叠片式锂离子电池能量的影响因素

李国华，张宏生，王 莉，何向明，3

(1. 江苏华东锂电技术研究院，江苏 苏州 215600； 2. 清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084； 3. 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)



叠片式锂离子电池能量的影响因素

李国华1，张宏生1，王 莉2，何向明1，3

(1. 江苏华东锂电技术研究院，江苏 苏州 215600； 2. 清华大学核能与新能源技术研究院，北京 100084； 3. 清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)

从理论上探讨了极片单元数量、正极涂布量、单片正极的单面面积对电池比能量、能量密度的影响。电池比能量、能量密度随极片单元数量、正极涂布量、单片正极的单面面积等因素单调递增。采用正交设计研究了上述三因素对电池比能量、能量密度影响的显著性。正极涂布量对电池比能量影响最显著，单片正极的单面面积对电池能量密度影响最显著。

锂离子电池； 比能量； 能量密度； 叠片； 型号设计

软包动力锂离子电池是目前研究的热点，该类电池的一种主要形式是叠片式软包动力锂离子电池。比能量、能量密度对动力电池具有特殊的意义[1-2]。

弄清楚各变量因素对电池(本文中的电池为未组装任何保护电路的单体电芯)比能量、能量密度的影响，对叠片式软包动力锂离子电池型号设计很有必要。在型号设计过程中，主要的变量可区分为以下6个方面：正负极材料和配方、正负极压实密度、负极容量(N)与正极容量(P)的比值(N/P)、极片单元数量(等于正极片数量)、正极涂布量(在N/P确定的基础上，先确定正极涂布量，随之可确定负极涂布量)、单片正极的单面面积(由正极片长度和宽度决定，当正极片长度和宽度确定后，负极片的尺寸也随之确定，电芯尺寸即可确定)。前3者可认为是由电化学体系水平、设计规则决定的，后3者通常是型号设计工作者关注的变量因素。

本文作者主要探讨极片单元数量、正极涂布量和单片正极的单面面积对电池比能量、能量密度的影响，为设计高能量密度的电池提供依据。

1 比能量与能量密度

1.1 比能量

软包装锂离子电池的构成通常包括正极、负极、隔膜、电解液及其他必要的辅助材料，如极耳、胶带和铝塑等。根据讨论的需要，本文作者将软包锂离子电池内的物质划分为极片单元组合和非贡献能量物质两大类，其中极片单元是指一片正极加一片负极，整个电池内的所有正极和负极可看成是若干个极片单元组成的极片单元组合；非贡献能量物质是指除极片单元组合外其他所有的物质，如隔膜、电解液、极耳、铝塑、保护胶带和终止胶带等。对于常见的LiMO2(M=Co、Ni和Ni-Co-Mn等)/碳体系的锂离子电池，极片单元组合决定了电池的容量和能量。

根据上述定义，电池的比能量(ES)可用式(1)表示。

(1)

式(1)中：x为电池中包含的极片单元数量，与正极片数量相等，量纲为1；y为正极涂布量，kg/m2；z为单片正极的单面面积，m2；x∈N*，y>0，z>0；e(y，z)为一个极片单元所能贡献的能量，Wh，计算公式见式(2)。

e(y,z)=DAV·y·PC·z·SCC

(2)

式(2)中：DAV为放电均压，V；PC为正极活性材料质量与正极活性材料加导电剂加粘结剂的总质量的比值，%；SCC为正极活性材料的比容量，Ah/kg；m(y，z)是一个极片单元的质量，kg，计算公式见式(3)。

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

式(3)中：KCT为单片正极总面积(涂层面积和极耳箔面积之和)与单片正极的单面面积之比，且大于1；TAl为铝集流体的厚度，m；ρAl为铝集流体的密度，kg/m3；KA为每片负极总面积与单片正极的单面面积的比值，且大于1；TCu为铜集流体的厚度，m；ρCu为铜集流体的密度，kg/m3；N/P为负极容量与正极容量的比值，1；PA为负极活性材料质量与负极活性材料加导电剂加粘结剂的总质量的比值，%；SCA为负极活性材料的比容量，Ah/kg；M(x，y，z)为非贡献能量物质的质量，kg，计算公式见式(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为铝塑面积与单片正极的单面面积的比值，且大于1；SDAP为铝塑的面密度，kg/m2；mTab为正负极耳的总质量，可看成常量；mTape为胶带的总质量，可看成常量；kS为隔膜总面积与正极片总面积的比值，且大于1；SDS为隔膜的面密度，kg/m2；kE为电解液质量与电池容量的比值，该系数为正数。

虽然在实际设计中，x只能取自然数，但为了便于说明问题，本文将x的定义域扩展为正数，由于函数的连续性，相应的分析结果将适用于x取自然数的情况。分别求ES(x，y，z)对x、y和z的偏导数，可以推出：

(5)

(6)

(7)

据此可以得出：x、y和z任一单因素增大，将使电池的ES增大。

1.2 能量密度

电池的体积是电池面积(长度和宽度的乘积)与电池厚度的乘积，电池的能量密度(记作ED)可用式(8)计算。

(8)

式(8)中：k是电池长度和宽度的乘积与单片正极的单面面积的比；E(x，y，z)是电池的总能量，计算公式见式(9)。

E(x,y,z)=x·DAV·y·PC·z·SCC

(9)

式(8)中：T(x，y)是电池的厚度，对于叠片式软包锂离子电池而言，计算公式见式(10)。

(2x+1)·Ts+Telse(10)

式(10)中：TAP为两层铝塑膜的厚度；TS为单层隔膜的厚度；Telse为组成电池厚度的除极片组合外的那一片负极、收尾额外缠绕的隔膜、收尾胶带等其他组件的厚度之和。

将x的定义域暂先扩展为正数。分别求ED(x，y，z)对x、y和z的偏导数，可以得出：

(11)

(12)

(13)

据此可以得出：x、y和z任一单因素增大，将使电池的ED增大。

2 显著性研究

为研究极片单元数量、正极涂布量和单片正极的单面面积对电池比能量、能量密度影响的显著性，首先选定某一电化学体系和设计规则(即确定电极材料与配方、压实密度及N/P等)，再将极片单元数量、正极涂布量、单片正极的单面面积等三因素的各水平进行正交组合，对以某一组确定的电极材料与配方、压实密度及N/P为基础计算出的计算出的电池比能量、能量密度进行极差分析。正交设计及计算结果见表1。采用极差法对正交设计结果进行分析，结果见图1。

表1 正交设计及计算结果

图1 各因素水平对电池比能量、能量密度的影响

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

从图1a可知，电池的比能量随着极片单元数量、正极涂布量、单片正极的单面面积单调递增，验证了前一部分理论分析的正确性；影响电池比能量最显著的因素是正极涂布量。从图1b可知，电池的能量密度随着极片单元数量、正极涂布量、单片正极的单面面积单调递增，也验证了前一部分理论分析的正确性；影响电池能量密度最显著的因素是单片正极的单面面积。

根据上述分析可知，要想提高电池的比能量，尽可能提高正极涂布量是关键，在确定能接受的正极涂布量上限之后，调整余下的因素水平，以实现客户的要求；要想提高电池的能量密度，尽可能提高单片正极的单面面积是关键，在确定能接受的单片正极的单面面积上限之后，调整余下的因素水平，以实现客户的要求。

3 结论

电池的比能量、能量密度随着极片单元数量、正极涂布量、单片正极的单面面积单调递增。

在极片单元数量、正极涂布量、单片正极的单面面积三个因素中，正极涂布量对电池比能量的影响最显著；在极片单元数量、电极涂布量、单片正极的单面面积三个因素中，单片正极的单面面积对电池能量密度的影响最显著。

[1] WANG Guo-hong(汪国红)，WEI Si-wei(魏思伟)，HUANG Kai-jun(黄凯军)，etal. 锂离子电池高能量密度负极配方[J]. Battery Bimonthly(电池)，2012，42(5)：274-276.

[2] ZHAI Chuan-xin(翟传鑫)，TANG Ling(唐玲)，WANG Ze(王泽)，etal. 高比能量软包装动力锂离子电池的制备[J]. Battery Bimonthly(电池)，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

李国华(1985-)，男，山东人，江苏华东锂电技术研究院工程师，硕士，研究方向：锂离子电池；

江苏省科技支撑计划重大项目(BE2014006-2)，科技部国家中小企业创新基金(14C26213201106)，清华大学苏州汽车研究院(吴江)基金(2012WJ-A-01)

TM912.9

A

1001-1579(2016)02-0069-03

2015-11-17

张宏生(1976-)，男，陕西人，江苏华东锂电技术研究院副院长，硕士，研究方向：锂离子电池；

王 莉(1977-)，女，河北人，清华大学核能与新能源技术研究院副研究员，博士，研究方向：锂离子电池及关键材料；

何向明(1965-)，男，云南人，清华大学汽车安全与节能国家重点实验室副研究员，博士，研究方向：锂离子电池及关键材料，本文联系人。