TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech och andra team har i princip uppnått forskning och utveckling av 300 Wh/kg kraftbatterier. Därutöver finns fortfarande ett stort antal enheter som bedriver relaterat utvecklings- och forskningsarbete.

Sammansättningen av flexibla förpackningar av litiumjonbatterier inkluderar vanligtvis positiva elektroder, negativa elektroder, separatorer, elektrolyter och andra nödvändiga hjälpmaterial, såsom flikar, tejper och aluminiumplast. Enligt diskussionens behov delar författaren till denna artikel in substanserna i det mjuka litiumjonbatteriet i två kategorier: kombinationen av poldelen och det icke-energibidragande materialet. Polstycksenheten hänvisar till en positiv elektrod plus en negativ elektrod, och alla positiva elektroder och Den negativa elektroden kan betraktas som en kombination av polstycksenheter sammansatta av flera polstycksenheter; Med icke-bidragande energiämnen avses alla andra ämnen utom kombinationen av polstycksenheter, såsom membran, elektrolyter, polklackar, aluminiumplaster, skyddstejper och avslutningar. tejp etc. För de vanliga LiMO 2 (M = Co, Ni och Ni-Co-Mn, etc.)/kolsystem Li-ion batterier, bestämmer kombinationen av polstycksenheter batteriets kapacitet och energi.

För närvarande, för att uppnå målet på 300Wh/kg batterimassaspecifik energi, inkluderar de viktigaste metoderna:

(1) Välj ett materialsystem med hög kapacitet, den positiva elektroden är gjord av ternär hög nickel och den negativa elektroden är gjord av kiselkol;

(2) Designa högspänningselektrolyt för att förbättra laddningsgränsspänningen;

(3) Optimera formuleringen av positiv och negativ elektrodslurry och öka andelen aktivt material i elektroden;

(4) Använd tunnare kopparfolie och aluminiumfolie för att minska andelen strömavtagare;

(5) Öka beläggningsmängden för de positiva och negativa elektroderna och öka andelen aktiva material i elektroderna;

(6) Kontrollera mängden elektrolyt, minska mängden elektrolyt och öka den specifika energin hos litiumjonbatterier;

(7) Optimera batteriets struktur och minska andelen flikar och förpackningsmaterial i batteriet.

Bland de tre batteriformerna av cylindriskt, fyrkantigt hårt skal och mjukt laminerat ark, har softpack-batteriet egenskaperna för flexibel design, lätt vikt, lågt inre motstånd, inte lätt att explodera, och många cykler, och den specifika energin batteriets prestanda är också enastående. Därför är det laminerade mjuka litiumjonbatteriet ett hett forskningsämne för närvarande. I modelldesignprocessen för ett laminerat softpack-kraftlitiumjonbatteri kan huvudvariablerna delas in i följande sex aspekter. De tre första kan anses vara bestämda av nivån på det elektrokemiska systemet och designreglerna, och de tre sistnämnda är vanligtvis modelldesignen. variabler av intresse.

(1) Positiva och negativa elektrodmaterial och formuleringar;

(2) komprimeringsdensiteten för positiva och negativa elektroder;

(3) Förhållandet mellan negativ elektrodkapacitet (N) och positiv elektrodkapacitet (P) (N/P);

(4) Antalet polstycken (lika med antalet positiva polstycken);

(5) Mängden positiv elektrodbeläggning (på basis av N/P-bestämning, bestäm först den positiva elektrodbeläggningsmängden och bestäm sedan den negativa elektrodbeläggningsmängden);

(6) Det enkelsidiga området för en enda positiv elektrod (bestäms av längden och bredden på den positiva elektroden, när längden och bredden på den positiva elektroden bestäms, bestäms också storleken på den negativa elektroden, och storleken på cellen kan bestämmas).

För det första, enligt litteraturen [1], påverkan av antalet polstycksenheter, mängden positiv elektrodbeläggning och enkelsidesarean av ett enda stycke positiv elektrod på den specifika energin och energitätheten hos batteri diskuteras. Batteriets specifika energi (ES) kan uttryckas med ekvation (1).

Bild

I formel (1): x är antalet positiva elektroder som finns i batteriet; y är beläggningsmängden för den positiva elektroden, kg/m2; z är den enkelsidiga arean av en enda positiv elektrod, m2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) är den energi som en polstycksenhet kan bidra med, Wh, beräkningsformeln visas i formel (2).

Bild

I formel (2): DAV är den genomsnittliga urladdningsspänningen, V; PC är förhållandet mellan massan av det aktiva elektrodens aktiva material och den totala massan av det aktiva elektrodens aktiva material plus ledande medel och bindemedel, %; SCC är den specifika kapaciteten för det positiva elektrodens aktiva material, Ah / kg; m(y, z) är massan av en polstycksenhet, kg, och beräkningsformeln visas i formel (3).

Bild

I formel (3): KCT är förhållandet mellan den totala arean av den monolitiska positiva elektroden (summan av beläggningsarean och flikfoliearean) och den enkelsidiga arean av den monolitiska positiva elektroden, och är större än 1; TAL är tjockleken på aluminiumströmavtagaren, m; ρAl är densiteten för aluminiumströmavtagaren, kg/m3; KA är förhållandet mellan den totala arean för varje negativ elektrod och den enkelsidiga arean av en enda positiv elektrod, och är större än 1; TCu är tjockleken på kopparströmkollektorn, m; ρCu är kopparströmavtagaren. Densitet, kg/m3; N/P är förhållandet mellan negativ elektrodkapacitet och positiv elektrodkapacitet; PA är förhållandet mellan massan av negativt elektrodaktivt material och den totala massan av negativt elektrodaktivt material plus ledande medel och bindemedel, %; SCA är förhållandet mellan negativ elektrod aktivt material Kapacitet, Ah/kg. M(x, y, z) är massan av det icke-energibidragande ämnet, kg, beräkningsformeln visas i formel (4)

Bild

I formel (4): kAP är förhållandet mellan aluminium-plastytan och den enkelsidiga arean av den enda positiva elektroden och är större än 1; SDAP är yttätheten för aluminiumplasten, kg/m2; mTab är den totala massan av de positiva och negativa elektroderna, som kan ses från är en konstant; mTape är den totala massan av bandet, som kan betraktas som en konstant; kS är förhållandet mellan separatorns totala yta och den totala ytan av det positiva elektrodskiktet och är större än 1; SDS är avskiljarens yttäthet, kg/m2; kE är massan av elektrolyten och batteriet. Förhållandet mellan kapaciteten, koefficienten är ett positivt tal. Enligt detta kan man dra slutsatsen att ökningen av varje enskild faktor av x, y och z kommer att öka batteriets specifika energi.

För att studera betydelsen av påverkan av antalet polstycksenheter, beläggningsmängden av den positiva elektroden och den enkelsidiga arean av den enstaka positiva elektroden på batteriets specifika energi och energitäthet, en elektrokemisk system och designregler (det vill säga att bestämma elektrodens material och formel, komprimeringsdensitet och N/P, etc.), och sedan ortogonalt kombinera varje nivå av de tre faktorerna, såsom antalet polstycksenheter, mängden av positiv elektrodbeläggning, och den enkelsidiga arean av ett enda stycke positiv elektrod, för att jämföra elektrodmaterialet bestämt av en viss grupp och intervallanalysen utfördes på den beräknade specifika energin och energitätheten för batteriet baserat på formel, komprimerad densitet och N/P. Den ortogonala designen och beräkningsresultaten visas i tabell 1. De ortogonala designresultaten analyserades med avståndsmetoden och resultaten visas i figur 1. Batteriets specifika energi och energitäthet ökar monotont med antalet polstycksenheter , mängden positiv elektrodbeläggning och den enkelsidiga ytan av en positiv elektrod i ett stycke. Bland de tre faktorerna för antalet polstycksenheter, mängden positiv elektrodbeläggning och den enkelsidiga arean av en enda positiv elektrod, har mängden positiv elektrodbeläggning den mest betydande inverkan på den specifika energin hos batteri; Bland de tre faktorerna för det enkelsidiga området har det enkelsidiga området för den monolitiska katoden den mest betydande inverkan på batteriets energitäthet.

Bild

Bild

Det kan ses från figur 1a att batteriets specifika energi ökar monotont med antalet polstycksenheter, mängden katodbeläggning och den enkelsidiga arean av katoden i ett stycke, vilket verifierar riktigheten av den teoretiska analysen i föregående del; den viktigaste faktorn som påverkar batteriets specifika energi är den positiva beläggningsmängden. Det kan ses från figur 1b att batteriets energitäthet ökar monotont med antalet polstycksenheter, mängden positiv elektrodbeläggning och den enkelsidiga arean av en enda positiv elektrod, vilket också verifierar korrektheten av den tidigare teoretiska analysen; den viktigaste faktorn som påverkar batteriets energitäthet är det enkelsidiga området på den monolitiska positiva elektroden. Enligt ovanstående analys, för att förbättra batteriets specifika energi, är det nyckeln att öka den positiva elektrodbeläggningsmängden så mycket som möjligt. Efter att ha bestämt den acceptabla övre gränsen för den positiva elektrodbeläggningsmängden, justera de återstående faktornivåerna för att uppnå kundens krav; För batteriets energitäthet är det nyckeln att öka den enkelsidiga arean av den monolitiska positiva elektroden så mycket som möjligt. Efter att ha bestämt den acceptabla övre gränsen för det enkelsidiga området av den monolitiska positiva elektroden, justera de återstående faktornivåerna för att möta kundens krav.

Enligt detta kan man dra slutsatsen att batteriets specifika energi och energitäthet monotont ökar med antalet polstycksenheter, mängden positiv elektrodbeläggning och den enkelsidiga arean av en enda positiv elektrod. Bland de tre faktorerna för antalet polstycksenheter, mängden positiv elektrodbeläggning och den enkelsidiga arean av en enda positiv elektrod, är effekten av mängden positiv elektrodbeläggning på batteriets specifika energi den mest betydande; Bland de tre faktorerna för det enkelsidiga området har det enkelsidiga området för den monolitiska katoden den mest betydande inverkan på batteriets energitäthet.

Sedan, enligt litteraturen [2], diskuteras hur man minimerar batteriets kvalitet när endast batteriets kapacitet krävs, och batteristorleken och andra prestandaindikatorer inte krävs under det bestämda materialsystemet och bearbetningstekniken nivå. Beräkningen av batterikvaliteten med antalet positiva plattor och bildförhållandet för positiva plattor som oberoende variabler visas i formel (5).

Bild

I formel (5) är M(x, y) batteriets totala massa; x är antalet positiva plattor i batteriet; y är bildförhållandet för de positiva plattorna (dess värde är lika med bredden dividerat med längden, som visas i figur 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 är koefficienter, och deras värden bestäms av 26 parametrar relaterade till batterikapacitet, materialsystem och processtekniknivå, se tabell 2. Efter att parametrarna i tabell 2 har bestämts , varje koefficient Det bestäms sedan att förhållandet mellan de 26 parametrarna och k1, k2, k3, k4, k5, k6 och k7 är mycket enkelt, men härledningsprocessen är mycket besvärlig. Genom att matematiskt härleda meddelandet (5), genom att justera antalet positiva plattor och bildförhållandet för positiva plattor, kan den lägsta batterikvaliteten som kan uppnås med modelldesignen erhållas.

Bild

Figur 2 Schematisk bild av längden och bredden på det laminerade batteriet

Tabell 2 Designparametrar för laminerade celler

Bild

I tabell 2 är det specifika värdet det faktiska parametervärdet för batteriet med en kapacitet på 50.3Ah. De relevanta parametrarna bestämmer att k1, k2, k3, k4, k5, k6 och k7 är 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609. , x är 21, y är 1.97006 (bredden på den positiva elektroden är 329 mln och längden är 167 mm). Efter optimering, när antalet positiva elektroder är 51, är batterikvaliteten den minsta.