疊片式鋰離子電池能量的影響因素

李國華，張宏生，王 莉，何向明，3

(1. 江蘇華東鋰電技術研究院，江蘇 蘇州 215600； 2. 清華大學核能與新能源技術研究院，北京 100084； 3. 清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

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疊片式鋰離子電池能量的影響因素

李國華1，張宏生1，王 莉2，何向明1，3

(1. 江蘇華東鋰電技術研究院，江蘇 蘇州 215600； 2. 清華大學核能與新能源技術研究院，北京 100084； 3. 清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室，北京 100084)

從理論上探討了極片單元數量、正極涂布量、單片正極的單面面積對電池比能量、能量密度的影響。電池比能量、能量密度隨極片單元數量、正極涂布量、單片正極的單面面積等因素單調遞增。采用正交設計研究了上述三因素對電池比能量、能量密度影響的顯著性。正極涂布量對電池比能量影響最顯著，單片正極的單面面積對電池能量密度影響最顯著。

鋰離子電池； 比能量； 能量密度； 疊片； 型號設計

軟包動力鋰離子電池是目前研究的熱點，該類電池的一種主要形式是疊片式軟包動力鋰離子電池。比能量、能量密度對動力電池具有特殊的意義[1-2]。

弄清楚各變量因素對電池(本文中的電池為未組裝任何保護電路的單體電芯)比能量、能量密度的影響，對疊片式軟包動力鋰離子電池型號設計很有必要。在型號設計過程中，主要的變量可區分為以下6個方面：正負極材料和配方、正負極壓實密度、負極容量(N)與正極容量(P)的比值(N/P)、極片單元數量(等于正極片數量)、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)、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)。前3者可認為是由電化學體系水平、設計規則決定的，后3者通常是型號設計工作者關注的變量因素。

本文作者主要探討極片單元數量、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，為設計高能量密度的電池提供依據。

1 比能量與能量密度

1.1 比能量

軟包裝鋰離子電池的構成通常包括正極、負極、隔膜、電解液及其他必要的輔助材料，如極耳、膠帶和鋁塑等。根據討論的需要，本文作者將軟包鋰離子電池內的物質劃分為極片單元組合和非貢獻能量物質兩大類，其中極片單元是指一片正極加一片負極，整個電池內的所有正極和負極可看成是若干個極片單元組成的極片單元組合；非貢獻能量物質是指除極片單元組合外其他所有的物質，如隔膜、電解液、極耳、鋁塑、保護膠帶和終止膠帶等。對于常見的LiMO2(M=Co、Ni和Ni-Co-Mn等)/碳體系的鋰離子電池，極片單元組合決定了電池的容量和能量。

根據上述定義，電池的比能量(ES)可用式(1)表示。

(1)

式(1)中：x為電池中包含的極片單元數量，與正極片數量相等，量綱為1；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)。

e(y,z)=DAV·y·PC·z·SCC

(2)

式(2)中：DAV為放電均壓，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)。

m(y,z)=z·kCT·TAl·ρAl+z·y+z·kA·TCa·ρCu+

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，1；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)。

M(x,y,z)=kAP·z·SDAP+mTab+mTabe+ks·x·z·SDS+

kE·x·y·pC·z·SCC(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。

雖然在實際設計中，x只能取自然數，但為了便于說明問題，本文將x的定義域擴展為正數，由于函數的連續性，相應的分析結果將適用于x取自然數的情況。分別求ES(x，y，z)對x、y和z的偏導數，可以推出：

(5)

(6)

(7)

據此可以得出：x、y和z任一單因素增大，將使電池的ES增大。

1.2 能量密度

電池的體積是電池面積(長度和寬度的乘積)與電池厚度的乘積，電池的能量密度(記作ED)可用式(8)計算。

(8)

式(8)中：k是電池長度和寬度的乘積與單片正極的單面面積的比；E(x，y，z)是電池的總能量，計算公式見式(9)。

E(x,y,z)=x·DAV·y·PC·z·SCC

(9)

式(8)中：T(x，y)是電池的厚度，對于疊片式軟包鋰離子電池而言，計算公式見式(10)。

(2x+1)·Ts+Telse(10)

式(10)中：TAP為兩層鋁塑膜的厚度；TS為單層隔膜的厚度；Telse為組成電池厚度的除極片組合外的那一片負極、收尾額外纏繞的隔膜、收尾膠帶等其他組件的厚度之和。

將x的定義域暫先擴展為正數。分別求ED(x，y，z)對x、y和z的偏導數，可以得出：

(11)

(12)

(13)

據此可以得出：x、y和z任一單因素增大，將使電池的ED增大。

2 顯著性研究

為研究極片單元數量、正極涂布量和單片正極的單面面積對電池比能量、能量密度影響的顯著性，首先選定某一電化學體系和設計規則(即確定電極材料與配方、壓實密度及N/P等)，再將極片單元數量、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。

表1 正交設計及計算結果

圖1 各因素水平對電池比能量、能量密度的影響

Fig.1 Factor levels influencing battery specific energy and energy density

從圖1a可知，電池的比能量隨著極片單元數量、正極涂布量、單片正極的單面面積單調遞增，驗證了前一部分理論分析的正確性；影響電池比能量最顯著的因素是正極涂布量。從圖1b可知，電池的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，也驗證了前一部分理論分析的正確性；影響電池能量密度最顯著的因素是單片正極的單面面積。

根據上述分析可知，要想提高電池的比能量，盡可能提高正極涂布量是關鍵，在確定能接受的正極涂布量上限之后，調整余下的因素水平，以實現客戶的要求；要想提高電池的能量密度，盡可能提高單片正極的單面面積是關鍵，在確定能接受的單片正極的單面面積上限之后，調整余下的因素水平，以實現客戶的要求。

3 結論

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最顯著；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最顯著。

[1] WANG Guo-hong(汪國紅)，WEI Si-wei(魏思偉)，HUANG Kai-jun(黃凱軍)，etal. 鋰離子電池高能量密度負極配方[J]. Battery Bimonthly(電池)，2012，42(5)：274-276.

[2] ZHAI Chuan-xin(翟傳鑫)，TANG Ling(唐玲)，WANG Ze(王澤)，etal. 高比能量軟包裝動力鋰離子電池的制備[J]. Battery Bimonthly(電池)，2014，44(4)：210-212.

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Influence factors of energy of laminated Li-ion battery

LI Guo-hua1，ZHANG Hong-sheng1，WANG Li2，HE Xiang-ming1，3

(1.JiangsuHuadongInstituteofLi-IonBattery，Suzhou，Jiangsu215600，China；2.InstituteofNuclearandNewEnergyTechnology，TsinghuaUniversity，Beijing100084，China；3.StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy，TsinghuaUninersity，Beijing100084，China)

Influences of electrode unit amount，cathode coating weight，one side area of each cathode on cell specific energy and energy density were studied by mathematics method. It was shown that cell specific energy and energy density increased with improvements of electrode unit amount，cathode coating weight，and one side area of each cathode. Influencing significances of the above-mentioned factors on cell specific energy and energy density were studied by orthogonal design，the results indicated that cathode coating weight influenced cell specific energy the most obviously，and that one side area of each cathode influenced cell energy density the most obviously.

Li-ion battery； specific energy； energy density； laminated; size design

李國華(1985-)，男，山東人，江蘇華東鋰電技術研究院工程師，碩士，研究方向：鋰離子電池；

江蘇省科技支撐計劃重大項目(BE2014006-2)，科技部國家中小企業創新基金(14C26213201106)，清華大學蘇州汽車研究院(吳江)基金(2012WJ-A-01)

TM912.9

A

1001-1579(2016)02-0069-03

2015-11-17

張宏生(1976-)，男，陜西人，江蘇華東鋰電技術研究院副院長，碩士，研究方向：鋰離子電池；

王 莉(1977-)，女，河北人，清華大學核能與新能源技術研究院副研究員，博士，研究方向：鋰離子電池及關鍵材料；

何向明(1965-)，男，云南人，清華大學汽車安全與節能國家重點實驗室副研究員，博士，研究方向：鋰離子電池及關鍵材料，本文聯系人。