TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech a ďalšie tímy v podstate dosiahli výskum a vývoj 300 Wh/kg napájacích batérií. Okrem toho stále existuje veľký počet jednotiek, ktoré vykonávajú súvisiace vývojové a výskumné práce.

Zloženie flexibilných obalových lítium-iónových batérií zvyčajne zahŕňa kladné elektródy, záporné elektródy, separátory, elektrolyty a ďalšie potrebné pomocné materiály, ako sú štítky, pásky a hliníkové plasty. Podľa potrieb diskusie autor tohto príspevku rozdeľuje látky v lítium-iónovej batérii s mäkkým obalom do dvoch kategórií: kombinácia jednotky pólového nástavca a materiálu neprispievajúceho energiu. Jednotka pólového nástavca sa vzťahuje na kladnú elektródu plus zápornú elektródu a všetky kladné elektródy a zápornú elektródu možno považovať za kombináciu jednotiek pólových nástavcov zložených z niekoľkých jednotiek pólových nástavcov; neprispievajúce energetické látky sa vzťahujú na všetky ostatné látky okrem kombinácie jednotiek pólových nástavcov, ako sú membrány, elektrolyty, pólové oká, hliníkové plasty, ochranné pásky a koncovky. páska atď. Pre bežné Li-ion batérie LiMO 2 (M = Co, Ni a Ni-Co-Mn atď.)/uhlíkový systém určuje kapacitu a energiu batérie kombinácia jednotiek pólových nástavcov.

V súčasnosti, aby sa dosiahol cieľ 300 Wh/kg hmotnostne špecifickej energie batérie, hlavné metódy zahŕňajú:

(1) Vyberte si vysokokapacitný materiálový systém, kladná elektróda je vyrobená z trojzložkového niklu a záporná elektróda je vyrobená z kremíkového uhlíka;

(2) Navrhnite vysokonapäťový elektrolyt na zlepšenie vypínacieho napätia;

(3) Optimalizácia formulácie suspenzie kladných a záporných elektród a zvýšenie podielu aktívneho materiálu v elektróde;

(4) Použite tenšiu medenú fóliu a hliníkovú fóliu na zníženie podielu kolektorov prúdu;

(5) Zvýšte množstvo povlaku kladných a záporných elektród a zvýšte podiel aktívnych materiálov v elektródach;

(6) Ovládajte množstvo elektrolytu, znižujte množstvo elektrolytu a zvyšujte špecifickú energiu lítium-iónových batérií;

(7) Optimalizujte štruktúru batérie a znížte podiel štítkov a obalových materiálov v batérii.

Spomedzi troch foriem batérie valcového, štvorcového tvrdého plášťa a mäkkého laminovaného plechu má mäkká batéria charakteristiky flexibilného dizajnu, nízkej hmotnosti, nízkeho vnútorného odporu, nie je ľahké vybuchnúť a má veľa cyklov a špecifickú energiu. Výkon batérie je tiež vynikajúci. Preto je laminovaná soft-pack napájacia lítium-iónová batéria v súčasnosti horúcou témou výskumu. V procese navrhovania modelu laminovanej soft-pack napájacej lítium-iónovej batérie možno hlavné premenné rozdeliť do nasledujúcich šiestich aspektov. Prvé tri možno považovať za určené úrovňou elektrochemického systému a konštrukčnými pravidlami a posledné tri sú zvyčajne návrhom modelu. premenné záujmu.

(1) Materiály a formulácie kladných a záporných elektród;

(2) hustota zhutnenia kladných a záporných elektród;

(3) pomer zápornej elektródovej kapacity (N) k kladnej elektródovej kapacite (P) (N/P);

(4) počet jednotiek pólových nástavcov (rovnajúci sa počtu kladných pólových nástavcov);

(5) Množstvo povlaku kladnej elektródy (na základe určenia N/P najskôr určte množstvo povlaku kladnej elektródy a potom určte množstvo povlaku zápornej elektródy);

(6) Jednostranná plocha jednej kladnej elektródy (určená dĺžkou a šírkou kladnej elektródy, keď sa určuje dĺžka a šírka kladnej elektródy, určuje sa aj veľkosť zápornej elektródy, a možno určiť veľkosť bunky).

Po prvé, podľa literatúry [1], vplyv počtu jednotiek pólových nástavcov, množstva povlaku kladnej elektródy a plochy jednej strany jedného kusu kladnej elektródy na špecifickú energiu a hustotu energie diskutuje sa o batérii. Špecifická energia (ES) batérie môže byť vyjadrená rovnicou (1).

obrázok

Vo vzorci (1): x je počet kladných elektród obsiahnutých v batérii; y je množstvo povlaku kladnej elektródy, kg/m2; z je jednostranná plocha jednej kladnej elektródy, m2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) je energia, ktorou môže prispieť jednotka pólového nástavca, Wh, vzorec výpočtu je znázornený vo vzorci (2).

obrázok

Vo vzorci (2): DAV je priemerné vybíjacie napätie, V; PC je pomer hmotnosti aktívneho materiálu kladnej elektródy k celkovej hmotnosti aktívneho materiálu kladnej elektródy plus vodivé činidlo a spojivo, %; SCC je špecifická kapacita aktívneho materiálu kladnej elektródy, Ah / kg; m(y, z) je hmotnosť jednotky pólového nástavca, kg a vzorec na výpočet je znázornený vo vzorci (3).

obrázok

Vo vzorci (3): KCT je pomer celkovej plochy monolitickej kladnej elektródy (súčet plochy povlaku a plochy fólie s uškom) k jednostrannej ploche monolitickej kladnej elektródy a je väčší ako 1; TAl je hrúbka hliníkového zberača prúdu, m; ρAl je hustota hliníkového kolektora prúdu, kg/m3; KA je pomer celkovej plochy každej zápornej elektródy k jednostrannej ploche jednej kladnej elektródy a je väčší ako 1; TCu je hrúbka medeného zberača prúdu, m; ρCu je medený zberač prúdu. Hustota, kg/m3; N/P je pomer zápornej elektródovej kapacity k kladnej elektródovej kapacite; PA je pomer hmotnosti aktívneho materiálu zápornej elektródy k celkovej hmotnosti aktívneho materiálu zápornej elektródy plus vodivé činidlo a spojivo, %; SCA je pomer kapacity aktívneho materiálu zápornej elektródy, Ah/kg. M(x, y, z) je hmotnosť energeticky neprispievajúcej látky, kg, vzorec na výpočet je uvedený vo vzorci (4)

obrázok

Vo vzorci (4): kAP je pomer hliníkovo-plastovej plochy k jednostrannej ploche jedinej kladnej elektródy a je väčší ako 1; SDAP je plošná hustota hliníka-plastu, kg/m2; mTab ​​je celková hmotnosť kladných a záporných elektród, ktorú možno vidieť z konštanty; mTape je celková hmotnosť pásky, ktorú možno považovať za konštantnú; kS je pomer celkovej plochy separátora k celkovej ploche listu kladnej elektródy a je väčší ako 1; SDS je plošná hustota separátora, kg/m2; kE je hmotnosť elektrolytu a batérie Pomer kapacity, koeficient je kladné číslo. Podľa toho možno usúdiť, že zvýšenie akéhokoľvek jednotlivého faktora x, y a z zvýši špecifickú energiu batérie.

Na štúdium významu vplyvu počtu jednotiek pólových nástavcov, množstva povlaku kladnej elektródy a jednostrannej plochy jedinej kladnej elektródy na špecifickú energiu a hustotu energie batérie sa použil elektrochemický pravidlá systému a dizajnu (to znamená určiť materiál elektródy a vzorec, hustotu zhutnenia a N/P atď.) a potom ortogonálne skombinovať každú úroveň troch faktorov, ako je počet jednotiek pólových nástavcov, množstvo povlak kladnej elektródy a jednostranná plocha jedného kusu kladnej elektródy, aby sa porovnal materiál elektródy určený určitou skupinou a analýza rozsahu bola vykonaná na vypočítanej špecifickej energii a hustote energie batérie na základe vzorec, zhutnená hustota a N/P. Výsledky ortogonálneho návrhu a výpočtu sú uvedené v tabuľke 1. Výsledky ortogonálneho návrhu boli analyzované pomocou metódy dosahu a výsledky sú znázornené na obrázku 1. Špecifická energia a hustota energie batérie sa monotónne zvyšuje s počtom jednotiek pólových nástavcov , množstvo povlaku kladnej elektródy a jednostranná plocha jednodielnej kladnej elektródy. Spomedzi troch faktorov, ktorými sú počet jednotiek pólových nástavcov, množstvo povlaku kladnej elektródy a jednostranná plocha jednej kladnej elektródy, má množstvo povlaku kladnej elektródy najvýznamnejší vplyv na špecifickú energiu elektródy. batéria; Spomedzi troch faktorov jednostrannej plochy má jednostranná plocha monolitickej katódy najvýznamnejší vplyv na energetickú hustotu batérie.

obrázok

obrázok

Z obrázku 1a je zrejmé, že špecifická energia batérie rastie monotónne s počtom jednotiek pólových nástavcov, množstvom katódového povlaku a jednostrannou plochou jednodielnej katódy, čo overuje správnosť teoretický rozbor v predchádzajúcej časti; najvýznamnejším faktorom ovplyvňujúcim špecifickú energiu batérie je množstvo kladného povlaku. Z obrázku 1b je zrejmé, že hustota energie batérie sa monotónne zvyšuje s počtom jednotiek pólových nástavcov, množstvom povlaku kladnej elektródy a jednostrannou plochou jednej kladnej elektródy, čo tiež overuje správnosť predchádzajúcej teoretickej analýzy; najvýznamnejším faktorom ovplyvňujúcim hustotu energie batérie je jednostranná plocha monolitickej kladnej elektródy. Podľa vyššie uvedenej analýzy je na zlepšenie špecifickej energie batérie kľúčom čo najviac zvýšiť množstvo povlaku kladnej elektródy. Po určení prijateľnej hornej hranice množstva povlaku kladnej elektródy upravte zostávajúce úrovne faktorov, aby ste dosiahli požiadavky zákazníka; Pre energetickú hustotu batérie je kľúčové čo najviac zväčšiť jednostrannú plochu monolitickej kladnej elektródy. Po určení prijateľnej hornej hranice jednostrannej plochy monolitickej kladnej elektródy upravte zostávajúce úrovne faktorov tak, aby vyhovovali požiadavkám zákazníka.

Z toho možno vyvodiť záver, že špecifická energia a hustota energie batérie monotónne narastajú s počtom jednotiek pólových nástavcov, množstvom povlaku kladnej elektródy a jednostrannou plochou jednej kladnej elektródy. Medzi tri faktory, ktorými sú počet jednotiek pólových nástavcov, množstvo povlaku kladnej elektródy a jednostranná plocha jednej kladnej elektródy, patrí vplyv množstva povlaku kladnej elektródy na špecifickú energiu batérie. najvýznamnejšie; Spomedzi troch faktorov jednostrannej plochy má jednostranná plocha monolitickej katódy najvýznamnejší vplyv na energetickú hustotu batérie.

Potom sa podľa literatúry [2] diskutuje o tom, ako minimalizovať kvalitu batérie, keď je potrebná len kapacita batérie a nie je potrebná veľkosť batérie a iné ukazovatele výkonu podľa stanoveného materiálového systému a technológie spracovania. úrovni. Výpočet kvality batérie s počtom kladných dosiek a pomerom strán kladných dosiek ako nezávislých premenných je znázornený vo vzorci (5).

obrázok

Vo vzorci (5) je M(x, y) celková hmotnosť batérie; x je počet kladných dosiek v batérii; y je pomer strán kladných dosiek (jeho hodnota sa rovná šírke vydelenej dĺžkou, ako je znázornené na obrázku 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 sú koeficienty a ich hodnoty sú určené 26 parametrami týkajúcimi sa kapacity batérie, materiálového systému a úrovne technológie spracovania, pozri tabuľku 2. Po určení parametrov v tabuľke 2 , každý koeficient Potom sa určí, že vzťah medzi 26 parametrami a k1, k2, k3, k4, k5, k6 a k7 je veľmi jednoduchý, ale proces odvodenia je veľmi ťažkopádny. Matematickým odvodením oznámenia (5), úpravou počtu kladných dosiek a pomeru strán kladných dosiek možno dosiahnuť minimálnu kvalitu batérie, ktorú možno dosiahnuť návrhom modelu.

obrázok

Obrázok 2 Schematický diagram dĺžky a šírky laminovanej batérie

Tabuľka 2 Parametre návrhu laminovanej bunky

obrázok

V tabuľke 2 je konkrétna hodnota skutočná hodnota parametra batérie s kapacitou 50.3Ah. Relevantné parametre určujú, že k1, k2, k3, k4, k5, k6 a k7 sú 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609. , x je 21, y je 1.97006 (šírka kladnej elektródy je 329 miliónov a dĺžka je 167 mm). Po optimalizácii, keď je počet kladných elektród 51, je kvalita batérie najmenšia.