TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech และทีมอื่นๆ ประสบความสำเร็จในการวิจัยและพัฒนาแบตเตอรี่พลังงาน 300 Wh/kg โดยพื้นฐานแล้ว นอกจากนี้ยังมีหน่วยงานที่ดำเนินการพัฒนาและวิจัยที่เกี่ยวข้องเป็นจำนวนมาก

ส่วนประกอบของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับบรรจุภัณฑ์แบบยืดหยุ่นมักจะประกอบด้วยอิเล็กโทรดบวก อิเล็กโทรดลบ ตัวแยก อิเล็กโทรไลต์ และวัสดุเสริมที่จำเป็นอื่นๆ เช่น แถบ เทป และพลาสติกอะลูมิเนียม ตามความต้องการของการอภิปราย ผู้เขียนบทความนี้แบ่งสารในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบซอฟต์แพ็กออกเป็นสองประเภท ได้แก่ การรวมชิ้นส่วนขั้วบวกและวัสดุที่ไม่ก่อให้เกิดพลังงาน หน่วยขั้วบวกหมายถึงอิเล็กโทรดบวกบวกกับขั้วลบ และอิเล็กโทรดบวกทั้งหมดและอิเล็กโทรดลบถือได้ว่าเป็นการรวมกันของหน่วยขั้วบวกประกอบด้วยหน่วยขั้วหลายชิ้น สารที่ไม่ก่อให้เกิดพลังงานหมายถึงสารอื่น ๆ ทั้งหมด ยกเว้นการรวมหน่วยของชิ้นขั้ว เช่น ไดอะแฟรม อิเล็กโทรไลต์ ขั้วดึง พลาสติกอะลูมิเนียม เทปป้องกัน และส่วนปลาย เทป ฯลฯ สำหรับ LiMO 2 ทั่วไป (M = Co, Ni และ Ni-Co-Mn ฯลฯ)/แบตเตอรี่ Li-ion ของระบบคาร์บอน การรวมยูนิตแบบชิ้นขั้วจะกำหนดความจุและพลังงานของแบตเตอรี่

ในปัจจุบัน เพื่อให้บรรลุเป้าหมาย 300Wh/kg ของพลังงานจำเพาะมวลแบตเตอรี่ วิธีการหลัก ได้แก่ :

(1) เลือกระบบวัสดุความจุสูง อิเล็กโทรดบวกทำจากไตรภาคนิกเกิลสูงและอิเล็กโทรดลบทำจากซิลิกอนคาร์บอน

(2) ออกแบบอิเล็กโทรไลต์แรงดันสูงเพื่อปรับปรุงแรงดันไฟตัดประจุ

(3) ปรับสูตรของสารละลายอิเล็กโทรดบวกและลบให้เหมาะสมและเพิ่มสัดส่วนของวัสดุที่ใช้งานในอิเล็กโทรด

(4) ใช้ฟอยล์ทองแดงและอลูมิเนียมฟอยล์ที่บางลงเพื่อลดสัดส่วนของตัวสะสมกระแส

(5) เพิ่มปริมาณการเคลือบของอิเล็กโทรดบวกและลบ และเพิ่มสัดส่วนของวัสดุที่ใช้งานในอิเล็กโทรด

(6) ควบคุมปริมาณอิเล็กโทรไลต์ ลดปริมาณอิเล็กโทรไลต์ และเพิ่มพลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

(7) ปรับโครงสร้างของแบตเตอรี่ให้เหมาะสมและลดสัดส่วนของแถบและวัสดุบรรจุภัณฑ์ในแบตเตอรี่

ในบรรดารูปแบบแบตเตอรี่ทั้งสามแบบ ได้แก่ ทรงกระบอก เปลือกแข็งทรงสี่เหลี่ยม และแผ่นเคลือบแบบอ่อน แบตเตอรี่แบบอ่อนมีลักษณะการออกแบบที่ยืดหยุ่น น้ำหนักเบา ความต้านทานภายในต่ำ ไม่ระเบิดง่าย และหลายรอบ และพลังงานจำเพาะ ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่ก็โดดเด่นเช่นกัน ดังนั้นแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนแบบ soft-pack แบบเคลือบลามิเนตจึงเป็นหัวข้อวิจัยที่ร้อนแรงในปัจจุบัน ในกระบวนการออกแบบแบบจำลองของแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนพลังงานแบบเคลือบลามิเนต ตัวแปรหลักสามารถแบ่งออกเป็น XNUMX ด้านต่อไปนี้ สามข้อแรกพิจารณาได้จากระดับของระบบเคมีไฟฟ้าและกฎการออกแบบ และสามข้อหลังมักจะเป็นการออกแบบแบบจำลอง ตัวแปรที่น่าสนใจ

(1) วัสดุและสูตรอิเล็กโทรดบวกและลบ

(2) ความหนาแน่นของการบดอัดของขั้วบวกและขั้วลบ

(3) อัตราส่วนของความจุอิเล็กโทรดลบ (N) ต่อความจุของอิเล็กโทรดบวก (P) (N/P);

(4) จำนวนชิ้นขั้ว (เท่ากับจำนวนชิ้นขั้วบวก);

(5) ปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดบวก (บนพื้นฐานของการกำหนด N/P ให้กำหนดปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดบวกก่อน แล้วจึงกำหนดปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดเชิงลบ)

(6) พื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกเดียว (กำหนดโดยความยาวและความกว้างของอิเล็กโทรดบวก เมื่อกำหนดความยาวและความกว้างของอิเล็กโทรดบวก ขนาดของอิเล็กโทรดลบจะถูกกำหนดด้วยและ สามารถกำหนดขนาดของเซลล์ได้)

ประการแรก ตามวรรณกรรม [1] อิทธิพลของจำนวนชิ้นขั้ว จำนวนเคลือบขั้วบวก และพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกชิ้นเดียวต่อพลังงานจำเพาะและความหนาแน่นของพลังงาน มีการกล่าวถึงแบตเตอรี่ พลังงานจำเพาะ (ES) ของแบตเตอรี่สามารถแสดงได้ด้วยสมการ (1)

ภาพ

ในสูตร (1): x คือจำนวนขั้วไฟฟ้าบวกที่มีอยู่ในแบตเตอรี่ y คือปริมาณการเคลือบของอิเล็กโทรดบวก kg/m2; z คือพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกเดียว m2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) คือพลังงานที่หน่วยชิ้นขั้วสามารถมีส่วนร่วมได้ Wh สูตรการคำนวณแสดงในสูตร (2)

ภาพ

ในสูตร (2): DAV คือแรงดันการคายประจุเฉลี่ย V; PC คืออัตราส่วนของมวลของวัสดุแอคทีฟอิเล็กโทรดบวกต่อมวลรวมของวัสดุแอคทีฟอิเล็กโทรดบวกบวกกับสารนำไฟฟ้าและสารยึดเกาะ%; SCC คือความจุเฉพาะของวัสดุที่ใช้งานอิเล็กโทรดบวก Ah / kg; m(y, z) คือมวลของหน่วยของชิ้นขั้ว kg และสูตรการคำนวณแสดงในสูตร (3)

ภาพ

ในสูตร (3): KCT คืออัตราส่วนของพื้นที่ทั้งหมดของอิเล็กโทรดบวกเสาหิน (ผลรวมของพื้นที่เคลือบและพื้นที่ฟอยล์แท็บ) ต่อพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกเสาหินและเป็น มากกว่า 1; TAL คือความหนาของตัวสะสมกระแสอลูมิเนียม m; ρAl คือความหนาแน่นของตัวสะสมกระแสอลูมิเนียม kg/m3; KA คืออัตราส่วนของพื้นที่รวมของอิเล็กโทรดลบแต่ละอันต่อพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกเดียวและมากกว่า 1 TCu คือความหนาของตัวสะสมกระแสทองแดง m; ρCuเป็นตัวสะสมกระแสทองแดง ความหนาแน่น กก./ลบ.ม.; N/P คืออัตราส่วนของความจุของอิเล็กโทรดลบต่อความจุของอิเล็กโทรดบวก PA คืออัตราส่วนของมวลวัสดุแอกทีฟของอิเล็กโทรดลบต่อมวลรวมของวัสดุแอกทีฟของอิเล็กโทรดลบ บวกกับสารนำไฟฟ้าและสารยึดเกาะ %; SCA คืออัตราส่วนของวัสดุแอกทีฟขั้วลบ ความจุ Ah/kg M(x, y, z) คือมวลของสารที่ไม่ก่อให้เกิดพลังงาน kg สูตรคำนวณแสดงในสูตร (3)

ภาพ

ในสูตร (4): kAP คืออัตราส่วนของพื้นที่อลูมิเนียมพลาสติกต่อพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกเดียวและมากกว่า 1 SDAP คือความหนาแน่นของพื้นที่อะลูมิเนียม-พลาสติก kg/m2; mTab ​​คือมวลรวมของอิเล็กโทรดบวกและลบซึ่งสามารถมองเห็นได้จากค่าคงที่ mTape คือมวลรวมของเทป ซึ่งถือได้ว่าเป็นค่าคงที่ kS คืออัตราส่วนของพื้นที่ทั้งหมดของตัวคั่นต่อพื้นที่ทั้งหมดของแผ่นอิเล็กโทรดบวกและมากกว่า 1 SDS คือความหนาแน่นของพื้นที่ของตัวคั่น kg/m2; kE คือมวลของอิเล็กโทรไลต์และแบตเตอรี่ อัตราส่วนความจุสัมประสิทธิ์เป็นจำนวนบวก จากข้อมูลนี้สรุปได้ว่าการเพิ่มขึ้นของปัจจัยเดียวของ x, y และ z จะเพิ่มพลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่

เพื่อศึกษาความสำคัญของอิทธิพลของจำนวนชิ้นขั้ว จำนวนเคลือบของขั้วไฟฟ้าบวก และพื้นที่ด้านเดียวของขั้วบวกขั้วเดียวต่อพลังงานจำเพาะและความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ เคมีไฟฟ้า กฎของระบบและการออกแบบ (กล่าวคือ เพื่อกำหนดวัสดุและสูตรของอิเล็กโทรด ความหนาแน่นของการบดอัดและ N/P เป็นต้น) จากนั้นจึงรวมปัจจัยทั้งสามแต่ละระดับในมุมฉากเข้าด้วยกัน เช่น จำนวนยูนิตชิ้นขั้ว จำนวน การเคลือบอิเล็กโทรดบวกและพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกชิ้นเดียว เพื่อเปรียบเทียบวัสดุอิเล็กโทรดที่กำหนดโดยกลุ่มใดกลุ่มหนึ่งและทำการวิเคราะห์ช่วงโดยใช้พลังงานจำเพาะที่คำนวณได้และความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ตาม สูตรความหนาแน่นอัดแน่นและ N/P ผลการออกแบบและการคำนวณมุมฉากแสดงในตารางที่ 1 ผลการออกแบบมุมฉากถูกวิเคราะห์โดยใช้วิธีพิสัย และผลลัพธ์แสดงในรูปที่ 1 ความหนาแน่นของพลังงานและพลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นแบบโมโนโทนตามจำนวนหน่วยของขั้ว , ปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดบวก และพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดขั้วบวกชิ้นเดียว ในบรรดาปัจจัยสามประการของจำนวนชิ้นขั้ว ปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดบวก และพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกเดียว ปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดบวกมีผลกระทบที่สำคัญที่สุดต่อพลังงานจำเพาะของ แบตเตอรี่; ในบรรดาปัจจัยสามประการของพื้นที่ด้านเดียว พื้นที่ด้านเดียวของแคโทดเสาหินมีผลกระทบที่สำคัญที่สุดต่อความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่

ภาพ

ภาพ

จากรูปที่ 1a จะเห็นได้ว่าพลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นแบบโมโนโทนตามจำนวนยูนิตของขั้วบวก ปริมาณการเคลือบแคโทด และพื้นที่ด้านเดียวของแคโทดแบบชิ้นเดียวซึ่งยืนยันความถูกต้องของ การวิเคราะห์เชิงทฤษฎีในส่วนที่แล้ว ปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อพลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่คือปริมาณการเคลือบที่เป็นบวก จากรูปที่ 1b จะเห็นได้ว่าความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นแบบโมโนโทนตามจำนวนยูนิตของขั้วไฟฟ้า ปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดบวก และพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกเดียว ซึ่งตรวจสอบความถูกต้องด้วย ของการวิเคราะห์เชิงทฤษฎีก่อนหน้านี้ ปัจจัยที่สำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อความหนาแน่นของพลังงานแบตเตอรี่คือพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกเสาหิน จากการวิเคราะห์ข้างต้น เพื่อปรับปรุงพลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่ สิ่งสำคัญคือต้องเพิ่มปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดบวกให้มากที่สุด หลังจากกำหนดขีดจำกัดบนที่ยอมรับได้ของปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดขั้วบวกแล้ว ให้ปรับระดับปัจจัยที่เหลือเพื่อให้เป็นไปตามความต้องการของลูกค้า สำหรับความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่ กุญแจสำคัญในการเพิ่มพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกเสาหินให้มากที่สุด หลังจากกำหนดขีดจำกัดบนที่ยอมรับได้ของพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกเสาหิน ให้ปรับระดับปัจจัยที่เหลือเพื่อให้ตรงกับความต้องการของลูกค้า

จากข้อมูลนี้ สรุปได้ว่าพลังงานจำเพาะและความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่เพิ่มขึ้นอย่างซ้ำซากจำเจตามจำนวนหน่วยของขั้วไฟฟ้า ปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดบวก และพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกเดียว ในบรรดาปัจจัยสามประการของจำนวนชิ้นขั้ว จำนวนการเคลือบอิเล็กโทรดบวก และพื้นที่ด้านเดียวของอิเล็กโทรดบวกเดียว ผลกระทบของปริมาณการเคลือบอิเล็กโทรดบวกต่อพลังงานจำเพาะของแบตเตอรี่คือ ที่สำคัญที่สุด; ในบรรดาปัจจัยสามประการของพื้นที่ด้านเดียว พื้นที่ด้านเดียวของแคโทดเสาหินมีผลกระทบที่สำคัญที่สุดต่อความหนาแน่นของพลังงานของแบตเตอรี่

จากนั้น ตามวรรณกรรม [2] มีการกล่าวถึงวิธีการลดคุณภาพของแบตเตอรี่เมื่อต้องการใช้ความจุของแบตเตอรี่เท่านั้น และขนาดแบตเตอรี่และตัวบ่งชี้ประสิทธิภาพอื่น ๆ ไม่จำเป็นภายใต้ระบบวัสดุและเทคโนโลยีการประมวลผลที่กำหนด ระดับ. การคำนวณคุณภาพแบตเตอรี่ด้วยจำนวนเพลตบวกและอัตราส่วนกว้างยาวของเพลตบวกเป็นตัวแปรอิสระแสดงในสูตร (5)

ภาพ

ในสูตร (5) M(x, y) คือมวลรวมของแบตเตอรี่ x คือจำนวนเพลตบวกในแบตเตอรี่ y คืออัตราส่วนกว้างยาวของเพลตบวก (ค่าเท่ากับความกว้างหารด้วยความยาวดังแสดงในรูปที่ 2) k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 เป็นค่าสัมประสิทธิ์ และค่าจะถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ 26 ตัวที่เกี่ยวข้องกับความจุของแบตเตอรี่ ระบบวัสดุ และระดับเทคโนโลยีการประมวลผล ดูตารางที่ 2 หลังจากกำหนดพารามิเตอร์ในตารางที่ 2 แล้ว , แต่ละค่าสัมประสิทธิ์ จากนั้นกำหนดความสัมพันธ์ระหว่างพารามิเตอร์ 26 ตัวกับ k1, k2, k3, k4, k5, k6 และ k7 นั้นง่ายมาก แต่กระบวนการได้มานั้นยุ่งยากมาก จากการประกาศทางคณิตศาสตร์ (5) โดยการปรับจำนวนเพลตบวกและอัตราส่วนกว้างยาวของเพลตบวก คุณภาพของแบตเตอรี่ขั้นต่ำที่สามารถทำได้โดยการออกแบบแบบจำลองจะได้รับ

ภาพ

รูปที่ 2 แผนผังของความยาวและความกว้างของแบตเตอรี่เคลือบ

ตารางที่ 2 พารามิเตอร์การออกแบบเซลล์ลามิเนต

ภาพ

ในตารางที่ 2 ค่าเฉพาะคือค่าพารามิเตอร์จริงของแบตเตอรี่ที่มีความจุ 50.3Ah พารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องกำหนดว่า k1, k2, k3, k4, k5, k6 และ k7 คือ 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609 ตามลำดับ , x คือ 21, y คือ 1.97006 (ความกว้างของอิเล็กโทรดบวกคือ 329 mln และความยาว 167 mm) หลังจากการเพิ่มประสิทธิภาพ เมื่อจำนวนขั้วบวกเป็น 51 คุณภาพของแบตเตอรี่จะน้อยที่สุด