TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech și alte echipe au realizat practic cercetarea și dezvoltarea bateriilor de 300 Wh/kg. În plus, există încă un număr mare de unități care desfășoară activități de dezvoltare și cercetare conexe.

Compoziția bateriilor litiu-ion de ambalare flexibilă include de obicei electrozi pozitivi, electrozi negativi, separatori, electroliți și alte materiale auxiliare necesare, cum ar fi urechi, benzi și materiale plastice din aluminiu. Conform nevoilor discuției, autorul acestei lucrări împarte substanțele din bateria litiu-ion soft-pack în două categorii: combinația dintre unitatea de piesă polară și materialul necontributor de energie. Unitatea de piesă polară se referă la un electrod pozitiv plus un electrod negativ, iar toți electrozii pozitivi și Electrodul negativ poate fi privit ca o combinație de unități de piese polare compuse din mai multe unități de piese polare; substanțele energetice necontributive se referă la toate celelalte substanțe, cu excepția combinației de unități de piesă polară, cum ar fi diafragme, electroliți, urechi de stâlp, materiale plastice din aluminiu, benzi de protecție și terminale. bandă etc. Pentru bateriile comune LiMO 2 (M = Co, Ni și Ni-Co-Mn, etc.)/sistem de carbon Li-ion, combinația de unități de piesă polară determină capacitatea și energia bateriei.

În prezent, pentru a atinge obiectivul de 300Wh/kg de energie specifică masei bateriei, principalele metode includ:

(1) Selectați un sistem de materiale de mare capacitate, electrodul pozitiv este fabricat din ternar cu nichel ridicat, iar electrodul negativ este din carbon siliciu;

(2) Design high-voltage electrolyte to improve the charge cut-off voltage;

(3) Optimizați formularea șlamului de electrozi pozitivi și negativi și creșteți proporția de material activ în electrod;

(4) Folosiți folie de cupru mai subțire și folie de aluminiu pentru a reduce proporția colectoarelor de curent;

(5) Creșteți cantitatea de acoperire a electrozilor pozitivi și negativi și creșteți proporția de materiale active în electrozi;

(6) Controlați cantitatea de electrolit, reduceți cantitatea de electrolit și creșteți energia specifică a bateriilor litiu-ion;

(7) Optimizați structura bateriei și reduceți proporția de file și materiale de ambalare din baterie.

Among the three battery forms of cylindrical, square hard shell and soft-pack laminated sheet, the soft-pack battery has the characteristics of flexible design, light weight, low internal resistance, not easy to explode, and many cycles, and the specific energy performance of the battery is also outstanding. Therefore, the laminated soft-pack power lithium-ion battery is a hot research topic at present. In the model design process of laminated soft-pack power lithium-ion battery, the main variables can be divided into the following six aspects. The first three can be considered to be determined by the level of the electrochemical system and design rules, and the latter three are usually the model design. variables of interest.

(1) Materiale și formulări pentru electrozi pozitivi și negativi;

(2) Densitatea de compactare a electrozilor pozitivi și negativi;

(3) Raportul dintre capacitatea electrodului negativ (N) și capacitatea electrodului pozitiv (P) (N/P);

(4) Numărul de unități de piesă polară (egal cu numărul de piese polare pozitive);

(5) Cantitatea de acoperire a electrodului pozitiv (pe baza determinării N/P, determinați mai întâi cantitatea de acoperire a electrodului pozitiv, apoi determinați cantitatea de acoperire a electrodului negativ);

(6) Zona cu o singură față a unui singur electrod pozitiv (determinată de lungimea și lățimea electrodului pozitiv, când se determină lungimea și lățimea electrodului pozitiv, se determină și dimensiunea electrodului negativ și se poate determina dimensiunea celulei).

În primul rând, conform literaturii [1], influența numărului de unități de piese polare, a cantității de acoperire cu electrod pozitiv și a zonei cu o singură parte a unei singure piese de electrod pozitiv asupra energiei specifice și a densității de energie a se discuta bateria. Energia specifică (ES) a bateriei poate fi exprimată prin ecuația (1).

imagine

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).

imagine

În formula (2): DAV este tensiunea medie de descărcare, V; PC este raportul dintre masa materialului activ electrod pozitiv și masa totală a materialului activ electrod pozitiv plus agent conductor și liant, %; SCC este capacitatea specifică a materialului activ al electrodului pozitiv, Ah/kg; m(y, z) este masa unei unități de piesă polară, kg, iar formula de calcul este prezentată în formula (3).

imagine

În formula (3): KCT este raportul dintre suprafața totală a electrodului pozitiv monolitic (suma suprafeței de acoperire și suprafața foliei de tablă) și zona cu o singură față a electrodului pozitiv monolitic și este mai mare de 1; TAl este grosimea colectorului de curent din aluminiu, m; ρAl este densitatea colectorului de curent din aluminiu, kg/m3; KA este raportul dintre suprafața totală a fiecărui electrod negativ și zona cu o singură față a unui singur electrod pozitiv și este mai mare decât 1; TCu este grosimea colectorului de curent din cupru, m; ρCu este colectorul de curent din cupru. Densitatea, kg/m3; N/P este raportul dintre capacitatea electrodului negativ și capacitatea electrodului pozitiv; PA este raportul dintre masa materialului activ al electrodului negativ și masa totală a materialului activ al electrodului negativ plus agentul conductor și liantul, %; SCA este raportul dintre capacitatea materialului activ al electrodului negativ, Ah/kg. M(x, y, z) este masa substanței care nu aportă energie, kg, formula de calcul este prezentată în formula (4)

imagine

În formula (4): kAP este raportul dintre suprafața din aluminiu-plastic și zona cu o singură față a electrodului pozitiv unic și este mai mare decât 1; SDAP este densitatea suprafață a aluminiului-plastic, kg/m2; mTab ​​este masa totală a electrozilor pozitivi și negativi, care poate fi văzută dintr-o constantă; mTape este masa totală a benzii, care poate fi privită ca o constantă; kS este raportul dintre suprafața totală a separatorului și suprafața totală a foii electrodului pozitiv și este mai mare decât 1; SDS este densitatea suprafață a separatorului, kg/m2; kE este masa electrolitului și a bateriei Raportul dintre capacitatea, coeficientul este un număr pozitiv. În conformitate cu aceasta, se poate concluziona că creșterea oricărui factor unic al lui x, y și z va crește energia specifică a bateriei.

Pentru a studia semnificația influenței numărului de unități de piese polare, a cantității de acoperire a electrodului pozitiv și a zonei cu o singură față a electrodului pozitiv unic asupra energiei specifice și a densității de energie a bateriei, un electrochimic regulile de sistem și de proiectare (adică pentru a determina materialul și formula electrodului, densitatea de compactare și N/P etc.) și apoi combinați ortogonal fiecare nivel al celor trei factori, cum ar fi numărul de unități de piesă polară, cantitatea de acoperirea electrodului pozitiv și zona cu o singură față a unei singure piese de electrod pozitiv, pentru a compara materialul electrodului determinat de un anumit grup și analiza intervalului a fost efectuată pe energia specifică calculată și densitatea de energie a bateriei pe baza formula, densitatea compactată și N/P. Rezultatele de proiectare ortogonală și de calcul sunt prezentate în Tabelul 1. Rezultatele de proiectare ortogonală au fost analizate folosind metoda intervalului, iar rezultatele sunt prezentate în Figura 1. Energia specifică și densitatea de energie a bateriei cresc monoton cu numărul de unități de piesă polară , cantitatea de acoperire a electrodului pozitiv și zona cu o singură față a unui electrod pozitiv dintr-o singură bucată. Dintre cei trei factori ai numărului de unități de piese polare, a cantității de acoperire a electrodului pozitiv și a suprafeței cu o singură față a unui singur electrod pozitiv, cantitatea de acoperire a electrodului pozitiv are cel mai semnificativ impact asupra energiei specifice a baterie; Dintre cei trei factori ai zonei cu o singură față, zona cu o singură față a catodului monolitic are cel mai semnificativ impact asupra densității energetice a bateriei.

imagine

imagine

Se poate observa din figura 1a că energia specifică a bateriei crește monoton cu numărul de unități de piesă polară, cantitatea de acoperire catodică și zona cu o singură față a catodului dintr-o singură bucată, ceea ce verifică corectitudinea analiza teoretică din partea anterioară; cel mai semnificativ factor care afectează energia specifică a bateriei este cantitatea de acoperire pozitivă. Se poate observa din Figura 1b că densitatea de energie a bateriei crește monoton odată cu numărul de unități de piesă polară, cantitatea de acoperire a electrodului pozitiv și zona cu o singură față a unui singur electrod pozitiv, care verifică, de asemenea, corectitudinea. a analizei teoretice anterioare; cel mai semnificativ factor care afectează densitatea energiei bateriei este zona cu o singură față a electrodului pozitiv monolitic. Conform analizei de mai sus, pentru a îmbunătăți energia specifică a bateriei, este cheia să creștem cât mai mult posibil cantitatea de acoperire a electrodului pozitiv. După determinarea limitei superioare acceptabile a cantității de acoperire a electrodului pozitiv, ajustați nivelurile de factor rămase pentru a îndeplini cerințele clientului; Pentru densitatea de energie a bateriei, este cheia să creșteți cât mai mult posibil suprafața cu o singură față a electrodului pozitiv monolitic. După determinarea limitei superioare acceptabile a zonei cu o singură față a electrodului pozitiv monolitic, ajustați nivelurile de factor rămase pentru a îndeplini cerințele clientului.

În conformitate cu aceasta, se poate concluziona că energia specifică și densitatea de energie a bateriei cresc în mod monoton odată cu numărul de unități de piesă polară, cantitatea de acoperire a electrodului pozitiv și zona cu o singură față a unui singur electrod pozitiv. Printre cei trei factori ai numărului de unități de piesă polară, cantitatea de acoperire a electrodului pozitiv și zona cu o singură față a unui singur electrod pozitiv, impactul cantității de acoperire a electrodului pozitiv asupra energiei specifice a bateriei este cel mai semnificativ; Dintre cei trei factori ai zonei cu o singură față, zona cu o singură față a catodului monolitic are cel mai semnificativ impact asupra densității energetice a bateriei.

Apoi, conform literaturii de specialitate [2], se discută cum să minimizeze calitatea bateriei atunci când este necesară doar capacitatea bateriei, iar dimensiunea bateriei și alți indicatori de performanță nu sunt necesari în cadrul sistemului de materiale determinate și al tehnologiei de procesare. nivel. Calculul calității bateriei cu numărul de plăci pozitive și raportul de aspect al plăcilor pozitive ca variabile independente este prezentat în formula (5).

imagine

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.

imagine

Figura 2 Schema schematică a lungimii și lățimii bateriei laminate

Tabelul 2 Parametrii de proiectare a celulei laminate

imagine

În Tabelul 2, valoarea specifică este valoarea reală a parametrului bateriei cu o capacitate de 50.3 Ah. Parametrii relevanți determină că k1, k2, k3, k4, k5, k6 și k7 sunt 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, respectiv 921.609. , x este 21, y este 1.97006 (lățimea electrodului pozitiv este de 329 mln, iar lungimea este de 167 mm). După optimizare, când numărul de electrozi pozitivi este 51, calitatea bateriei este cea mai mică.