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如何設計提高電池電芯的容量密度?
來源: | 作者:pmo0d75b3 | 發布時間: 2018-04-21 | 986 次瀏覽 | 分享到:
一微新能源汽車認為提高電池的能量密度(僅限于容量型電池),是設計電池的第一要務。
  一微新能源汽車認為提高電池的能量密度(僅限于容量型電池),是設計電池的第一要務。
  
  容量不夠,單價再低、循環再好、安全性再高,做出來的電池也可能無人問津。那么如何才能提高電池的能量密度呢?主要可以從幾個方面考慮:
  
  1.增加對電池容量有貢獻的材料的性能;
  
  2.減少對電池容量沒有貢獻的材料的體積;
  
  3.使用更先進的生產設備;
  
  4.改進制成工藝條件并進行更嚴格的生產監控;
  
  5.對影響容量的雜項進行優化;
  
  下面開始分類分別討論:
  
  1.增加對電池容量有貢獻的材料的性能:這里主要就是對正負極活性物質而言,是提高容量密度最為直接的方法。主要的方向包括:
  
 ?、偈褂每税l揮更大的材料:例如正極的富鋰材料、高電壓三元材料、高電壓鈷酸鋰材料、二元材料等;負極的軟碳硬碳、硅錫基化合物等。
  
 ?、谑褂脡簩嵜芏雀蟮恼摌O材料。
  
 ?、凼褂谜辰Y性、導電性更好的活性物質:這樣可以減少粘結劑、導電劑在敷料中的含量,從而提高單位質量敷料所能發揮的容量;另外粘結劑、導電劑的用量減少也可以提高材料活性物質的壓實等加工性能。
  
 ?、苁褂煤穸确磸椄〉牟牧?鋰離子電池循環后,厚度會有一定的反彈;設計時需要預留循環后的反彈厚度;而當使用了厚度反彈更小的材料時(依目前所見來看,這些材料也同時是循環性能很好的材料),則可以將省掉的厚度反彈預留空間轉給電芯的設計厚度,從而增加電芯的設計容量。
  
 ?、葸x擇搭配性能更優的材料體系:單一的“好正極”、“好負極”與“好電解液”搭配在一起,并不能保證做出“好電池”。匹配性不好的材料組合在一起,不僅會降低電池的循環性能,也可能影響到倍率性能甚至正負極的克發揮;同理,當材料匹配性更好時,克發揮、循環、膨脹率等性能或許都可以得到改善。
  
  隨著鋰離子電池材料技術的日益成熟,常見的鈷酸鋰和石墨的潛能已經近乎發揮到了極限。而今后如果能生產出成熟的其他體系,則對鋰離子電池的能量密度提升將會有革命性的影響!
  
  2.減少對電池容量沒有貢獻的材料的體積:這一項比較雜,主要包括:使用更薄的鋁塑膜、使用更薄的電池隔膜、使用更薄的極耳、使用更薄的銅箔和鋁箔、使用更薄的透明膠紙等。
  
  可以看出,這方面的改善基本都以“薄”為定語。在有限的體積下,對容量無直接貢獻的鋁塑膜、隔膜等的體積的減少,就意味著能夠提供容量的化學物質的增多,從而提高電芯容量。
  
  但是當這些材料更薄時,其機械強度、安全性能就會受到影響;這一方面需要輔料制造廠能在基本不降低材料性能的前提下縮小體積,一方面又需要電芯制造廠變更工藝、制成參數甚至設備(例如,更薄的鋁箔意味著更高的棍壓延伸系數并增加涂布、棍壓時的斷片概率;更薄的隔膜有更高的短路率風險;更薄的鋁塑膜更容易產生腳位破損;更薄的極耳會降低電池的倍率性能等等)。
  
  更換這些更薄的材料需要電池廠做大量的認證,試產數量過少則無法準確得出統計數據,過多萬一問題太大則又造成了浪費。與提高活性物質性能相比,降低非活性物質的含量顯得思路更多,涉及到得方面也同樣寬泛。
  
  3.使用更先進的生產設備:先進的設備主要是為了提高制成的一致性、減少生產的波動,進而達到在不變更均值的前提下提高最小值,而決定一批電芯質量的,恰恰是這里所說的被提高的最小值。舉下面兩個例子:
  
 ?、佼斖坎紮C的涂布公差更小時,最小容量/設計容量就可以提高,如果客戶是對最小容量有要求的話,那就相當于在設計容量不變時,提高了最小容量,也就是說提高了評估給客戶的電芯的容量;同時正負極的涂布偏差降低,在考慮了首次效率、循環后容量衰減等因素后,設計負極過量就可以適度降低,從而電池有更多的正極材料、也就相當于有了更多的容量。
  
 ?、诋敐L壓機的精確度提高后,由于實際滾壓時誤差的減少,設計壓實就可以更為接近材料的最大壓實,從而提高設計容量和制成電芯容量;滾壓出極片的厚度更為一致,這樣就相當于增加了電芯厚度的一致性,進而可以在設計時選擇更小的maxTHK-designTHK,從而提高設計容量(分切刀寬度、卷尺寬度、分容柜精確度等與之類似,不再贅述)。
  
  4.改進制成條件并進行更嚴格的生產監控。生產控制方面學問頗多,列舉一二:
  
 ?、贉p少滾壓后到卷繞前的轉序時間:這樣可以減少極片的厚度反彈,從而更好的控制電芯厚度。電芯厚度如果明顯低于最大厚度的話,就可以適當提高設計厚度,從而提高電芯設計容量。
  
 ?、诜€定分容房的溫度:溫度對電芯分容容量的影響頗大,低溫可能造成將容量本合格的電芯作為低容而轉到二次分容從而浪費資源,高溫則可能將容量較差的電芯作為合格品出貨。
  
  如同短板原理一樣,一批電芯的容量,以出貨電芯的最低值計,一批電芯的厚度,以出貨電芯的最大厚度計。人的操作在目前我國這種勞動力密集型產業中,對產品的質量影響尤為重要。生產中,若操作人員和品質人員可以盡量低的減少人為操作的誤差、減少制成時的波動,也就相當于增加了木桶中最短板的長度,從而提高了電池的容量、減少了電池的厚度。
  
  5.對影響電芯容量的雜項進行優化。
  
  滿充電芯拆開,負極主體應該是均勻的完美金黃色。但是當人為操作、材料和設備乃至設計出現問題時,各類的小毛病例如:卷芯負極第一圈析鋰、隔膜打皺處析鋰、涂布時正負極尾部膜密度不均勻析鋰等問題就會出現。從容量角度來看,析鋰很可能造成容量的偏低;若可以杜絕類似情況,則相當于增加了電芯的容量;若無法杜絕此類情況,則需要從設計上更準確的預測其發生的概率和可能產生的影響的大小,從而避免一些電芯由于本可以預測到的問題而被報廢。