TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech e outras equipes alcançaram basicamente a pesquisa e desenvolvimento de baterias de energia de 300 Wh/kg. Além disso, ainda há um grande número de unidades que realizam trabalhos de desenvolvimento e pesquisa relacionados.

A composição das baterias de íon de lítio de embalagem flexível geralmente inclui eletrodos positivos, eletrodos negativos, separadores, eletrólitos e outros materiais auxiliares necessários, como abas, fitas e plásticos de alumínio. De acordo com as necessidades da discussão, o autor deste artigo divide as substâncias na bateria de íon-lítio soft-pack em duas categorias: a combinação da unidade da peça polar e o material não contribuinte de energia. A unidade de peça polar refere-se a um eletrodo positivo mais um eletrodo negativo, e todos os eletrodos positivos e O eletrodo negativo pode ser considerado como uma combinação de unidades de peça polar composta por várias unidades de peça polar; substâncias energéticas não contribuintes referem-se a todas as outras substâncias, exceto a combinação de unidades de pólos, como diafragmas, eletrólitos, terminais de pólo, plásticos de alumínio, fitas protetoras e terminações. fita etc. Para as baterias Li-ion comuns do sistema LiMO 2 (M = Co, Ni e Ni-Co-Mn, etc.)/carbono, a combinação de unidades de peças polares determina a capacidade e a energia da bateria.

Atualmente, para atingir a meta de 300Wh/kg de energia específica da massa da bateria, os principais métodos incluem:

(1) Selecione um sistema de material de alta capacidade, o eletrodo positivo é feito de alto níquel ternário e o eletrodo negativo é feito de carbono de silício;

(2) Projete eletrólito de alta tensão para melhorar a tensão de corte de carga;

(3) Otimizar a formulação de pasta de eletrodo positivo e negativo e aumentar a proporção de material ativo no eletrodo;

(4) Use folha de cobre mais fina e folha de alumínio para reduzir a proporção de coletores de corrente;

(5) Aumente a quantidade de revestimento dos eletrodos positivos e negativos e aumente a proporção de materiais ativos nos eletrodos;

(6) Controlar a quantidade de eletrólito, reduzir a quantidade de eletrólito e aumentar a energia específica das baterias de íon-lítio;

(7) Otimize a estrutura da bateria e reduza a proporção de abas e materiais de embalagem na bateria.

Entre as três formas de bateria de casca dura cilíndrica, quadrada e folha laminada soft-pack, a bateria soft-pack tem as características de design flexível, peso leve, baixa resistência interna, não é fácil de explodir e muitos ciclos, e a energia específica desempenho da bateria também é excelente. Portanto, a bateria laminada de íon-lítio soft-pack power é um tópico de pesquisa quente no momento. No processo de projeto do modelo de bateria de íon-lítio laminada soft-pack power, as principais variáveis ​​podem ser divididas nos seis aspectos a seguir. Os três primeiros podem ser considerados determinados pelo nível do sistema eletroquímico e regras de projeto, e os três últimos são geralmente o projeto do modelo. variáveis ​​de interesse.

(1) Materiais e formulações de eletrodos positivos e negativos;

(2) A densidade de compactação dos eletrodos positivos e negativos;

(3) A razão entre a capacidade do eletrodo negativo (N) e a capacidade do eletrodo positivo (P) (N/P);

(4) O número de unidades de pólos (igual ao número de pólos positivos);

(5) Quantidade de revestimento de eletrodo positivo (com base na determinação de N/P, primeiro determine a quantidade de revestimento de eletrodo positivo e, em seguida, determine a quantidade de revestimento de eletrodo negativo);

(6) A área unilateral de um único eletrodo positivo (determinada pelo comprimento e largura do eletrodo positivo, quando o comprimento e a largura do eletrodo positivo são determinados, o tamanho do eletrodo negativo também é determinado, e o tamanho da célula pode ser determinado).

Primeiro, de acordo com a literatura [1], a influência do número de unidades de pólos, a quantidade de revestimento de eletrodo positivo e a área de um único lado de uma única peça de eletrodo positivo na energia específica e densidade de energia do bateria é discutida. A energia específica (ES) da bateria pode ser expressa pela equação (1).

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Na fórmula (1): x é o número de eletrodos positivos contidos na bateria; y é a quantidade de revestimento do eletrodo positivo, kg/m2; z é a área unilateral de um único eletrodo positivo, m2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) é a energia que uma unidade de pólo pode contribuir, Wh, a fórmula de cálculo é mostrada na fórmula (2).

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Na fórmula (2): DAV é a tensão média de descarga, V; PC é a razão da massa do material ativo do eletrodo positivo para a massa total do material ativo do eletrodo positivo mais agente condutor e ligante, %; SCC é a capacidade específica do material ativo do eletrodo positivo, Ah/kg; m(y, z) é a massa de uma unidade de peça polar, kg, e a fórmula de cálculo é mostrada na fórmula (3).

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Na fórmula (3): KCT é a razão entre a área total do eletrodo positivo monolítico (a soma da área de revestimento e a área da folha de guia) para a área unilateral do eletrodo positivo monolítico, e é maior que 1; TAl é a espessura do coletor de corrente de alumínio, m; ρAl é a densidade do coletor de corrente de alumínio, kg/m3; KA é a razão da área total de cada eletrodo negativo para a área unilateral de um único eletrodo positivo e é maior que 1; TCu é a espessura do coletor de corrente de cobre, m; ρCu é o coletor de corrente de cobre. Densidade, kg/m3; N/P é a razão entre a capacidade do eletrodo negativo e a capacidade do eletrodo positivo; PA é a razão entre a massa do material ativo do eletrodo negativo e a massa total do material ativo do eletrodo negativo mais o agente condutor e o ligante, %; SCA é a razão entre a capacidade do material ativo do eletrodo negativo, Ah/kg. M(x, y, z) é a massa da substância que não contribui com energia, kg, a fórmula de cálculo é mostrada na fórmula (4)

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Na fórmula (4): kAP é a razão da área de alumínio-plástico para a área unilateral do eletrodo positivo único e é maior que 1; SDAP é a densidade areal do plástico-alumínio, kg/m2; mTab ​​é a massa total dos eletrodos positivos e negativos, que pode ser visto de uma constante; mTape é a massa total da fita, que pode ser considerada uma constante; kS é a razão entre a área total do separador e a área total da folha de eletrodo positivo e é maior que 1; SDS é a densidade de área do separador, kg/m2; kE é a massa do eletrólito e da bateria A relação da capacidade, o coeficiente é um número positivo. De acordo com isso, pode-se concluir que o aumento de qualquer fator único de x, y e z aumentará a energia específica da bateria.

A fim de estudar o significado da influência do número de unidades de pólo, a quantidade de revestimento do eletrodo positivo e a área unilateral do eletrodo positivo único na energia específica e densidade de energia da bateria, um eletroquímico sistema e regras de projeto (ou seja, para determinar o material do eletrodo e fórmula, densidade de compactação e N/P, etc.), e então combinar ortogonalmente cada nível dos três fatores, como o número de unidades de pólos, a quantidade de revestimento de eletrodo positivo e a área de um lado de uma única peça de eletrodo positivo, para comparar o material do eletrodo determinado por um determinado grupo e a análise de alcance foi realizada na energia específica calculada e densidade de energia da bateria com base no fórmula, densidade compactada e N/P. O projeto ortogonal e os resultados do cálculo são mostrados na Tabela 1. Os resultados do projeto ortogonal foram analisados ​​usando o método de alcance, e os resultados são mostrados na Figura 1. A energia específica e a densidade de energia da bateria aumentam monotonicamente com o número de unidades de pólos , a quantidade de revestimento de eletrodo positivo e a área de um lado de um eletrodo positivo de peça única. Entre os três fatores do número de unidades de peças polares, a quantidade de revestimento de eletrodo positivo e a área unilateral de um único eletrodo positivo, a quantidade de revestimento de eletrodo positivo tem o impacto mais significativo na energia específica do bateria; Entre os três fatores da área unilateral de, a área unilateral do cátodo monolítico tem o impacto mais significativo na densidade de energia da bateria.

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Pode-se observar na Figura 1a que a energia específica da bateria aumenta monotonicamente com o número de unidades de pólos, a quantidade de revestimento do cátodo e a área unilateral do cátodo de peça única, o que verifica a exatidão do a análise teórica da parte anterior; o fator mais significativo que afeta a energia específica da bateria é a quantidade de revestimento positivo. Pode ser visto na Figura 1b que a densidade de energia da bateria aumenta monotonicamente com o número de unidades de pólos, a quantidade de revestimento do eletrodo positivo e a área unilateral de um único eletrodo positivo, o que também verifica a exatidão da análise teórica anterior; o fator mais significativo que afeta a densidade de energia da bateria é a área unilateral do eletrodo positivo monolítico. De acordo com a análise acima, para melhorar a energia específica da bateria, é fundamental aumentar a quantidade de revestimento do eletrodo positivo o máximo possível. Depois de determinar o limite superior aceitável da quantidade de revestimento do eletrodo positivo, ajuste os níveis de fator restantes para atender aos requisitos do cliente; Para a densidade de energia da bateria, é fundamental aumentar ao máximo a área unilateral do eletrodo positivo monolítico. Depois de determinar o limite superior aceitável da área unilateral do eletrodo positivo monolítico, ajuste os níveis de fator restantes para atender aos requisitos do cliente.

De acordo com isso, pode-se concluir que a energia específica e a densidade de energia da bateria aumentam monotonicamente com o número de unidades de peças polares, a quantidade de revestimento de eletrodo positivo e a área unilateral de um único eletrodo positivo. Entre os três fatores do número de unidades de peça polar, a quantidade de revestimento de eletrodo positivo e a área unilateral de um único eletrodo positivo, o impacto da quantidade de revestimento de eletrodo positivo na energia específica da bateria é o mais significativo; Entre os três fatores da área unilateral de, a área unilateral do cátodo monolítico tem o impacto mais significativo na densidade de energia da bateria.

Em seguida, de acordo com a literatura [2], é discutido como minimizar a qualidade da bateria quando apenas a capacidade da bateria é necessária, e o tamanho da bateria e outros indicadores de desempenho não são necessários sob determinado sistema de material e tecnologia de processamento nível. O cálculo da qualidade da bateria com o número de placas positivas e a proporção de placas positivas como variáveis ​​independentes é mostrado na fórmula (5).

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Na fórmula (5), M(x, y) é a massa total da bateria; x é o número de placas positivas na bateria; y é a razão de aspecto das placas positivas (seu valor é igual à largura dividida pelo comprimento, conforme mostrado na Figura 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 são coeficientes, e seus valores são determinados por 26 parâmetros relacionados à capacidade da bateria, sistema de material e nível de tecnologia de processamento, consulte a Tabela 2. Após os parâmetros da Tabela 2 serem determinados , cada coeficiente É então determinado que a relação entre os 26 parâmetros e k1, k2, k3, k4, k5, k6 e k7 é muito simples, mas o processo de derivação é muito complicado. Derivando matematicamente o anúncio (5), ajustando o número de placas positivas e a proporção de placas positivas, pode-se obter a qualidade mínima da bateria que pode ser alcançada pelo projeto do modelo.

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Figura 2 Diagrama esquemático do comprimento e largura da bateria laminada

Tabela 2 Parâmetros de projeto de células laminadas

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Na Tabela 2, o valor específico é o valor real do parâmetro da bateria com capacidade de 50.3Ah. Os parâmetros relevantes determinam que k1, k2, k3, k4, k5, k6 e k7 são 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609 respectivamente. , x é 21, y é 1.97006 (a largura do eletrodo positivo é 329 mln e o comprimento é 167 mm). Após a otimização, quando o número de eletrodos positivos é 51, a qualidade da bateria é a menor.