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          行業新聞

          200Wh/kg?300Wh/kg?疊片式鋰離子電池型號設計優化比能量

          分類  行業新聞    發布時間:  2018/04/20

          響應政府的號召,提升鋰離子電池的能量密度成為各電池廠家、研究機構的熱點問題。寧德時代、天津力神、國軒高科等團隊,已經基本實現了300瓦時/公斤動力電池的研發,另外,仍舊有大量單位開展相關方面的開發和研究工作。目前,為了實現電池的質量比能量300Wh/kg的目標,主要的方法包括:

          (1)選擇高容量材料體系,正極采用高鎳三元,負極采用硅碳;

          (2)設計高壓電解液,提高充電截止電壓;

          (3)優化正負極漿料的配方,增加活性物質在電極中占比;

          (4)采用更薄的銅箔、鋁箔,減少集流體的所占的比例;

          (4)提高正負極的涂布量,增加活性物質在電極中占比;

          (5)控制電解液的數量,減少電解液的數量提高鋰離子電池比能量;

          (6)優化電池的結構,降低極耳、封裝材料等在電池中所占的比例。

          在圓柱、方形硬殼、軟包疊片三種電池形態中,軟包電池具有設計靈活、重量輕、內阻小、不易爆炸、循環次數多等特點,電池的比能量性能也突出。因此,疊片式軟包動力鋰離子電池是目前研究的熱點。在疊片式軟包動力鋰離子電池型號設計過程中,主要的變量可區分為以下6 個方面,前3 者可認為是由電化學體系水平、設計規則決定的,后3 者通常是型號設計關注的變量因素。

          (1)正負極材料和配方;

          (2)正負極壓實密度;

          (3)負極容量( N) 與正極容量( P) 的比值( N/P);

          (4)極片單元數量( 等于正極片數量) ;

          (5)正極涂布量( 在N/P 確定的基礎上,先確定正極涂布量,隨之可確定負極涂布量);

          (6)單片正極的單面面積( 由正極片長度和寬度決定,當正極片長度和寬度確定后,負極片的尺寸也隨之確定,電芯尺寸即可確定)。

          首先,根據文獻【 1】,探討極片單元數量、正極涂布量和單片正極的單面面積對電池比能量、能量密度的影響。電池的比能量( ES) 可用式( 1) 表示。

          式( 1) 中:x 為電池中包含的正極片數量;y 為正極涂布量,kg /m2 ;z 為單片正極的單面面積,m2;x∈N* ,y > 0,z > 0;e( y,z ) 為一個極片單元所能貢獻的能量,Wh,計算公式見式( 2) 。

          式( 2) 中:DAV為放電平均電壓,V;PC為正極活性材料質量與正極活性材料加導電劑加粘結劑的總質量的比值,%;SCC為正極活性材料的比容量,Ah /kg;m( y,z ) 是一個極片單元的質量,kg,計算公式見式( 3)。

          式( 3) 中: KCT為單片正極總面積( 涂層面積和極耳箔面積之和) 與單片正極的單面面積之比,且大于1; TAl為鋁集流體的厚度,m;ρAl為鋁集流體的密度,kg /m3;KA為每片負極總面積與單片正極的單面面積的比值,且大于1;TCu為銅集流體的厚度,m;ρCu為銅集流體的密度,kg /m3;N/P 為負極容量與正極容量的比值;PA為負極活性材料質量與負極活性材料加導電劑加粘結劑的總質量的比值,%;SCA為負極活性材料的比容量,Ah /kg。M( x,y,z ) 為非貢獻能量物質的質量,kg,計算公式見式( 4) 。

          式( 4) 中: kAP為鋁塑面積與單片正極的單面面積的比值,且大于1;SDAP為鋁塑的面密度,kg /m2;mTab為正負極耳的總質量,可看成常量;mTape為膠帶的總質量,可看成常量;kS為隔膜總面積與正極片總面積的比值,且大于1;SDS為隔膜的面密度,kg /m2;kE為電解液質量與電池容量的比值,該系數為正數。據此可以得出:x、y 和z 任一單因素增大,將使電池的比能量增大。

          將極片單元數量、正極涂布量、單片正極的單面面積等三因素的各水平進行正交組合,對以某一組確定的電極材料與配方、壓實密度及N/P 為基礎計算出的計算出的電池比能量、能量密度進行極差分析。正交設計及計算結果見表1。采用極差法對正交設計結果進行分析,結果見圖1。電池的比能量、能量密度隨著極片單元數量、正極涂布量、單片正極的單面面積單調遞增。在極片單元數量、正極涂布量、單片正極的單面面積三個因素中,正極涂布量對電池比能量的影響Z顯著; 在極片單元數量、電極涂布量、單片正極的單面面積三個因素中,單片正極的單面面積對電池能量密度的影響Z顯著。

          然后,根據文獻【 2】,探討在確定的材料體系和加工工藝水平下,只對電池的容量做要求,對電池尺寸及其它性能指標不做要求時,如何將電池的質量做到Z小。以正極片數量和正極片長寬比為自變量的電池質量計算如公式(5)所示。

          (5)

          式(5)中,M(x,y)是電池的總質量;x是電池中的正極片數量;y是正極片長寬比(其值等于寬度除以長度,如圖2所示);k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7是系數,其值由電池容量、材料體系和加工工藝水平相關的26個參數決定,見表2,當表2中各參數確定后,各系數隨之確定,26個參數與k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7的關系很簡單,但是推導過程很繁瑣。對公示(5)進行數學推導,通過調整正極片數量和正極片長寬比,能取得型號設計所能實現的Z小電池質量。

          圖2疊片電池長寬示意圖 

          表2 疊片電池設計參數

          表2中,具體數值是容量為50.3Ah的電池的實際參數值,相關參數確定出k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7分別為0.041、0.680、0.619、13.953、8.261、639.554、921.609,x為21,y為1.97006(正極片寬度329 mln,長度167 mm),優化后,正極極片數為51時,電池質量Z小。

          主要資料:

          【1】李國華, 張宏生, 王莉,等. 疊片式鋰離子電池能量的影響因素[J]. 電池, 2016, 46(2).

          【2】李國華, 張宏生, 李建軍,等. 質量比能量型鋰離子電池型號設計—電池質量公式[J]. 儲能科學與技術, 2015, 4(4):412-416.