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動力電池開發(fā)流程及技術發(fā)展方向

根據(jù)客戶的需求分解,進行逐步的分解設計,每個過程最終都會轉(zhuǎn)化成文件輸入和輸出,下面就產(chǎn)品設計過程進行詳細的說明。

GB/T34013-2017《電動汽車用動力蓄電池產(chǎn)品規(guī)格尺寸》

最基本的設計包含負極比正極寬1-2mm,隔膜比負極寬2-4mm,為了保證對不齊是電池不發(fā)生短路,疊片相當于多個小極片的并聯(lián),卷繞相當于一個大極片

軟包電池因為鋁塑膜質(zhì)量輕、同時內(nèi)部空間利用率高,因而適用于較大能量密度的電池開發(fā),而金屬外殼收到內(nèi)部空間的限制,一般能量密度略低于軟包電池。

安全性因為鋁殼電池具有了金屬外殼的保護,因而安全性會高一些,而軟包裝電池只能靠材料本身的性能去通過安全性測試,目前看來難度較大。

就工藝難度而言,因為軟包電池是很多小極片,因此對模切設備要求高,容易產(chǎn)生自放電大和局部的微短路,同時由于內(nèi)部空間限制,游離電解液少,循環(huán)性能可能會稍差。

卷繞電池相對而言會好一些,有一些富余量,容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn),就成本而言,因為卷繞電池對于外殼的焊接要求高,因此成本略高一些,而軟包電池不涉及到激光焊接,重點在于封裝,設備投資低。

根據(jù)電池的內(nèi)部空間計算出電芯的正負極、隔膜的層數(shù),根據(jù)行業(yè)發(fā)展的狀況,材料的相關參數(shù)都是根據(jù)以往的測試經(jīng)驗來進行的實驗驗證需要驗證壓實密度、材料性能,輔材性能(包括SBR、CMC、PVDF、導電劑等等的驗證)基于平臺型號的開發(fā),最終工藝的開發(fā)也需要和材料進行匹配,得出最終的控制計劃和工藝流程圖。

現(xiàn)在廠家為了縮短時間,將實驗驗證和工藝開發(fā)合并在一起進行,但往往風險比較大,畢竟材料體系本身是隨著技術的發(fā)展而發(fā)展的。

每一個材料的每一個性能都有相關的檢測標準,正負極的某些性能指標和電池的性能指標直接相關,但目前沒有合適的模型進行正向的電化學性能模擬,只是根據(jù)已有的經(jīng)驗數(shù)據(jù)進行修補。

但是Co比例的增大導致晶胞參數(shù)a和c減小且c/a增大,導致容量降低。

但是過高的Mn含量將會降低材料克容量,并且容易產(chǎn)生尖晶石相而破壞材料的層狀結(jié)構(gòu)。

但是Ni含量過高將會與Li+產(chǎn)生混排效應而導致循環(huán)性能和倍率性能惡化,而且高鎳材料的pH值過高影響實際使用。

隨著鎳含量的提高,材料的容量是越來越高的,但材料的熱穩(wěn)定性是逐漸下降的,Mn可以起到穩(wěn)定結(jié)構(gòu)的作用,而Ni則不具有這個功能,隨著溫度的升高,

脫鋰態(tài)的正極材料Ni經(jīng)由四面體位遷移到Li層,引發(fā)結(jié)構(gòu)崩塌和熱穩(wěn)定性問題。

材料的結(jié)構(gòu)從層狀鹽向尖晶石轉(zhuǎn)變,繼續(xù)轉(zhuǎn)變?yōu)閹r鹽結(jié)構(gòu),每一轉(zhuǎn)變都有氧的釋放,加速了材料的熱失控。

對于大多數(shù)材料廠家而言本身是不生產(chǎn)前驅(qū)體的,前驅(qū)體有專門的生產(chǎn)廠家,原材料廠從前驅(qū)體廠家購買了前驅(qū)體然根據(jù)需求進行材料的燒結(jié),控制條件的不同,得出不同性能的材料。

NCA充放電過程中嚴重的產(chǎn)氣,導致電池鼓脹變形,循環(huán)及擱置壽命下降,給電池帶來安全隱患,所以通常使用NCA正極材料制作18650型圓柱電池,

以緩解電池鼓脹變形問題。Tesla Model S采用與Panasonic共同研發(fā)的高容量3.1AhNCA鋰電池組,由7000顆18650圓柱電池組成。

由于NCA制備條件苛刻,用起來也相對麻煩,因而國內(nèi)比較傾向于NCM811的路線,日韓比較傾向于NCA路線。

某材料廠家單晶NCM523材料在不同電壓下的性能,雖然電壓提高有助于能量密度的提升,但是給整個體系的匹配性帶來了一定的難度。

1、氧化物包覆 ,在不影響鋰離子脫出的過程中提高電導率,或者提供路徑,或者保護表面等等作用。

低價元素:Mg、Sr、Zn、Al、B、La

四價元素:Zr、Ti、Si、Ce

高價元素:V、W、Mo、Cr等

2、電子、快離子導體

電子:C、石墨烯、AZO、ITO、PPy等

快離子:LBO、LZO、NTP、Li3PO4等

3、鹽類包覆

AlF3、AlPO4、LiAlF4等

根據(jù)專家組的建議和目前的技術水平,提高鎳含量以及材料的上限電壓,在輔助其他材料技術來進行材料的技術升級,負極由石墨過渡到硅碳,最終實現(xiàn)鋰金屬負極的應用。

來源:第一電動網(wǎng)

作者:鋰電聯(lián)盟會長

本文地址:http://autopag.com/kol/68748

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