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行业新闻

LG、三星、索尼、A123圆柱电池设计与性能对比


Date: 2024/1/26 17:04:30

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未来5-10年,新能源电池行业将呈现“一大支柱、两大应用场景、多元化技术线路”的发展特征。动力锂电池仍将主导新能源电池产业,并加速乘用场景落地。随着技术的日趋成熟,量产后成本下降,优势逐步凸显。但随着技术迭代,多元化电池技术会得到综合发展。


在此背景下,2023年4月、2022年7月、2021年11月及2019年6月,恒进展览已成功举办四届宁德国际新能源电池与智造技术产业大会,在行业界引起了强烈的反响。今年,第五届宁德国际新能源电池与智造技术产业大会将于3月举办,大会涵盖未来电池技术发展、数字科技&电芯智造技术、电池装配智造技术、大圆柱电芯及干法电极工艺技术、电池壳体成型与智造技术、电池热管理与热安全技术 、电池涂胶工艺与设备选型技术、UV喷涂技术发展8大主题专场思客琦之夜1场企业专场


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能量型和功率型电池设计策略

  • 能量型电池的设计策略就是在保证性能的前提下尽可能最大化活性组分的占比,从而提高能量密度。一般采用高负载、低孔隙率、大粒径颗粒、低导电剂含量、少粘结剂、薄集流体并涂敷高结合强度涂层、薄隔膜、高电导率电解液、薄而窄的单个极耳等这种电池结构设计。

  • 功率型电池的设计策略是尽可能降低电池内阻,从而提高倍率性能。一般采用低负载、高孔隙率、小粒径颗粒、较高的导电剂含量、厚集流体并涂敷低电阻涂层、薄隔膜、高电导率电解液、厚而宽的多个极耳等这种电池结构设计。
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因此,不同的电池也会采用不同的设计策略。本文对比了LG、三星、索尼、A123等厂家的圆柱电池设计与性能,以便了解产业界电池设计方法

下表列出了9款电池的厂家、型号、生产日期,额定容量和最大连续放电电流值取自电池规格书,功率-能量比的单位显示为W:W hr,但是它们是根据最大连续放电电流(A)除以额定容量(A hr)计算的。
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电池具有20- 40%的初始充电状态(SoC),对电池进行放电-充电-放电循环,电压曲线如下图所示。

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测得电池的放电能量值、电池重量和体积,以计算质量和体积能量密度值,如下表所示。
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下图绘制了电池的功率能量比与面容量的关系。这两个参数之间存在反比关系,即高功率电池使用低面容量和低涂层重量设计。
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负极涂层、正极涂层、负极铜集流体、隔膜和正极铝集流体这个五种组件的厚度如下图所示。三星48G电池具有最厚的负极,电池提供了最高的能量密度和最低的功率密度A123 M1A负极涂层最薄,该电池具有最高的功率能量比,但是其正极由于LFP低密度而厚度较厚。
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如下图所示,除了A123 M1A电池都在正负极中间焊接极耳(图B)外,其他8个电池都是正极中间焊接一个极耳,负极两端焊接2个极耳。
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实际的电极配方是未知的,并且难以测量。假设正、负极极片中活性材料:粘合剂:导电碳的比例分别为 95:4:1和96:2:2(重量)。对于A123 M1A正极,根据公布的专利,电极配方为79:11:10。根据这些比例、电极的涂层的质量和电池容量计算材料克容量,结果如下图所示。
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电极中的平均孔隙率可以由涂层重量、涂层厚度和涂层组分的平均密度计算,结果如下图所示。除了索尼VTC 6电池之外,负极孔隙率值非常相似。
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电池每Ah的电解液用量如下图所示,电解液应填充电极和隔膜中的所有孔,但仍在电池内留下一些空隙空间没有被电解液填充,一般认为3g/Ah电解质用量是合理的。使用较薄的隔膜和较低孔隙率的正极的电池可以将该值降低到<2g/Ah。
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电池的正负极极片形貌如下图所示,除了A123的LFP形貌外,其他电池都差不多。

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负极    
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正极


还测试电极EDS能谱,多方面确认电池活性物质如下表所示。
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从SEM图像测量估计正、负极极二次颗粒的尺寸。下图绘制了粒径典型值与功率-能量比的关系,结果显示了更高功率的电池使用更小粒径材料,如预期趋势一致。    
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总之,电池和电极的设计会影响锂离子电池的功率和能量密度。高功率密度电池要求较低的电极涂层重量、具有较低弯曲度的较薄隔膜以及较厚的极耳和集流体来最小化电池电阻。电极电阻和锂离子扩散路径长度可以通过使用较小的活性材料颗粒尺寸和较多的导电添加剂来减小。每一种电池需要根据应用场景和具体需求来设计。


文章来源:锂想生活


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展示范围包含单体电池(磷酸铁锂、三元锂电、钠离子)、电池壳体,动力电池模组PACK,模组PACK配件(结构件、电池托盘、电池上盖板、电池线束),氢燃料电堆、燃料电池系统及配件,电池制造技术与检测设备,智能工厂规划与产线设计安装等。


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