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行业新闻

200Wh/kg?300Wh/kg?叠片式锂离子皇家国际开户型号设计优化比能量

分类  行业新闻    发布时间:  2018/04/20

响应政府的号召,提升锂离子皇家国际开户的能量密度成为各皇家国际开户厂家、研究机构的热点问题。宁德时代、天津力神、国轩高科等团队,已经基本实现了300瓦时/公斤动力皇家国际开户的研发,另外,仍旧有大量单位开展相关方面的开发和研究工作。目前,为了实现皇家国际开户的质量比能量300Wh/kg的目标,主要的方法包括:

(1)选择高容量材料体系,正极采用高镍三元,负极采用硅碳;

(2)设计高压电解液,提高充电截止电压;

(3)优化正负极浆料的配方,增加活性物质在电极中占比;

(4)采用更薄的铜箔、铝箔,减少集流体的所占的比例;

(4)提高正负极的涂布量,增加活性物质在电极中占比;

(5)控制电解液的数量,减少电解液的数量提高锂离子皇家国际开户比能量;

(6)优化皇家国际开户的结构,降低极耳、封装材料等在皇家国际开户中所占的比例。

在圆柱、方形硬壳、软包叠片三种皇家国际开户形态中,软包皇家国际开户具有设计灵活、重量轻、内阻小、不易爆炸、循环次数多等特点,皇家国际开户的比能量性能也突出。因此,叠片式软包动力锂离子皇家国际开户是目前研究的热点。在叠片式软包动力锂离子皇家国际开户型号设计过程中,主要的变量可区分为以下6 个方面,前3 者可认为是由电化学体系水平、设计规则决定的,后3 者通常是型号设计关注的变量因素。

(1)正负极材料和配方;

(2)正负极压实密度;

(3)负极容量( N) 与正极容量( P) 的比值( N/P);

(4)极片单元数量( 等于正极片数量) ;

(5)正极涂布量( 在N/P 确定的基础上,先确定正极涂布量,随之可确定负极涂布量);

(6)单片正极的单面面积( 由正极片长度和宽度决定,当正极片长度和宽度确定后,负极片的尺寸也随之确定,电芯尺寸即可确定)。

首先,根据文献【 1】,探讨极片单元数量、正极涂布量和单片正极的单面面积对皇家国际开户比能量、能量密度的影响。皇家国际开户的比能量( ES) 可用式( 1) 表示。

式( 1) 中:x 为皇家国际开户中包含的正极片数量;y 为正极涂布量,kg /m2 ;z 为单片正极的单面面积,m2;x∈N* ,y > 0,z > 0;e( y,z ) 为一个极片单元所能贡献的能量,Wh,计算公式见式( 2) 。

式( 2) 中:DAV为放电平均电压,V;PC为正极活性材料质量与正极活性材料加导电剂加粘结剂的总质量的比值,%;SCC为正极活性材料的比容量,Ah /kg;m( y,z ) 是一个极片单元的质量,kg,计算公式见式( 3)。

式( 3) 中: KCT为单片正极总面积( 涂层面积和极耳箔面积之和) 与单片正极的单面面积之比,且大于1; TAl为铝集流体的厚度,m;ρAl为铝集流体的密度,kg /m3;KA为每片负极总面积与单片正极的单面面积的比值,且大于1;TCu为铜集流体的厚度,m;ρCu为铜集流体的密度,kg /m3;N/P 为负极容量与正极容量的比值;PA为负极活性材料质量与负极活性材料加导电剂加粘结剂的总质量的比值,%;SCA为负极活性材料的比容量,Ah /kg。M( x,y,z ) 为非贡献能量物质的质量,kg,计算公式见式( 4) 。

式( 4) 中: kAP为铝塑面积与单片正极的单面面积的比值,且大于1;SDAP为铝塑的面密度,kg /m2;mTab为正负极耳的总质量,可看成常量;mTape为胶带的总质量,可看成常量;kS为隔膜总面积与正极片总面积的比值,且大于1;SDS为隔膜的面密度,kg /m2;kE为电解液质量与皇家国际开户容量的比值,该系数为正数。据此可以得出:x、y 和z 任一单因素增大,将使皇家国际开户的比能量增大。

将极片单元数量、正极涂布量、单片正极的单面面积等三因素的各水平进行正交组合,对以某一组确定的电极材料与配方、压实密度及N/P 为基础计算出的计算出的皇家国际开户比能量、能量密度进行极差分析。正交设计及计算结果见表1。采用极差法对正交设计结果进行分析,结果见图1。皇家国际开户的比能量、能量密度随着极片单元数量、正极涂布量、单片正极的单面面积单调递增。在极片单元数量、正极涂布量、单片正极的单面面积三个因素中,正极涂布量对皇家国际开户比能量的影响最显著; 在极片单元数量、电极涂布量、单片正极的单面面积三个因素中,单片正极的单面面积对皇家国际开户能量密度的影响最显著。

然后,根据文献【 2】,探讨在确定的材料体系和加工工艺水平下,只对皇家国际开户的容量做要求,对皇家国际开户尺寸及其它性能指标不做要求时,如何将皇家国际开户的质量做到最小。以正极片数量和正极片长宽比为自变量的皇家国际开户质量计算如公式(5)所示。

(5)

式(5)中,M(x,y)是皇家国际开户的总质量;x是皇家国际开户中的正极片数量;y是正极片长宽比(其值等于宽度除以长度,如图2所示);k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7是系数,其值由皇家国际开户容量、材料体系和加工工艺水平相关的26个参数决定,见表2,当表2中各参数确定后,各系数随之确定,26个参数与k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7的关系很简单,但是推导过程很繁琐。对公示(5)进行数学推导,通过调整正极片数量和正极片长宽比,能取得型号设计所能实现的最小皇家国际开户质量。

图2叠片皇家国际开户长宽示意图 

表2 叠片皇家国际开户设计参数

表2中,具体数值是容量为50.3Ah的皇家国际开户的实际参数值,相关参数确定出k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7分别为0.041、0.680、0.619、13.953、8.261、639.554、921.609,x为21,y为1.97006(正极片宽度329 mln,长度167 mm),优化后,正极极片数为51时,皇家国际开户质量最小。

主要资料:

【1】李国华, 张宏生, 王莉,等. 叠片式锂离子皇家国际开户能量的影响因素[J]. 皇家国际开户, 2016, 46(2).

【2】李国华, 张宏生, 李建军,等. 质量比能量型锂离子皇家国际开户型号设计—皇家国际开户质量公式[J]. 储能科学与技术, 2015, 4(4):412-416.


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