TianJinlishen, Guoxuan Hi-Tech và các nhóm khác về cơ bản đã hoàn thành việc nghiên cứu và phát triển pin công suất 300 Wh / kg. Ngoài ra, vẫn còn một số lượng lớn các đơn vị thực hiện các công việc phát triển và nghiên cứu liên quan.

The composition of flexible packaging lithium-ion batteries usually includes positive electrodes, negative electrodes, separators, electrolytes, and other necessary auxiliary materials, such as tabs, tapes, and aluminum plastics. According to the needs of the discussion, the author of this paper divides the substances in the soft-pack lithium-ion battery into two categories: the combination of the pole piece unit and the non-energy-contributing material. The pole piece unit refers to a positive electrode plus a negative electrode, and all the positive electrodes and The negative electrode can be regarded as a combination of pole piece units composed of several pole piece units; non-contributing energy substances refer to all other substances except the combination of pole piece units, such as diaphragms, electrolytes, pole lugs, aluminum plastics, protective tapes and terminations. tape etc. For the common LiMO 2 (M = Co, Ni and Ni-Co-Mn, etc.)/carbon system Li-ion batteries, the combination of pole piece units determines the capacity and energy of the battery.

Hiện tại, để đạt được mục tiêu 300Wh / kg năng lượng riêng của khối lượng pin, các phương pháp chính bao gồm:

(1) Chọn hệ vật liệu có dung lượng lớn, điện cực dương làm bằng niken bậc ba, điện cực âm làm bằng cacbon cacbon;

(2) Thiết kế bình điện cao áp để cải thiện điện áp cắt điện tích;

(3) Tối ưu hóa công thức của bùn điện cực dương và âm và tăng tỷ lệ vật liệu hoạt tính trong điện cực;

(4) Sử dụng lá đồng và lá nhôm mỏng hơn để giảm tỷ lệ bộ sưu tập hiện tại;

(5) Tăng số lượng lớp phủ của các điện cực dương và âm, và tăng tỷ lệ vật liệu hoạt động trong các điện cực;

(6) Kiểm soát lượng chất điện phân, giảm lượng chất điện phân và tăng năng lượng riêng của pin lithium-ion;

(7) Tối ưu hóa cấu trúc của pin và giảm tỷ lệ các mấu và vật liệu đóng gói trong pin.

Trong số XNUMX dạng pin là hình trụ, hình vuông vỏ cứng và dạng tấm mềm nhiều lớp thì pin dạng gói mềm có đặc điểm thiết kế dẻo, trọng lượng nhẹ, nội trở thấp, không dễ nổ, nhiều chu kỳ và năng lượng riêng hiệu suất của pin cũng rất nổi bật. Do đó, pin lithium-ion điện dạng gói mềm nhiều lớp đang là một chủ đề nghiên cứu nóng hiện nay. Trong quá trình thiết kế mô hình của pin lithium-ion năng lượng mềm nhiều lớp, các biến chính có thể được chia thành sáu khía cạnh sau. Ba đầu tiên có thể được coi là được xác định bởi mức độ của hệ thống điện hóa và các quy tắc thiết kế, và ba phần sau thường là thiết kế mô hình. các biến quan tâm.

(1) Vật liệu và công thức điện cực âm và dương;

(2) Mật độ nén chặt của các điện cực âm và dương;

(3) Tỷ số giữa dung lượng điện cực âm (N) với dung lượng điện cực dương (P) (N / P);

(4) Số đơn vị miếng cực (bằng số miếng cực dương);

(5) Lượng phủ điện cực dương (trên cơ sở xác định N / P, trước tiên xác định lượng phủ điện cực dương, sau đó xác định lượng phủ điện cực âm);

(6) Diện tích một mặt của một điện cực dương (được xác định bằng chiều dài và chiều rộng của điện cực dương, khi chiều dài và chiều rộng của điện cực dương được xác định, kích thước của điện cực âm cũng được xác định, và kích thước của ô có thể được xác định).

Đầu tiên, theo tài liệu [1], ảnh hưởng của số lượng đơn vị mảnh cực, số lượng lớp phủ điện cực dương và diện tích một mặt của một mảnh điện cực dương đối với năng lượng cụ thể và mật độ năng lượng của pin được thảo luận. Năng lượng riêng (ES) của pin có thể được biểu thị bằng phương trình (1).

hình ảnh

Trong công thức (1): x là số điện cực dương có trong pin; y là lượng phủ của điện cực dương, kg / m2; z là diện tích một mặt của một điện cực dương, m2; x∈N *, y> 0, z> 0; e (y, z) là năng lượng mà một đơn vị cực có thể đóng góp, Wh, công thức tính được thể hiện trong công thức (2).

hình ảnh

Trong công thức (2): DAV là điện áp phóng điện trung bình, V; PC là tỷ số giữa khối lượng của chất hoạt động điện cực dương với tổng khối lượng của chất hoạt động ở điện cực dương cộng với chất dẫn điện và chất kết dính,%; SCC là dung lượng riêng của vật liệu hoạt động trên điện cực dương, Ah / kg; m (y, z) là khối lượng của một miếng cực, đơn vị là kg, và công thức tính được thể hiện trong công thức (3).

hình ảnh

Trong công thức (3): KCT là tỉ số giữa tổng diện tích của đơn chất điện cực dương (tổng diện tích lớp phủ và diện tích lá mấu) với diện tích một mặt của điện cực dương đơn chất, và là lớn hơn 1; TAl là chiều dày của bộ thu dòng nhôm, m; ρAl là khối lượng riêng của bộ thu dòng nhôm, kg / m3; KA là tỷ số giữa tổng diện tích của mỗi điện cực âm với diện tích một mặt của một điện cực dương và lớn hơn 1; TCu là độ dày của bộ thu dòng điện bằng đồng, m; ρCu là bộ thu dòng điện bằng đồng. Tỷ trọng, kg / m3; N / P là tỷ số giữa dung lượng điện cực âm và dung lượng điện cực dương; PA là tỷ số giữa khối lượng vật liệu hoạt động điện cực âm trên tổng khối lượng vật liệu hoạt động điện cực âm cộng với chất dẫn điện và chất kết dính,%; SCA là tỷ số giữa vật liệu hoạt động của điện cực âm Dung tích, Ah / kg. M (x, y, z) là khối lượng của chất không góp năng lượng, kg, công thức tính được thể hiện ở công thức (4)

hình ảnh

In formula (4): kAP is the ratio of the aluminum-plastic area to the single-sided area of ​​the single positive electrode, and is greater than 1; SDAP is the areal density of the aluminum-plastic, kg/m2; mTab ​​is the total mass of the positive and negative electrodes, which can be seen from is a constant; mTape is the total mass of the tape, which can be regarded as a constant; kS is the ratio of the total area of ​​the separator to the total area of ​​the positive electrode sheet, and is greater than 1; SDS is the areal density of the separator, kg/m2; kE is the mass of the electrolyte and the battery The ratio of the capacity, the coefficient is a positive number. According to this, it can be concluded that the increase of any single factor of x, y and z will increase the specific energy of the battery.

Để nghiên cứu tầm quan trọng của ảnh hưởng của số đơn vị mảnh cực, lượng phủ của điện cực dương và diện tích một mặt của điện cực dương đơn đến năng lượng riêng và mật độ năng lượng của pin, một điện hóa hệ thống và quy tắc thiết kế (nghĩa là xác định vật liệu và công thức điện cực, mật độ nén và N / P, v.v.), sau đó kết hợp trực giao từng cấp của ba yếu tố, chẳng hạn như số lượng đơn vị miếng cực, số lượng lớp phủ điện cực dương và diện tích một mặt của một miếng điện cực dương, để so sánh vật liệu điện cực được xác định bởi một nhóm nhất định và phân tích Phạm vi được thực hiện trên năng lượng cụ thể được tính toán và mật độ năng lượng của pin dựa trên công thức, mật độ nén chặt và N / P. Kết quả tính toán và thiết kế trực giao được thể hiện trong Bảng 1. Kết quả thiết kế trực giao được phân tích bằng cách sử dụng phương pháp phạm vi, và kết quả được thể hiện trong Hình 1. Năng lượng cụ thể và mật độ năng lượng của pin tăng đơn điệu với số đơn vị mảnh cực , số lượng lớp phủ điện cực dương và diện tích một mặt của điện cực dương một mảnh. Trong số ba yếu tố về số lượng đơn vị cực, số lượng lớp phủ điện cực dương và diện tích một mặt của một điện cực dương, thì số lượng lớp phủ điện cực dương có tác động đáng kể nhất đến năng lượng riêng của pin; Trong ba yếu tố của diện tích một mặt của, diện tích một mặt của cực âm nguyên khối có tác động đáng kể nhất đến mật độ năng lượng của pin.

hình ảnh

hình ảnh

Có thể thấy từ Hình 1a rằng năng lượng riêng của pin tăng lên đơn điệu với số lượng đơn vị cực, số lượng lớp phủ catốt và diện tích một mặt của catốt một mảnh, điều này xác minh tính đúng đắn của các phân tích lý thuyết trong phần trước; yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến năng lượng cụ thể của pin là Lượng lớp phủ tích cực. Từ Hình 1b, có thể thấy rằng mật độ năng lượng của pin tăng đơn điệu với số đơn vị mảnh cực, số lượng lớp phủ điện cực dương và diện tích một mặt của một điện cực dương duy nhất, điều này cũng xác minh tính đúng đắn. của các phân tích lý thuyết trước đó; yếu tố ảnh hưởng đáng kể nhất đến mật độ năng lượng của pin là diện tích một mặt của điện cực dương nguyên khối. Theo phân tích trên, để cải thiện năng lượng riêng của pin, điều cốt yếu là tăng lượng phủ điện cực dương càng nhiều càng tốt. Sau khi xác định giới hạn trên có thể chấp nhận được của lượng phủ điện cực dương, điều chỉnh các mức hệ số còn lại để đạt được yêu cầu của khách hàng; Đối với mật độ năng lượng của pin, đó là chìa khóa để tăng diện tích một mặt của điện cực dương nguyên khối càng nhiều càng tốt. Sau khi xác định giới hạn trên có thể chấp nhận được của diện tích một mặt của điện cực dương nguyên khối, hãy điều chỉnh các mức yếu tố còn lại để đáp ứng yêu cầu của khách hàng.

According to this, it can be concluded that the specific energy and energy density of the battery monotonically increase with the number of pole piece units, the amount of positive electrode coating, and the single-sided area of ​​a single positive electrode. Among the three factors of the number of pole piece units, the amount of positive electrode coating, and the single-sided area of ​​a single positive electrode, the impact of the amount of positive electrode coating on the specific energy of the battery is the most significant; Among the three factors of the single-sided area of ​​, the single-sided area of ​​the monolithic cathode has the most significant impact on the energy density of the battery.

Sau đó, theo tài liệu [2], người ta sẽ thảo luận về cách giảm thiểu chất lượng của pin khi chỉ yêu cầu dung lượng của pin và không yêu cầu kích thước pin và các chỉ số hiệu suất khác theo hệ thống vật liệu và công nghệ xử lý đã xác định. mức độ. Việc tính toán chất lượng pin với số lượng bản cực dương và tỷ lệ co của bản cực dương là các biến độc lập được thể hiện trong công thức (5).

hình ảnh

Trong công thức (5), M (x, y) là tổng khối lượng của pin; x là số bản cực dương trong pin; y là tỷ lệ co của các tấm dương (giá trị của nó bằng chiều rộng chia cho chiều dài, như trong Hình 2); k1, k2, k3, k4, k5, k6, k7 (k26, k2, k2, k26) là các hệ số và giá trị của chúng được xác định bởi 1 thông số liên quan đến dung lượng ắc quy, hệ thống vật liệu và trình độ công nghệ chế biến, xem Bảng 2. Sau khi các thông số trong Bảng 3 được xác định , mỗi hệ số Sau đó xác định rằng mối quan hệ giữa 4 tham số và k5, k6, k7, k5, kXNUMX, kXNUMX, và kXNUMX là rất đơn giản, nhưng quá trình dẫn xuất rất phức tạp. Bằng cách tính toán toán học suy ra thông báo (XNUMX), bằng cách điều chỉnh số lượng bản cực dương và tỷ lệ co của bản cực dương, có thể thu được chất lượng pin tối thiểu mà thiết kế mô hình có thể đạt được.

hình ảnh

Hình 2 Sơ đồ chiều dài và chiều rộng của pin nhiều lớp

Table 2 Laminated cell design parameters

hình ảnh

In Table 2, the specific value is the actual parameter value of the battery with a capacity of 50.3Ah. The relevant parameters determine that k1, k2, k3, k4, k5, k6, and k7 are 0.041, 0.680, 0.619, 13.953, 8.261, 639.554, 921.609 respectively. , x is 21, y is 1.97006 (the width of the positive electrode is 329 mln, and the length is 167 mm). After optimization, when the number of positive electrode is 51, the battery quality is the smallest.