Wie man Lithium-Ionen-Batteriezellen entwickelt!

1. wie sind die Lithium-Ionen-Batteriezellen aufgebaut?

Die Gestaltung von Lithium-Ionen-Batteriezellen bezieht sich auf eine Methode, bei der positive Elektrodenmaterialien, negative Elektrodenmaterialien, Elektrolyte, Separatoren sowie positive und negative Stromsammler in bestimmten Proportionen und Verfahren zusammengesetzt werden, um die Anforderungen einer bestimmten elektrischen Leistung zu erfüllen. Die Konstrukteure müssen die Eigenschaften der positiven und negativen Elektrodenmaterialien, der Elektrolyte, der Separatoren und der Leitmittel verstehen und über umfassende Kenntnisse der Elektrochemie sowie über eine ganzheitliche Denklogik verfügen. Es handelt sich um ein umfangreiches Projekt der Fertigungstechnik, das mehrere Prozesse umfasst, von denen jeder seine eigenen technologischen Merkmale hat.

2.Klare Zielsetzungen für die Entwicklung von Lithium-Ionen-Batteriezellen

Zunächst muss geklärt werden, welche Anforderungen das Zelldesign erfüllen muss. Gegenwärtig wird die Nachfrage nach Batteriezellen vor allem unter zwei Gesichtspunkten bestimmt: zum einen durch die interne technische Lagerung von Batterieunternehmen, die die Marktnachfrage im Voraus antizipieren; zum anderen durch Unternehmen, die Batteriezellen benötigen, sei es für Verbraucherbatterien oder für Leistungsbatterien, und die die Unternehmensanforderungen in die Sprache der Batteriezellen übersetzen müssen.

3. die Grundlagen der Konstruktion von Lithium-Ionen-Batteriezellen

Das Grundprinzip des Zellendesigns besteht darin, einen relativen Gleichgewichtspunkt zwischen Parametern wie Energiedichte, Lebensdauer, Ratenfähigkeit und Kosten zu finden, da es schwierig ist, verschiedene Indikatoren gleichzeitig zu erfüllen. Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Ziele entsprechend den Kundenanforderungen zu klassifizieren:

(1) Anforderungen, die von den Kunden erfüllt werden müssen, wie Kapazität, Energie, Sicherheit usw;
(2) Spezielle Anforderungen der Kunden sollten so weit wie möglich erfüllt werden, z. B. Schnellladung, Leistung usw;
(3) Unwesentliche Kundenanforderungen. Um diese zu identifizieren, ist eine mehrfache und ausführliche Kommunikation mit den Kunden erforderlich, um Designabweichungen zu vermeiden.

4. die Auswahl der Materialien für die Zusammensetzung der Lithium-Ionen-Batteriezellen

Auswahl der positiven Elektroden:

Die Wahl des Materials der positiven Elektrode bestimmt die Energiedichte der Zelle. Ternäre Materialien und Lithiumeisenphosphat sind die am häufigsten verwendeten positiven Elektrodenmaterialien in Leistungsbatteriezellen, während Lithiumkobaltoxid in Verbraucherbatteriezellen üblicher ist. Unabhängig davon, ob es sich um eine Verbraucher- oder eine Leistungsbatterie handelt, sind die grundlegenden Konstruktionskonzepte im Wesentlichen die gleichen. Nehmen wir quadratische Leistungsbatteriezellen als Beispiel: Wenn unser Konstruktionsziel darin besteht, 210 Wh/kg zu erreichen, dann sind normalerweise ternäre Materialien der 5er-Reihe oder höher erforderlich; um über 240 Wh/kg zu erreichen, sind ternäre Materialien der 8er-Reihe oder höher erforderlich. Derzeit herrscht in der Branche Uneinigkeit über die Verwendung von Materialien der Serie 8. Daher ist bei der Wahl der positiven Elektrodenmaterialien ein anderer Ansatz erforderlich. Wir alle wissen, dass die Energiedichte hauptsächlich durch die Kapazität (C) und die Spannung (V) bestimmt wird. Wenn es nicht möglich ist, Materialien mit hoher Kapazität zu wählen, müssen wir die Grenzspannung des Materials erhöhen, z. B. von 4,2 V auf 4,35 V. Wenn die Erhöhung der Kapazität und der Spannung immer noch nicht ausreicht, um die Anforderungen an die Energiedichte zu erfüllen, ist eine weitere Optimierung der Zellstruktur und der Prozesse erforderlich.

Auswahl der Negativelektroden:

Bei den negativen Elektrodenmaterialien handelt es sich meist um künstlichen Graphit, der auch mit Silizium dotiert sein kann, oder um Lithiumtitanat, Hartkohle usw. Bei künstlichem Graphit in Verbindung mit ternären Materialien liegt die spezifische Kapazität bei etwa 350 mAh/g. In bestimmten Fällen kann durch eine Erhöhung der spezifischen Kapazität der negativen Elektrode die Menge des verwendeten negativen Elektrodenmaterials verringert und damit die Energiedichte der Zelle erhöht werden. Die Dotierung von Graphitelektroden mit Silizium ist eine relativ wirksame Methode, aber die Dotierung mit Silizium führt zu einer Ausdehnung der negativen Elektrode, was den anfänglichen Wirkungsgrad verringert und die Schnellladefähigkeit und die Zykluslebensdauer beeinträchtigt. Daher müssen bei der Entscheidung über die Zugabe von Silizium die Menge der Dotierung und die nachfolgenden Lithium-Nachfüllprozesse gleichzeitig berücksichtigt werden.

Auswahl der Abscheider:

Bei der Auswahl der Separatoren müssen nicht nur Material, Dicke und Kosten berücksichtigt werden, sondern auch Porosität, Permeabilität, Gewicht der Keramikbeschichtung und ob eine PVDF-Beschichtung aufgebracht wird. Eine keramische Beschichtung kann die Sicherheitsleistung der Batteriezelle verbessern, während eine PVDF-Beschichtung die Passform der Zellschnittstelle optimieren kann. Allerdings verursachen diese Beschichtungen auch höhere Kosten und kompliziertere Prozesse, die von den Konstrukteuren je nach Anforderungen sorgfältig abgewogen werden müssen.

Auswahl der Elektrolyte:

Der Elektrolyt wirkt als Ionenleiter und elektronischer Isolator zwischen den positiven und negativen Elektroden der Batterie. Bei sekundären Lithium-Ionen-Batterien haben die Eigenschaften des Elektrolyten einen erheblichen Einfluss auf die Lebensdauer, den Betriebstemperaturbereich, die Lade- und Entladeeffizienz, die Sicherheit und die Leistungsdichte der Batterie. Sekundäre Lithiumelektrolytmaterialien sollten die folgenden Eigenschaften aufweisen: (1) hohe Lithium-Ionen-Leitfähigkeit; (2) hohe elektrochemische Stabilität, die über einen weiten Potenzialbereich erhalten bleibt; (3) gute Kompatibilität mit den Elektroden, die einen stabilen SEI-Film auf der negativen Elektrode bilden und eine ausreichende Fähigkeit zur Zersetzung gegen Oxidation auf der positiven Elektrode unter hohen Potenzialbedingungen haben; (4) guter Kontakt mit den Elektroden, bei flüssigen Elektrolyten in der Lage, die Elektroden vollständig zu benetzen; (5) gutes Tieftemperaturverhalten, Aufrechterhaltung einer hohen Leitfähigkeit und niedrigen Viskosität in einem niedrigeren Temperaturbereich (-20~20 ℃), um eine gute Benetzung der Elektrodenoberfläche während der Lade- und Entladevorgänge aufrechtzuerhalten; (6) großer Spannungsbereich; (7) gute thermische Stabilität, keine thermische Zersetzung über einen großen Temperaturbereich; (8) gute chemische Stabilität, keine chemischen Reaktionen mit positiven und negativen Elektroden, Stromabnehmern, Bindemitteln, Leitmitteln, Separatoren, Verpackungsmaterialien, Dichtungsmitteln usw., (9) ungiftig, nicht umweltschädlich, sicher in der Anwendung, vorzugsweise biologisch abbaubar; (10) einfach herzustellen, kostengünstig. Derzeit werden als Elektrolytzusätze hauptsächlich SO2/CO2/VC (Vinylcarbonat) [zur Verbesserung der SEI-Filmleistung], Trimethylphosphat (TMP) [zur Verbesserung der Elektrolytsicherheit], Kronenether [zur Erhöhung der Elektrolytleitfähigkeit], Al2O2, MgO, Lithium oder Kalziumkarbonat [zur Kontrolle des Wasser- und Säuregehalts] verwendet. Daher müssen geeignete Elektrolyte auf der Grundlage der von der Batteriezelle zu erzielenden Leistung ausgewählt werden.

Auswahl der Stromabnehmer:

Der Stromabnehmer ist ein unverzichtbares Bauteil in Lithium-Ionen-Batterien. Er trägt nicht nur das aktive Material, sondern sammelt auch den vom aktiven Material der Elektrode erzeugten Strom und gibt ihn ab, was dazu beiträgt, den Innenwiderstand von Lithium-Ionen-Batterien zu verringern und ihren coulombschen Wirkungsgrad, die Zyklenstabilität und die Leistungsrate zu verbessern. Im Prinzip sollte der ideale Stromabnehmer für Lithium-Ionen-Batterien mehrere Bedingungen erfüllen: (1) hohe elektrische Leitfähigkeit, (2) gute chemische und elektrochemische Stabilität, (3) hohe mechanische Festigkeit, (4) gute Kompatibilität und Haftung mit dem aktiven Material der Elektrode, (5) Erschwinglichkeit und Verfügbarkeit, (6) geringes Gewicht. In der Praxis haben die verschiedenen Stromkollektormaterialien jedoch immer noch verschiedene Probleme, die es schwierig machen, die oben genannten Anforderungen auf mehreren Ebenen zu erfüllen. So neigt Kupfer beispielsweise bei höheren Potenzialen zur Oxidation, weshalb es sich als Stromkollektor für negative Elektrodenmaterialien wie Graphit, Silizium, Zinn und Kobalt-Zinn-Legierungen eignet. Andererseits ist Aluminium als Stromabnehmer für die negative Elektrode mit starken Korrosionsproblemen konfrontiert, eignet sich aber als Stromabnehmer für die positive Elektrode.

Zu den Materialien, die derzeit als Stromabnehmer für Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden können, gehören Metalle wie Kupfer, Aluminium, Nickel und Edelstahl, Halbleitermaterialien wie Kohlenstoff und Verbundwerkstoffe.

A. Stromabnehmer aus Kupfer

Kupfer ist ein hervorragender metallischer Leiter mit einer elektrischen Leitfähigkeit, die nur von Silber übertroffen wird. Es hat viele Vorteile, z. B. reichlich vorhandene Ressourcen, Erschwinglichkeit und gute Verformbarkeit. Da Kupfer jedoch bei höheren Potenzialen zur Oxidation neigt, wird es üblicherweise als Stromabnehmer für aktive Materialien mit negativer Elektrode wie Graphit, Silizium, Zinn und Kobalt-Zinn-Legierungen verwendet. Zu den gebräuchlichen Stromabnehmern aus Kupfer gehören Kupferfolien, Kupferschaum, Kupfernetze und dreidimensionale Nano-Kupfer-Array-Stromabnehmer.

(1) Stromabnehmer aus Kupferfolie. Kupferfolie kann je nach Produktionsverfahren in gewalzte Kupferfolie und elektrolytische Kupferfolie unterteilt werden. Verglichen mit elektrolytischer Kupferfolie hat gewalzte Kupferfolie eine höhere elektrische Leitfähigkeit und eine bessere Duktilität, so dass sie sich für Lithium-Ionen-Batterien mit geringen Biegeanforderungen eignet, um elektrolytische Kupferfolie als Stromabnehmer für die negative Elektrode zu wählen. Studien haben gezeigt, dass eine Erhöhung der Rauheit der Kupferfolienoberfläche die Haftfestigkeit zwischen dem Stromabnehmer und dem aktiven Material verbessert, den Kontaktwiderstand zwischen dem aktiven Material und dem Stromabnehmer verringert und dementsprechend die Entladeleistung und die Zyklenstabilität der Batterie verbessert.

(2) Stromabnehmer aus Kupferschaum. Kupferschaum ist ein dreidimensionales poröses Material, das einem Schwamm ähnelt und viele Vorteile wie geringes Gewicht, hohe Festigkeit und Zähigkeit sowie eine große spezifische Oberfläche aufweist. Obwohl aktive Materialien für negative Elektroden aus Silizium und Zinn eine hohe theoretische spezifische Kapazität haben und als vielversprechende aktive Materialien für negative Elektroden in Lithium-Ionen-Batterien gelten, haben sie auch Nachteile wie große Volumenänderungen und Pulverisierung während des Zyklus, was die Batterieleistung stark beeinträchtigt. Studien haben gezeigt, dass Kupferschaum-Stromsammler die Volumenänderungen von Silizium- und Zinn-Aktivmaterialien während des Lade- und Entladevorgangs unterdrücken können, wodurch sich ihr Pulverisierungsphänomen verlangsamt und die Batterieleistung verbessert.

B. Aluminium-Stromabnehmer

Obwohl Aluminium eine geringere Leitfähigkeit als Kupfer hat, ist die Masse von Aluminiumdraht bei der Übertragung der gleichen Strommenge nur halb so groß wie die von Kupferdraht. Die Verwendung von Stromabnehmern aus Aluminium trägt zweifellos dazu bei, die Energiedichte von Lithium-Ionen-Batterien zu erhöhen. Außerdem ist Aluminium im Vergleich zu Kupfer kostengünstiger. Während des Lade-/Entladevorgangs von Lithium-Ionen-Batterien bildet sich auf der Oberfläche von Stromabnehmern aus Aluminiumfolie eine dichte Oxidschicht, die die Korrosionsbeständigkeit der Aluminiumfolie erhöht. Daher wird Aluminiumfolie häufig als Stromabnehmer für die positive Elektrode in Lithium-Ionen-Batterien verwendet. Ähnlich wie bei Stromabnehmern aus Kupferfolie können auch bei Aluminiumfolie die Oberflächeneigenschaften durch eine Oberflächenbehandlung verbessert werden. Nach dem DC-Ätzen bildet die Oberfläche der Aluminiumfolie eine wabenartige Struktur, die enger mit dem aktiven Material der positiven Elektrode verbunden ist und die elektrochemische Leistung von Lithium-Ionen-Batterien verbessert. In der Praxis korrodieren Aluminium-Stromabnehmer jedoch oft stark, da die Passivschicht auf der Oberfläche zerstört wird, was zu einer Abnahme der Batterieleistung führt. Um die Korrosionsbeständigkeit von geätzten Aluminiumfolien zu verbessern, muss ihre Oberfläche daher optimal behandelt werden, um einen stabileren Passivfilm zu bilden.

C. Nickel-Stromabnehmer

Nickel ist ein relativ preiswertes Metall mit guter Leitfähigkeit und Stabilität in sauren und alkalischen Lösungen. Daher kann Nickel sowohl als positive Elektrode als auch als Stromabnehmer für negative Elektroden verwendet werden. Passend dazu gibt es aktive Materialien für positive Elektroden wie Lithiumeisenphosphat und aktive Materialien für negative Elektroden wie Nickeloxid, Schwefel und Kohlenstoff-Silizium-Verbundstoffe. Die Form von Nickel-Stromabnehmern umfasst in der Regel Nickelschaum und Nickelfolie. Aufgrund der ausgeprägten Poren von Nickelschaum ist die Kontaktfläche mit dem aktiven Material groß, wodurch der Kontaktwiderstand zwischen dem aktiven Material und dem Stromkollektor verringert wird. Bei der Verwendung von Nickelfolie als Elektrodenstromabnehmer neigt das aktive Material mit zunehmender Anzahl von Lade-/Entladezyklen dazu, sich abzulösen, was die Batterieleistung beeinträchtigt. In ähnlicher Weise lassen sich Oberflächenvorbehandlungsverfahren auch auf Stromabnehmer aus Nickelfolie anwenden. So wird beispielsweise nach dem Ätzen der Oberfläche der Nickelfolie die Haftfestigkeit zwischen dem aktiven Material und dem Stromabnehmer erheblich verbessert. Nickeloxid hat die Vorteile der strukturellen Stabilität und der niedrigen Kosten und hat eine hohe theoretische spezifische Kapazität. Es ist ein weit verbreitetes aktives Material für die negative Elektrode von Lithium-Ionen-Batterien. Auf dieser Grundlage wird durch In-situ-Aufwachsen einer Nickeloxidschicht auf der Oberfläche von Nickelschaum mittels einer Festphasenoxidationsmethode eine negative Elektrode aus Nickeloxid mit Nickelschaum als Stromkollektor hergestellt. Im Vergleich zu Nickelfolie/Nickeloxid-Elektroden erhöht sich die spezifische Kapazität der ersten Entladung von Nickelschaum/Nickeloxid-Elektroden erheblich. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die dreidimensionale Struktur des Stromkollektors das Phänomen der Grenzflächenpolarisierung reduziert und die Stabilität der Batterie beim Laden/Entladen verbessert. Lithiumeisenphosphat gilt als ideales aktives Material für die positive Elektrode von Lithium-Ionen-Batterien, da es sich durch seine hohe Sicherheit und die breite Verfügbarkeit von Rohstoffen auszeichnet. Die Beschichtung von Lithiumeisenphosphat auf der Oberfläche von Nickelschaum-Stromabnehmern kann die Kontaktfläche zwischen LiFePO4 und Nickelschaum vergrößern, die Stromdichte der Grenzflächenreaktionen verringern und die Entladungsleistung von LiFePO4 verbessern.

D. Stromabnehmer aus rostfreiem Stahl

Rostfreier Stahl ist eine Stahllegierung, die Elemente wie Nickel, Molybdän, Titan, Niob, Kupfer und Eisen enthält. Er hat eine gute Leitfähigkeit und Stabilität, ist korrosionsbeständig gegenüber schwachen korrosiven Medien wie Luft, Dampf und Wasser und widersteht der chemischen Erosion durch starke korrosive Medien wie Säuren, Laugen und Salze. Oberflächen aus nichtrostendem Stahl bilden auch leicht einen Passivfilm zum Schutz vor Korrosion. Außerdem kann Edelstahl dünner als Kupfer verarbeitet werden, was ihn kostengünstig, einfach in der Herstellung und für die Massenproduktion geeignet macht. Edelstahl kann sowohl als positiver als auch als negativer Elektrodenstromabnehmer verwendet werden. Zu den gängigen Stromabnehmern aus Edelstahl gehören Edelstahlgewebe und poröser Edelstahl.

(1) Stromabnehmer aus Edelstahlgewebe. Edelstahlgewebe ist von dichter Beschaffenheit. Wenn es als Stromabnehmer verwendet wird, ist seine Oberfläche vom aktiven Material der Elektrode umhüllt und kommt nicht direkt mit dem Elektrolyten in Kontakt, wodurch es weniger anfällig für Nebenreaktionen ist und die Zyklenleistung der Batterie verbessert.

(2) Poröse Stromabnehmer aus rostfreiem Stahl. Um das aktive Material vollständig zu nutzen und die spezifische Entladekapazität der Elektrode zu erhöhen, ist die Verwendung poröser Stromabnehmer eine einfache und wirksame Methode.

E. Kohlestromabnehmer

Wenn Kohlenstoffmaterialien als positive oder negative Elektrodenstromabnehmer verwendet werden, kann die Korrosion des Elektrolyts an den Metallstromabnehmern vermieden werden. Kohlenstoffmaterialien haben Vorteile wie reichlich vorhandene Ressourcen, einfache Verarbeitung, geringer elektrischer Widerstand, Umweltfreundlichkeit und niedrige Kosten. Kohlenstofffasergewebe mit seiner guten Flexibilität, Leitfähigkeit und elektrochemischen Stabilität kann als Stromkollektor für flexible Lithium-Ionen-Batterien verwendet werden. Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind eine weitere Form von Stromabnehmern aus Kohlenstoff. Im Vergleich zu Metallstromabnehmern haben sie den großen Vorteil, dass sie leicht sind und die Energiedichte von Batterien deutlich erhöhen können.

F. Komposit-Stromabnehmer

Neben einzelnen Stromabnehmern wie Kupfer, Aluminium, Nickel, Edelstahl und Kohlenstoff haben in den letzten Jahren auch zusammengesetzte Stromabnehmer wie leitfähiges Harz, kohlenstoffbeschichtete Aluminiumfolie und Titan-Nickel-Formgedächtnislegierungen die Aufmerksamkeit der Wissenschaftler auf sich gezogen.

G. Stromabnehmer aus leitfähigem Harz

Stromabnehmer aus Polyethylen (PE) und Phenolharz (PF) bestehen aus leitfähigen Füllstoffen und Polymerharzmatrizen. Unter Verwendung von PE und PF als Matrixmaterialien und deren gleichmäßiger Vermischung mit leitfähigen Füllstoffen wie Graphit und Ruß werden Verbundstromabnehmer hergestellt und ihre physikochemischen Eigenschaften untersucht. Graphen ist ein einzigartiges zweidimensionales funktionelles Kohlenstoffmaterial, das aus Kohlenstoffatomen durch sp2-Hybridisierung gebildet wird und eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit, spezifische Oberfläche und mechanische Festigkeit aufweist. Es kann Graphit als aktives Material für die negative Elektrode von Lithium-Ionen-Batterien ersetzen und auch als Stromabnehmermaterial verwendet werden.

H. Stromabnehmer aus einer Titan-Nickel-Formgedächtnislegierung

Titan-Nickel-Formgedächtnislegierungen sind binäre Legierungen, die aus Nickel und Titan bestehen. Sie können sich bei Änderungen der Außentemperatur oder des Drucks zwischen zwei verschiedenen Kristallphasen umwandeln. Titan-Nickel-Formgedächtnislegierungen können die Volumenänderungen aktiver Materialien während der Lade- und Entladevorgänge unterdrücken, indem sie ihren eigenen Phasenzustand ändern, wodurch die Lebensdauer der Batterie verbessert wird.

I. Stromabnehmer mit kohlenstoffbeschichteter Alufolie

Stromabnehmer mit Kohlenstoffbeschichtung/Aluminiumfolie sind Verbundstromabnehmer mit einer Kohlenstoffverbundschicht auf der Oberfläche der Aluminiumfolie. Die Kohlenstoffschicht besteht aus Kohlenstofffasern und mit Dispersionsmitteln behandelten Rußpartikeln, die sich eng mit der Aluminiumfolie verbinden können, wodurch die elektrische Leitfähigkeit und die Korrosionsbeständigkeit der Elektrode verbessert werden.

Stromabnehmer gehören zu den unverzichtbaren Bestandteilen von Lithium-Ionen-Batterien und erfüllen mehrere Funktionen: Sie transportieren die aktiven Materialien der Elektroden und sammeln die Ausgangsströme. Stromabnehmer, die aus verschiedenen Materialien und Produktionsverfahren hergestellt werden, haben ihre eigenen Vor- und Nachteile und wirken sich unterschiedlich auf Lithium-Ionen-Batterien aus.

5.Entwurf der Kapazität von Lithium-Ionen-Batteriezellen

Die einfache Formel zur Berechnung der Zellkapazität lautet wie folgt:
Auslegungskapazität = Gram-Kapazität des positiven Elektrodenmaterials * Umhüllungsgewicht * Belastung * Elektrodenlänge * Elektrodenbreite * 2 * Anzahl der Wicklungen

Die Gramm-Kapazität des positiven Elektrodenmaterials wird vom Materialhersteller angegeben, wenn es das Werk verlässt. Natürlich führen die Batteriehersteller auch ihre eigenen Tests durch, um die Stabilität der Chargen zu gewährleisten und so die Konsistenz der späteren Montage zu verbessern. Die typische Prüfmethode besteht in der Verwendung von Knopfzellen mit Lithiumelektroden. Das Gewicht der Beschichtung wird in g/m2 gemessen, und zu den Beschichtungsmethoden gehören Transferbeschichtung und Extrusionsbeschichtung. Aufgrund der Vorteile der Extrusionsbeschichtung in Bezug auf Toleranz und Präzision verwenden die meisten Produktionslinien derzeit die Extrusionsbeschichtung. Die Beladung bezieht sich auf den Anteil der Masse des aktiven Materials in der positiven Elektrodenformulierung. Bei der Herstellung rechteckiger Zellen beträgt die Anzahl der Wickelkerne normalerweise 2 oder 4. Weniger Hersteller entscheiden sich für einen Wickelkern, da größere Elektrodenlängen zu Schwierigkeiten beim Stanzen führen können, was sich auf die Ausbeute auswirkt, und die Kontrolle der Fehlausrichtung bei zu vielen Schichten schwierig ist.

6. die Auslegung des N/P-Verhältnisses für Lithium-Ionen-Batteriezellen

Das N/P-Verhältnis wird wie folgt berechnet:
N/P = Gramm Kapazität der negativen Elektrode * Masse des aktiven Materials der negativen Elektrode / Gramm Kapazität der positiven Elektrode * Masse des aktiven Materials der positiven Elektrode. Der Hauptzweck besteht darin, sicherzustellen, dass die Lithiumaufnahmekapazität der negativen Elektrode zur gleichen Zeit und am gleichen Ort größer ist als die Lithiumentnahmekapazität der positiven Elektrode. Gram-Kapazitäten werden im Allgemeinen durch Entladetests ermittelt, so dass es in der Regel zwei N/P-Verhältnisse gibt: eines für die erste Aufladung und eines für die anschließende Entladung. Die Auslegung des N/P-Verhältnisses für die Erstaufladung soll vor allem sicherstellen, dass während der Formierungsphase kein Lithiumstripping auftritt. Das N/P-Verhältnis für die anschließende Entladung soll vor allem die langfristige Zyklenfestigkeit gewährleisten. Daher muss bei der Auswahl des N/P-Wertes sowohl das Laden als auch das Entladen berücksichtigt werden, um eine optimale Wahl zu treffen.

7.Sicherheitsdesign von Lithium-Ionen-Batteriezellen

Die Sicherheit ist ein wichtiger Aspekt bei der internen Konstruktion von Batteriezellen. Allgemeine Strategien umfassen:

(1) Überhang-Design: Dabei muss sichergestellt werden, dass die Länge und Breite des Separators die negative Elektrode und die Länge und Breite der negativen Elektrode die positive Elektrode abdecken kann. Dieser Ansatz hat mehrere Vorteile: Er verhindert interne Kurzschlüsse, die durch die Ausdehnung der Elektroden während des Ladens und Entladens verursacht werden, und er verhindert, dass der Separator nach unten gedrückt wird, was interne Kurzschlüsse verursachen könnte.

(2) Keramische Beschichtung auf dem positiven Elektrodenrand: Dabei wird eine isolierende Keramikschicht auf den Rand der positiven Elektrode aufgebracht, um Kurzschlüsse zwischen der positiven und der negativen Elektrode zu verhindern.

(3) Sicherheitsdesign der oberen Abdeckung: Dazu gehören vor allem der Sicherungsschutz und das Design von Überladungsabschaltungen (OSD). Zu den Designüberlegungen gehört die Überstromfähigkeit der Sicherung, was die Erfassung und Prüfung relevanter Validierungsdaten sowohl für Dauer- als auch für Spitzenströme erfordert. OSD wird in erster Linie zur Verhinderung von Überladungen eingesetzt. Wie in einem früheren Artikel erwähnt, können ternäre Systeme mit der Veröffentlichung neuer nationaler Normen Überladungstests ohne OSD bestehen. Um die Zuverlässigkeit zu verbessern und die Kosten für die oberen Abdeckungen zu senken, wird OSD daher möglicherweise schrittweise abgeschafft.

8. die Formulierung von positiven und negativen Elektroden für Lithium-Ionen-Batteriezellen

Die Formulierung der positiven Elektrode besteht in der Regel aus ternären Materialien, leitfähigen Stoffen, Bindemitteln usw., wobei NMP als Lösungsmittel verwendet wird. Zu den üblichen Leitmitteln gehören SP, KS-6 und CNT, während die Bindemittel häufig aus PVDF bestehen. Um die Energiedichte der Zellen zu maximieren, sollte die NCM-Beladung mindestens 95%, aber nicht 100% betragen, da die Hilfsstoffe eine wichtige Rolle spielen. Die Rolle der Leitfähigkeitsmittel und Bindemittel ist selbsterklärend. SP ist ein lineares Leitmittel, das für eine weitreichende Leitfähigkeit sorgt, während KS-6 ein flockiges Leitmittel ist, das für eine kurzreichende Leitfähigkeit sorgt. In praktischen Anwendungen werden beide zusammen verwendet, um die Leitfähigkeit zu verbessern.

Die Formulierung der negativen Elektrode ist ähnlich und besteht hauptsächlich aus Graphit/Silizium, leitfähigen Stoffen, Bindemitteln, Emulgatoren usw., wobei der Hauptmaterialgehalt ebenfalls auf über 96% abzielt. Die Arten der leitfähigen Stoffe sind ähnlich wie bei der positiven Elektrode, aber die Bindemittel und Emulgatoren unterscheiden sich. Zu den Bindemitteln gehören in der Regel SBR (Styrol-Butadien-Kautschuk) und Acrylmaterialien, die nicht nur die Haftung verbessern, sondern auch den Transport von Lithiumionen beschleunigen. Das Lösungsmittel für die Aufschlämmung der negativen Graphitelektrode ist häufig deionisiertes Wasser. Da Graphit ein unpolares Material mit geringer Oberflächenenergie ist, während Wasser ein polares Lösungsmittel ist, bildet der Emulgator CMC-Na (Carboxymethylcellulose-Natrium) über Van-der-Waals-Kräfte hydrophobe Bindungen mit Graphitoberflächen, während hydrophile Gruppen sich mit Wasser verbinden und so die hydrophilen Eigenschaften des Graphits verbessern. Außerdem erhöht sich nach der Verkapselung von CMC-Na die negative Ladung auf der Graphitoberfläche, was zu einer stärkeren Abstoßung zwischen den Partikeln und einer geringeren Sedimentation in der Aufschlämmung führt. CMC-Na spielt also eine doppelte Rolle, indem es die Hydrophilie des Graphits erhöht und für räumliche Beständigkeit sorgt.