TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech та інші команди в основному досягли досліджень і розробок акумуляторів потужністю 300 Вт·год/кг. Крім того, існує ще велика кількість підрозділів, які здійснюють відповідні дослідницькі роботи.

До складу гнучкої упаковки літій-іонних акумуляторів зазвичай входять позитивні електроди, негативні електроди, сепаратори, електроліти та інші необхідні допоміжні матеріали, такі як вкладки, стрічки та алюмінієві пластмаси. Відповідно до потреб обговорення, автор цієї статті поділяє речовини в літій-іонній батареї з м’якою упаковкою на дві категорії: комбінація полюсного наконечника та матеріалу, що не вносить енергію. Полюсний наконечник відноситься до позитивного електрода плюс негативний електрод, а всі позитивні електроди і негативний електрод можна розглядати як комбінацію полюсних наконечників, що складаються з кількох полюсних наконечників; енергетичні речовини, що не сприяють, відносяться до всіх інших речовин, крім комбінації полюсних наконечників, таких як діафрагми, електроліти, наконечники полюсів, алюмінієві пластмаси, захисні стрічки та наконечники. стрічка тощо. Для звичайних літій-іонних акумуляторів LiMO 2 (M = Co, Ni та Ni-Co-Mn тощо)/вуглецевої системи комбінація полюсних елементів визначає ємність та енергію батареї.

На даний момент для досягнення мети питомої енергії 300 Вт·год/кг маси акумулятора основні методи включають:

(1) Виберіть систему матеріалів високої ємності, позитивний електрод виготовлений з потрійного нікелю, а негативний – з вуглецю кремнію;

(2) Розробити високовольтний електроліт для покращення напруги відсікання заряду;

(3) Оптимізація складу суспензії позитивних і негативних електродів і збільшення частки активного матеріалу в електроді;

(4) Використовуйте тоншу мідну фольгу та алюмінієву фольгу, щоб зменшити частку струмоприймачів;

(5) Збільшити кількість покриття позитивних і негативних електродів і збільшити частку активних матеріалів в електродах;

(6) Контролювати кількість електроліту, зменшувати кількість електроліту та збільшувати питому енергію літій-іонних батарей;

(7) Оптимізуйте структуру батареї та зменшіть частку вкладок і пакувальних матеріалів в акумуляторі.

Серед трьох форм батареї з циліндричної, квадратної твердої оболонки та ламінованого листа, м’яка батарея має характеристики гнучкого дизайну, легкої ваги, низького внутрішнього опору, нелегкого вибуху, багато циклів і питома енергія. продуктивність акумулятора також чудова. Тому літій-іонна батарея з м’яким ламінуванням є актуальною темою дослідження. У процесі проектування моделі літій-іонної батареї з м’яким шаром живлення основні змінні можна розділити на наступні шість аспектів. Перші три можна вважати такими, що визначаються рівнем електрохімічної системи та правилами проектування, а останні три зазвичай є проектом моделі. цікавлять змінні.

(1) Позитивні та негативні електродні матеріали та склади;

(2) Щільність ущільнення позитивних і негативних електродів;

(3) відношення ємності негативного електрода (N) до ємності позитивного електрода (P) (N/P);

(4) кількість полюсних наконечників (дорівнює кількості позитивних полюсних наконечників);

(5) Кількість покриття позитивного електрода (на основі визначення N/P спочатку визначте кількість покриття позитивного електрода, а потім визначте кількість покриття негативного електрода);

(6) Одностороння площа одного позитивного електрода (визначається довжиною і шириною позитивного електрода, коли визначаються довжина і ширина позитивного електрода, також визначається розмір негативного електрода, і розмір комірки можна визначити).

По-перше, згідно з літературними даними [1], вплив кількості полюсних наконечників, кількості покриття позитивного електрода та односторонньої площі окремого відрізка позитивного електрода на питому енергію та щільність енергії електрода батарея обговорюється. Питома енергія (ES) батареї може бути виражена рівнянням (1).

картина

У формулі (1): x – кількість позитивних електродів, що містяться в акумуляторі; y – кількість покриття позитивного електрода, кг/м2; z – одностороння площа одного позитивного електрода, м2; x∈N*, y > 0, z > 0; e(y, z) — це енергія, яку може внести полюсний наконечник, Вт·год, формула розрахунку наведена у формулі (2).

картина

У формулі (2): DAV – середня напруга розряду, В; PC – відношення маси активного матеріалу позитивного електрода до загальної маси активного матеріалу позитивного електрода плюс електропровідний агент і сполучна, %; SCC – питома ємність активного матеріалу позитивного електрода, А/кг; m(y, z) — маса стовпа, кг, формула розрахунку наведена у формулі (3).

картина

У формулі (3): KCT – це відношення загальної площі монолітного позитивного електрода (сума площі покриття та площі фольги вкладки) до односторонньої площі монолітного позитивного електрода, і дорівнює більше 1; TAL – товщина алюмінієвого струмоприймача, м; ρAl – щільність алюмінієвого струмоприймача, кг/м3; KA – відношення загальної площі кожного негативного електрода до односторонньої площі одного позитивного електрода і більше 1; TCu – товщина мідного струмоприймача, м; ρCu — мідний струмоприймач. Щільність, кг/м3; N/P – відношення ємності негативного електрода до ємності позитивного електрода; PA – відношення маси активного матеріалу негативного електрода до загальної маси активного матеріалу негативного електрода плюс електропровідний агент і сполучна, %; SCA – відношення активного матеріалу негативного електрода Ємність, А/кг. M(x, y, z) — маса речовини, що не приносить енергії, кг, формула розрахунку наведена у формулі (4)

картина

У формулі (4): kAP – відношення площі алюмінію-пластику до односторонньої площі одного позитивного електрода і більше 1; SDAP – площна щільність алюмінію-пластику, кг/м2; mTab — загальна маса позитивного та негативного електродів, яку видно з — константа; mTape — загальна маса стрічки, яку можна розглядати як константу; kS – відношення загальної площі сепаратора до загальної площі листа позитивного електрода і більше 1; SDS – площна щільність сепаратора, кг/м2; kE — маса електроліту та акумулятора Відношення ємності, коефіцієнт — додатне число. Відповідно до цього можна зробити висновок, що збільшення будь-якого окремого коефіцієнта x, y і z призведе до збільшення питомої енергії батареї.

Щоб вивчити значення впливу кількості полюсних наконечників, кількості покриття позитивного електрода та односторонньої площі одиночного позитивного електрода на питому енергію та щільність енергії батареї, електрохімічний система та правила проектування (тобто, щоб визначити матеріал електрода та формулу, щільність ущільнення та N/P тощо), а потім ортогонально поєднати кожен рівень із трьох факторів, таких як кількість одиниць полюсних наконечників, кількість покриття позитивного електрода, а також односторонню площу окремої частини позитивного електрода, для порівняння матеріалу електрода, визначеного певною групою, і аналіз діапазону проводили на розрахованій питомій енергії та щільності енергії батареї на основі формула, ущільнена щільність і N/P. Ортогональний дизайн і результати розрахунку наведені в таблиці 1. Результати ортогонального проектування були проаналізовані за допомогою методу діапазону, а результати наведені на рисунку 1. Питома енергія та щільність енергії батареї монотонно зростають із збільшенням кількості полюсних наконечників. , кількість покриття позитивного електрода та одностороння площа цілісного позитивного електрода. Серед трьох факторів кількості полюсних наконечників, кількості покриття позитивного електрода та односторонньої площі одного позитивного електрода, кількість покриття позитивного електрода має найбільш значний вплив на питому енергію електрода. акумулятор; Серед трьох факторів односторонньої площі найбільш істотний вплив на щільність енергії батареї має одностороння площа монолітного катода.

картина

картина

З рисунка 1а видно, що питома енергія батареї монотонно збільшується з кількістю полюсних наконечників, кількістю катодного покриття та односторонньою площею цілісного катода, що перевіряє правильність теоретичний аналіз у попередній частині; Найважливішим фактором, що впливає на питому енергію батареї, є позитивна кількість покриття. З малюнка 1b видно, що щільність енергії батареї монотонно збільшується з кількістю полюсних наконечників, кількістю покриття позитивного електрода та односторонньою площею одного позитивного електрода, що також перевіряє правильність. попереднього теоретичного аналізу; Найбільш істотним фактором, що впливає на щільність енергії акумулятора, є одностороння площа монолітного позитивного електрода. Згідно з наведеним вище аналізом, для підвищення питомої енергії батареї важливо максимально збільшити кількість покриття позитивного електрода. Після визначення прийнятної верхньої межі кількості покриття позитивного електрода відрегулюйте решту рівнів факторів для досягнення вимог замовника; Для щільності енергії батареї ключем до максимального збільшення односторонньої площі монолітного позитивного електрода. Після визначення допустимої верхньої межі односторонньої площі монолітного позитивного електрода відрегулюйте решту рівнів коефіцієнта відповідно до вимог замовника.

Відповідно до цього можна зробити висновок, що питома енергія та щільність енергії батареї монотонно зростають із збільшенням кількості полюсних наконечників, кількості покриття позитивного електрода та односторонньої площі одного позитивного електрода. Серед трьох факторів кількості полюсних наконечників, кількості покриття позитивного електрода та односторонньої площі одного позитивного електрода, вплив кількості покриття позитивного електрода на питому енергію батареї є найбільш значущі; Серед трьох факторів односторонньої площі найбільш істотний вплив на щільність енергії батареї має одностороння площа монолітного катода.

Далі, згідно з літературними даними [2], обговорюється, як мінімізувати якість батареї, коли потрібна лише ємність батареї, а розмір батареї та інші показники продуктивності не потрібні при визначеній системі матеріалів і технології обробки. рівень. Розрахунок якості батареї з кількістю позитивних пластин і співвідношенням сторін позитивних пластин як незалежних змінних показано у формулі (5).

картина

У формулі (5) M(x, y) — загальна маса акумулятора; х – кількість плюсових пластин в акумуляторі; y – співвідношення сторін позитивних пластин (його значення дорівнює ширині, поділеній на довжину, як показано на малюнку 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 – коефіцієнти, і їх значення визначаються 26 параметрами, пов’язаними з ємністю акумулятора, системою матеріалу та рівнем технології обробки, див. таблицю 2. Після визначення параметрів у таблиці 2 , кожен коефіцієнт. Потім визначається, що співвідношення між 26 параметрами та k1, k2, k3, k4, k5, k6 та k7 дуже просте, але процес виведення є дуже громіздким. Математично виводячи оголошення (5), регулюючи кількість позитивних пластин і співвідношення сторін позитивних пластин, можна отримати мінімальну якість батареї, яка може бути досягнута за допомогою конструкції моделі.

картина

Малюнок 2 Принципова схема довжини і ширини ламінованої батареї

Таблиця 2 Параметри конструкції ламінованих осередків

картина

У таблиці 2 питомим значенням є фактичне значення параметра акумулятора ємністю 50.3 Аг. Відповідні параметри визначають, що k1, k2, k3, k4, k5, k6 та k7 становлять 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609 відповідно. , x — 21, y — 1.97006 (ширина позитивного електрода — 329 млн, а довжина — 167 мм). Після оптимізації, коли кількість позитивних електродів дорівнює 51, якість батареї найменша.