如何设计提高电池电芯的容量密度？

电池材料

提高电池的能量密度(仅限于容量型电池),是设计电池的第一要务。

容量不够,单价再低、循环再好、安全性再高,做出来的电池也可能无人问津。那么如何才能提高电池的能量密度呢?主要可以从几个方面考虑:

1.增加对电池容量有贡献的材料的性能;

2.减少对电池容量没有贡献的材料的体积;

3.使用更先进的生产设备;

4.改进制成工艺条件并进行更严格的生产监控;

5.对影响容量的杂项进行优化;

下面开始分类分别讨论:

1.增加对电池容量有贡献的材料的性能:这里主要就是对正负极活性物质而言,是提高容量密度最为直接的方法。主要的方向包括:

①使用克发挥更大的材料:例如正极的富锂材料、高电压三元材料、高电压钴酸锂材料、二元材料等;负极的软碳硬碳、硅锡基化合物等。

②使用压实密度更大的正负极材料。

③使用粘结性、导电性更好的活性物质:这样可以减少粘结剂、导电剂在敷料中的含量,从而提高单位质量敷料所能发挥的容量;另外粘结剂、导电剂的用量减少也可以提高材料活性物质的压实等加工性能。

④使用厚度反弹更小的材料:锂离子电池循环后,厚度会有一定的反弹;设计时需要预留循环后的反弹厚度;而当使用了厚度反弹更小的材料时(依目前所见来看,这些材料也同时是循环性能很好的材料),则可以将省掉的厚度反弹预留空间转给电芯的设计厚度,从而增加电芯的设计容量。

⑤选择搭配性能更优的材料体系:单一的“好正极”、“好负极”与“好电解液”搭配在一起,并不能保证做出“好电池”。匹配性不好的材料组合在一起,不仅会降低电池的循环性能,也可能影响到倍率性能甚至正负极的克发挥;同理,当材料匹配性更好时,克发挥、循环、膨胀率等性能或许都可以得到改善。

随着锂离子电池材料技术的日益成熟,常见的钴酸锂和石墨的潜能已经近乎发挥到了极限。而今后如果能生产出成熟的其他体系,则对锂离子电池的能量密度提升将会有革命性的影响!

2.减少对电池容量没有贡献的材料的体积:这一项比较杂,主要包括:使用更薄的铝塑膜、使用更薄的电池隔膜、使用更薄的极耳、使用更薄的铜箔和铝箔、使用更薄的透明胶纸等。

可以看出,这方面的改善基本都以“薄”为定语。在有限的体积下,对容量无直接贡献的铝塑膜、隔膜等的体积的减少,就意味着能够提供容量的化学物质的增多,从而提高电芯容量。

但是当这些材料更薄时,其机械强度、安全性能就会受到影响;这一方面需要辅料制造厂能在基本不降低材料性能的前提下缩小体积,一方面又需要电芯制造厂变更工艺、制成参数甚至设备(例如,更薄的铝箔意味着更高的棍压延伸系数并增加涂布、棍压时的断片概率;更薄的隔膜有更高的短路率风险;更薄的铝塑膜更容易产生脚位破损;更薄的极耳会降低电池的倍率性能等等)。

更换这些更薄的材料需要电池厂做大量的认证,试产数量过少则无法准确得出统计数据,过多万一问题太大则又造成了浪费。与提高活性物质性能相比,降低非活性物质的含量显得思路更多,涉及到得方面也同样宽泛。

3.使用更先进的生产设备:先进的设备主要是为了提高制成的一致性、减少生产的波动,进而达到在不变更均值的前提下提高最小值,而决定一批电芯质量的,恰恰是这里所说的被提高的最小值。举下面两个例子:

①当涂布机的涂布公差更小时,最小容量/设计容量就可以提高,如果客户是对最小容量有要求的话,那就相当于在设计容量不变时,提高了最小容量,也就是说提高了评估给客户的电芯的容量;同时正负极的涂布偏差降低,在考虑了首次效率、循环后容量衰减等因素后,设计负极过量就可以适度降低,从而电池有更多的正极材料、也就相当于有了更多的容量。

②当滚压机的精确度提高后,由于实际滚压时误差的减少,设计压实就可以更为接近材料的最大压实,从而提高设计容量和制成电芯容量;滚压出极片的厚度更为一致,这样就相当于增加了电芯厚度的一致性,进而可以在设计时选择更小的maxTHK-designTHK,从而提高设计容量(分切刀宽度、卷尺宽度、分容柜精确度等与之类似,不再赘述)。

4.改进制成条件并进行更严格的生产监控。生产控制方面学问颇多,列举一二:

①减少滚压后到卷绕前的转序时间:这样可以减少极片的厚度反弹,从而更好的控制电芯厚度。电芯厚度如果明显低于最大厚度的话,就可以适当提高设计厚度,从而提高电芯设计容量。

②稳定分容房的温度:温度对电芯分容容量的影响颇大,低温可能造成将容量本合格的电芯作为低容而转到二次分容从而浪费资源,高温则可能将容量较差的电芯作为合格品出货。

如同短板原理一样,一批电芯的容量,以出货电芯的最低值计,一批电芯的厚度,以出货电芯的最大厚度计。人的操作在目前我国这种劳动力密集型产业中,对产品的质量影响尤为重要。生产中,若操作人员和品质人员可以尽量低的减少人为操作的误差、减少制成时的波动,也就相当于增加了木桶中最短板的长度,从而提高了电池的容量、减少了电池的厚度。

5.对影响电芯容量的杂项进行优化。

满充电芯拆开,负极主体应该是均匀的完美金黄色。但是当人为操作、材料和设备乃至设计出现问题时,各类的小毛病例如:卷芯负极第一圈析锂、隔膜打皱处析锂、涂布时正负极尾部膜密度不均匀析锂等问题就会出现。从容量角度来看,析锂很可能造成容量的偏低;若可以杜绝类似情况,则相当于增加了电芯的容量;若无法杜绝此类情况,则需要从设计上更准确的预测其发生的概率和可能产生的影响的大小,从而避免一些电芯由于本可以预测到的问题而被报废。

来源：电动之家

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