TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech и другие команды в основном добились исследований и разработок аккумуляторов мощностью 300 Втч/кг. Кроме того, существует еще большое количество подразделений, выполняющих сопутствующие опытно-конструкторские и научно-исследовательские работы.

В состав гибкой упаковки литий-ионных аккумуляторов обычно входят положительные электроды, отрицательные электроды, сепараторы, электролиты и другие необходимые вспомогательные материалы, такие как язычки, ленты, алюминиевые пластики. В соответствии с потребностями обсуждения автор этой статьи делит вещества в мягкой упаковке литий-ионного аккумулятора на две категории: комбинация полюсного наконечника и материала, не дающего энергию. Блок полюсного наконечника относится к положительному электроду плюс отрицательный электрод, и все положительные электроды и отрицательный электрод можно рассматривать как комбинацию блоков полюсных наконечников, состоящую из нескольких блоков полюсных наконечников; не вносящие энергию вещества относятся ко всем другим веществам, за исключением комбинаций полюсных наконечников, таких как диафрагмы, электролиты, полюсные наконечники, алюминиевые пластмассы, защитные ленты и концевые заделки. лента и т. д. Для обычных литий-ионных аккумуляторов LiMO 2 (M = Co, Ni и Ni-Co-Mn и т. д.)/углеродная система комбинация полюсных наконечников определяет емкость и энергию аккумулятора.

В настоящее время для достижения цели удельной энергии массы батареи 300 Втч/кг к основным методам относятся:

(1) Выберите материальную систему с высокой емкостью, положительный электрод изготовлен из тройного никеля с высоким содержанием никеля, а отрицательный электрод изготовлен из кремнийуглерода;

(2) Разработать высоковольтный электролит для улучшения напряжения отключения заряда;

(3) оптимизировать состав суспензии положительного и отрицательного электрода и увеличить долю активного материала в электроде;

(4) Используйте более тонкую медную фольгу и алюминиевую фольгу, чтобы уменьшить долю токосъемников;

(5) Увеличьте количество покрытия положительных и отрицательных электродов и увеличьте долю активных материалов в электродах;

(6) Контролируйте количество электролита, уменьшайте количество электролита и увеличивайте удельную энергию литий-ионных аккумуляторов;

(7) Оптимизировать структуру батареи и уменьшить долю вкладок и упаковочных материалов в батарее.

Среди трех форм батарей: цилиндрической, квадратной с твердой оболочкой и ламинированного листа с мягкой упаковкой, батарея с мягкой упаковкой имеет характеристики гибкой конструкции, легкого веса, низкого внутреннего сопротивления, не легко взрывается, имеет много циклов и удельную энергию. производительность батареи также является выдающейся. Таким образом, ламинированная литий-ионная батарея с мягким корпусом в настоящее время является горячей темой исследований. В процессе проектирования модели ламинированной литий-ионной батареи с мягкой упаковкой основные переменные можно разделить на следующие шесть аспектов. Первые три можно считать определяемыми уровнем электрохимической системы и правилами проектирования, а последние три обычно являются модельным дизайном. интересующие переменные.

(1) Материалы и составы положительных и отрицательных электродов;

(2) плотность уплотнения положительных и отрицательных электродов;

(3) отношение емкости отрицательного электрода (N) к емкости положительного электрода (P) (N/P);

(4) Количество полюсных наконечников (равное количеству положительных полюсных наконечников);

(5) количество покрытия положительного электрода (на основе определения N/P сначала определяют количество покрытия положительного электрода, а затем определяют количество покрытия отрицательного электрода);

(6) Односторонняя площадь одного положительного электрода (определяется длиной и шириной положительного электрода, при определении длины и ширины положительного электрода также определяется размер отрицательного электрода, и можно определить размер ячейки).

Во-первых, согласно литературным данным [1], влияние количества полюсных наконечников, количества покрытия положительного электрода и односторонней площади одного отрезка положительного электрода на удельную энергию и плотность энергии батарея обсуждается. Удельная энергия (ES) батареи может быть выражена уравнением (1).

картина

В формуле (1): x – количество положительных электродов, содержащихся в батарее; y – количество покрытия положительного электрода, кг/м2; z – односторонняя площадь одного положительного электрода, м2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) – энергия, которую может внести полюсный наконечник, Вт·ч, расчетная формула представлена ​​в формуле (2).

картина

В формуле (2): DAV – среднее напряжение разряда, В; PC представляет собой отношение массы активного материала положительного электрода к общей массе активного материала положительного электрода плюс проводящий агент и связующее, %; SCC – удельная емкость активного материала положительного электрода, Ач/кг; m(y, z) – масса единицы полюсного наконечника, кг, формула расчета приведена в формуле (3).

картина

В формуле (3): КСТ представляет собой отношение общей площади монолитного положительного электрода (сумма площади покрытия и площади язычка фольги) к односторонней площади монолитного положительного электрода, и составляет больше 1; TAl – толщина алюминиевого токоприемника, м; ρAl – плотность алюминиевого токоприемника, кг/м3; КА представляет собой отношение общей площади каждого отрицательного электрода к односторонней площади одного положительного электрода и больше 1; TCu – толщина медного токоприемника, м; ρCu — медный токосъемник. Плотность, кг/м3; N/P – отношение емкости отрицательного электрода к емкости положительного электрода; PA – отношение массы активного материала отрицательного электрода к общей массе активного материала отрицательного электрода плюс проводящий агент и связующее, %; SCA – отношение емкости активного материала отрицательного электрода, Ач/кг. M(x, y, z) – масса неэнергоотдающего вещества, кг, формула расчета приведена в формуле (4)

картина

В формуле (4): kAP представляет собой отношение площади алюминиево-пластика к односторонней площади одиночного положительного электрода и больше 1; SDAP – поверхностная плотность алюминиево-пластика, кг/м2; mTab — общая масса положительного и отрицательного электродов, которую видно из — константа; mTape — общая масса ленты, которую можно считать константой; kS – отношение общей площади сепаратора к общей площади листа положительного электрода, больше 1; SDS – плотность сепаратора, кг/м2; kE – масса электролита и аккумулятора. Отношение емкости, коэффициент – положительное число. В соответствии с этим можно сделать вывод, что увеличение любого отдельного фактора x, y и z приведет к увеличению удельной энергии батареи.

Для изучения значимости влияния количества полюсных наконечников, количества покрытия положительного электрода и односторонней площади одиночного положительного электрода на удельную энергию и плотность энергии батареи был проведен электрохимический анализ. система и правила проектирования (то есть, чтобы определить материал и формулу электрода, плотность уплотнения и N / P и т. д.), а затем ортогонально объединить каждый уровень трех факторов, таких как количество единиц полюсных наконечников, количество покрытие положительного электрода и односторонняя площадь одного куска положительного электрода, чтобы сравнить материал электрода, определенный определенной группой, и анализ диапазона был выполнен на основе расчетной удельной энергии и плотности энергии батареи на основе формула, уплотненная плотность и N/P. Ортогональная конструкция и результаты расчетов показаны в таблице 1. Результаты ортогональной конструкции были проанализированы с использованием метода диапазона, и результаты показаны на рисунке 1. Удельная энергия и плотность энергии батареи монотонно возрастают с увеличением количества полюсных наконечников. , количество покрытия положительного электрода и односторонняя площадь цельного положительного электрода. Среди трех факторов, таких как количество полюсных наконечников, количество покрытия положительного электрода и односторонняя площадь одного положительного электрода, количество покрытия положительного электрода оказывает наиболее значительное влияние на удельную энергию. батарея; Среди трех факторов односторонней площади наиболее существенное влияние на плотность энергии батареи оказывает односторонняя площадь монолитного катода.

картина

картина

Из рисунка 1а видно, что удельная энергия батареи монотонно возрастает с увеличением количества полюсных наконечников, величины катодного покрытия и односторонней площади цельного катода, что подтверждает правильность расчета. теоретический анализ в предыдущей части; наиболее существенным фактором, влияющим на удельную энергию батареи, является количество положительного покрытия. Из рисунка 1б видно, что плотность энергии батареи монотонно возрастает с увеличением количества полюсных наконечников, количества покрытия положительного электрода и односторонней площади одного положительного электрода, что также подтверждает правильность предыдущего теоретического анализа; наиболее значимым фактором, влияющим на плотность энергии батареи, является односторонняя площадь монолитного положительного электрода. Согласно приведенному выше анализу, чтобы улучшить удельную энергию батареи, необходимо максимально увеличить количество покрытия положительного электрода. После определения приемлемого верхнего предела количества покрытия положительного электрода отрегулируйте остальные уровни коэффициента в соответствии с требованиями заказчика; Для плотности энергии батареи ключом является максимальное увеличение односторонней площади монолитного положительного электрода. После определения допустимого верхнего предела односторонней площади монолитного положительного электрода отрегулируйте остальные уровни фактора в соответствии с требованиями заказчика.

В соответствии с этим можно сделать вывод, что удельная энергия и плотность энергии батареи монотонно увеличиваются с увеличением количества полюсных наконечников, количества покрытия положительного электрода и односторонней площади одного положительного электрода. Среди трех факторов, таких как количество полюсных наконечников, количество покрытия положительного электрода и односторонняя площадь одного положительного электрода, влияние количества покрытия положительного электрода на удельную энергию батареи наиболее значимый; Среди трех факторов односторонней площади наиболее существенное влияние на плотность энергии батареи оказывает односторонняя площадь монолитного катода.

Затем, согласно литературным данным [2], обсуждается, как минимизировать качество батареи, когда требуется только емкость батареи, а размер батареи и другие эксплуатационные показатели не требуются при определенной системе материалов и технологии обработки. уровень. Расчет качества батареи с количеством положительных пластин и соотношением сторон положительных пластин в качестве независимых переменных показан в формуле (5).

картина

В формуле (5) М(х, у) — полная масса батареи; х – количество положительных пластин в аккумуляторе; y – отношение сторон положительных пластин (его значение равно отношению ширины к длине, как показано на рис. 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 – коэффициенты, и их значения определяются 26 параметрами, относящимися к емкости аккумулятора, системе материалов и уровню технологии обработки, см. табл. 2. После определения параметров в табл. 2 , каждый коэффициент Затем определяется, что связь между 26 параметрами и k1, k2, k3, k4, k5, k6 и k7 очень проста, но процесс вывода очень громоздкий. Математически рассчитывая объявление (5), регулируя количество положительных пластин и соотношение сторон положительных пластин, можно получить минимальное качество батареи, которое может быть достигнуто конструкцией модели.

картина

Рисунок 2 Схематическая диаграмма длины и ширины ламинированной батареи

Таблица 2 Параметры конструкции ламинированной ячейки

картина

В таблице 2 конкретное значение представляет собой фактическое значение параметра батареи емкостью 50.3 Ач. Соответствующие параметры определяют, что k1, k2, k3, k4, k5, k6 и k7 равны 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609 соответственно. , x равно 21, y равно 1.97006 (ширина положительного электрода 329 млн, длина 167 мм). После оптимизации, когда количество положительных электродов равно 51, качество батареи самое низкое.