzywa sztuczne, taśmy ochronne i zakończenia. taśma itp. W przypadku zwykłych akumulatorów LiMO 2 (M = Co, Ni i Ni-Co-Mn, itp.)/węglowych akumulatorów Li-ion, kombinacja jednostek nabiegunników określa pojemność i energię akumulatora.

Obecnie, aby osiągnąć cel 300Wh/kg energii właściwej masy akumulatora, główne metody obejmują:

(1) wybierz system materiałów o dużej pojemności, elektroda dodatnia jest wykonana z trójskładnikowego niklu, a elektroda ujemna jest wykonana z węgla krzemowego;

(2) Zaprojektuj elektrolit wysokiego napięcia, aby poprawić napięcie odcięcia ładowania;

(3) Zoptymalizuj formułowanie zawiesiny elektrody dodatniej i ujemnej i zwiększ udział materiału aktywnego w elektrodzie;

(4) Użyj cieńszej folii miedzianej i folii aluminiowej, aby zmniejszyć udział kolektorów prądu;

(5) Zwiększ ilość powłoki elektrod dodatnich i ujemnych oraz zwiększ udział materiałów aktywnych w elektrodach;

(6) Kontroluj ilość elektrolitu, zmniejsz ilość elektrolitu i zwiększ energię właściwą akumulatorów litowo-jonowych;

(7) Zoptymalizuj strukturę baterii i zmniejsz udział zakładek i materiałów opakowaniowych w baterii.

Wśród trzech form baterii o cylindrycznej, kwadratowej twardej skorupie i laminowanym arkuszu w miękkim opakowaniu, bateria w miękkim opakowaniu charakteryzuje się elastyczną konstrukcją, lekkością, niską rezystancją wewnętrzną, niełatwą do wybuchu i wieloma cyklami oraz specyficzną energią wydajność baterii jest również znakomita. Dlatego akumulator litowo-jonowy z laminowanym miękkim opakowaniem jest obecnie gorącym tematem badawczym. W procesie projektowania modelu laminowanej baterii litowo-jonowej typu soft-pack, główne zmienne można podzielić na sześć następujących aspektów. Pierwsze trzy można uznać za określone przez poziom układu elektrochemicznego i zasady projektowania, a trzy ostatnie są zwykle projektami modelowymi. interesujące zmienne.

(1) Materiały i preparaty elektrod dodatnich i ujemnych;

(2) gęstość zagęszczenia elektrod dodatnich i ujemnych;

(3) Stosunek pojemności elektrody ujemnej (N) do pojemności elektrody dodatniej (P) (N/P);

(4) Liczba nabiegunników (równa liczbie dodatnich nabiegunników);

(5) Dodatnia ilość powłoki elektrody (na podstawie określenia N/P należy najpierw określić ilość powłoki elektrody dodatniej, a następnie określić ilość powłoki elektrody ujemnej);

(6) jednostronny obszar pojedynczej elektrody dodatniej (określony przez długość i szerokość elektrody dodatniej, gdy określa się długość i szerokość elektrody dodatniej, określa się również rozmiar elektrody ujemnej, oraz wielkość komórki można określić).

Po pierwsze, zgodnie z literaturą [1] wpływ liczby jednostek nabiegunnika, ilości otuliny elektrody dodatniej oraz jednostronnego pola powierzchni pojedynczego elementu elektrody dodatniej na energię właściwą i gęstość energii bateria jest omawiana. Energię właściwą (ES) akumulatora można wyrazić równaniem (1).

obraz

We wzorze (1): x to liczba dodatnich elektrod zawartych w akumulatorze; y jest ilością powłoki elektrody dodatniej, kg/m2; z jest jednostronnym obszarem pojedynczej elektrody dodatniej, m2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) to energia, jaką może wnieść jednostka nabiegunnika, Wh, wzór obliczeniowy pokazano we wzorze (2).

obraz

We wzorze (2): DAV to średnie napięcie rozładowania, V; PC jest stosunkiem masy materiału aktywnego elektrody dodatniej do całkowitej masy materiału aktywnego elektrody dodatniej plus środka przewodzącego i spoiwa, %; SCC to pojemność właściwa materiału aktywnego elektrody dodatniej, Ah / kg; m(y, z) jest masą jednostki nabiegunnika, kg, a wzór obliczeniowy przedstawia wzór (3).

obraz

We wzorze (3): KCT jest stosunkiem całkowitej powierzchni monolitycznej elektrody dodatniej (suma powierzchni powłoki i powierzchni folii zakładkowej) do jednostronnej powierzchni monolitycznej elektrody dodatniej i wynosi większa niż 1; TAl jest grubością aluminiowego odbieraka prądu, m; ρAl gęstość aluminiowego kolektora prądu, kg/m3; KA to stosunek całkowitej powierzchni każdej elektrody ujemnej do jednostronnego obszaru pojedynczej elektrody dodatniej i jest większy niż 1; TCu jest grubością miedzianego kolektora prądu, m; ρCu to miedziany kolektor prądu. Gęstość, kg/m3; N/P to stosunek pojemności elektrody ujemnej do pojemności elektrody dodatniej; PA jest stosunkiem masy materiału aktywnego elektrody ujemnej do całkowitej masy materiału aktywnego elektrody ujemnej plus środek przewodzący i spoiwo, %; SCA to stosunek pojemności materiału aktywnego elektrody ujemnej, Ah/kg. M(x, y, z) to masa substancji niewnoszącej wkładu energetycznego, kg, wzór obliczeniowy przedstawia wzór (4)

obraz

We wzorze (4): kAP jest stosunkiem powierzchni aluminiowo-plastikowej do jednostronnej powierzchni pojedynczej elektrody dodatniej i jest większy niż 1; SDAP to gęstość powierzchniowa aluminium-plastiku, kg/m2; mTab to całkowita masa elektrod dodatnich i ujemnych, z której widać, jest stała; mTape to całkowita masa taśmy, którą można uznać za stałą; kS jest stosunkiem całkowitej powierzchni separatora do całkowitej powierzchni arkusza elektrody dodatniej i jest większy niż 1; SDS to gęstość powierzchniowa separatora, kg/m2; kE to masa elektrolitu i akumulatora Stosunek pojemności, współczynnik jest liczbą dodatnią. Zgodnie z tym można stwierdzić, że wzrost dowolnego pojedynczego współczynnika x, y i z zwiększy energię właściwą baterii.

W celu zbadania znaczenia wpływu liczby jednostek nabiegunnika, ilości otuliny elektrody dodatniej i jednostronnego obszaru pojedynczej elektrody dodatniej na energię właściwą i gęstość energii akumulatora, zastosowano metodę elektrochemiczną. zasady systemu i projektowania (tj. określenie materiału elektrody i wzoru, gęstości zagęszczenia i N/P itp.), a następnie połącz ortogonalnie każdy poziom trzech czynników, takich jak liczba jednostek nabiegunników, ilość powłoka elektrody dodatniej i jednostronny obszar pojedynczego kawałka elektrody dodatniej, w celu porównania materiału elektrody określonego przez określoną grupę i analizę zakresu przeprowadzono na obliczonej energii właściwej i gęstości energii akumulatora na podstawie formuła, zagęszczona gęstość i N/P. Projektowanie ortogonalne i wyniki obliczeń przedstawiono w tabeli 1. Wyniki projektowania ortogonalnego zostały przeanalizowane metodą zakresów, a wyniki przedstawiono na rysunku 1. Energia właściwa i gęstość energii akumulatora wzrastają monotonicznie wraz z liczbą nabiegunników , ilość powłoki elektrody dodatniej i jednostronny obszar jednoczęściowej elektrody dodatniej. Spośród trzech czynników, takich jak liczba nabiegunników, ilość otuliny elektrody dodatniej i jednostronny obszar pojedynczej elektrody dodatniej, ilość otuliny elektrody dodatniej ma największy wpływ na energię właściwą bateria; Spośród trzech czynników jednostronnego obszaru katody, jednostronny obszar katody monolitycznej ma największy wpływ na gęstość energii akumulatora.

obraz

obraz

Z rysunku 1a widać, że energia właściwa akumulatora wzrasta monotonicznie wraz z liczbą nabiegunników, ilością powłoki katody oraz jednostronną powierzchnią katody jednoelementowej, co weryfikuje poprawność analiza teoretyczna w poprzedniej części; najważniejszym czynnikiem wpływającym na energię właściwą akumulatora jest ilość powłoki dodatniej. Z rysunku 1b widać, że gęstość energii akumulatora wzrasta monotonicznie wraz z liczbą nabiegunników, ilością otuliny elektrody dodatniej oraz jednostronną powierzchnią pojedynczej elektrody dodatniej, co również weryfikuje poprawność poprzedniej analizy teoretycznej; najważniejszym czynnikiem wpływającym na gęstość energii baterii jest jednostronny obszar monolitycznej elektrody dodatniej. Zgodnie z powyższą analizą, w celu poprawy energii właściwej akumulatora, kluczowe jest maksymalne zwiększenie ilości powłoki elektrody dodatniej. Po określeniu dopuszczalnej górnej granicy ilości otuliny elektrody dodatniej, dostosuj pozostałe poziomy współczynników, aby spełnić wymagania klienta; Dla gęstości energii akumulatora kluczowe jest maksymalne zwiększenie jednostronnego obszaru monolitycznej elektrody dodatniej. Po ustaleniu dopuszczalnej górnej granicy jednostronnego obszaru monolitycznej elektrody dodatniej, dostosuj pozostałe poziomy współczynników do wymagań klienta.

Zgodnie z tym można stwierdzić, że energia właściwa i gęstość energii akumulatora monotonicznie wzrastają wraz z liczbą nabiegunników, ilością otuliny elektrody dodatniej i jednostronną powierzchnią pojedynczej elektrody dodatniej. Wśród trzech czynników liczby jednostek nabiegunnika, ilości otuliny elektrody dodatniej i jednostronnego obszaru pojedynczej elektrody dodatniej, wpływ ilości otuliny elektrody dodatniej na energię właściwą akumulatora jest Najbardziej znaczące; Spośród trzech czynników jednostronnego obszaru katody, jednostronny obszar katody monolitycznej ma największy wpływ na gęstość energii akumulatora.

Następnie, zgodnie z literaturą [2], omówiono, jak zminimalizować jakość akumulatora, gdy wymagana jest tylko pojemność akumulatora, a wielkość akumulatora i inne wskaźniki wydajności nie są wymagane przy ustalonym systemie materiałowym i technologii przetwarzania poziom. Obliczenie jakości akumulatora z liczbą płyt dodatnich i współczynnikiem kształtu płyt dodatnich jako zmiennych niezależnych przedstawiono we wzorze (5).

obraz

We wzorze (5) M(x, y) to całkowita masa akumulatora; x to liczba dodatnich płyt w akumulatorze; y jest współczynnikiem kształtu płyt dodatnich (jego wartość jest równa szerokości podzielonej przez długość, jak pokazano na rysunku 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 są współczynnikami, a ich wartości określa 26 parametrów związanych z pojemnością akumulatora, systemem materiałowym i poziomem technologii przetwarzania, patrz Tabela 2. Po określeniu parametrów w tabeli 2 , każdy współczynnik Następnie określa się, że związek między 26 parametrami a k1, k2, k3, k4, k5, k6 i k7 jest bardzo prosty, ale proces wyprowadzania jest bardzo uciążliwy. Wyprowadzając matematycznie zapowiedź (5), dostosowując liczbę płyt dodatnich i współczynnik kształtu płyt dodatnich, można uzyskać minimalną jakość akumulatora, którą można osiągnąć za pomocą projektu modelu.

obraz

Rysunek 2 Schemat ideowy długości i szerokości laminowanej baterii

Tabela 2 Parametry projektowe ogniwa laminowanego

obraz

W tabeli 2 konkretną wartością jest rzeczywista wartość parametru akumulatora o pojemności 50.3 Ah. Odpowiednie parametry określają, że k1, k2, k3, k4, k5, k6 i k7 wynoszą odpowiednio 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609. , x to 21, y to 1.97006 (szerokość elektrody dodatniej to 329 mln, a długość to 167 mm). Po optymalizacji, gdy liczba elektrod dodatnich wynosi 51, jakość baterii jest najmniejsza.