響應(yīng)政府的號召，提升鋰離子電池的能量密度成為各電池廠家、研究機(jī)構(gòu)的熱點(diǎn)問題。寧德時(shí)代、天津力神、國軒高科等團(tuán)隊(duì)，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了300瓦時(shí)/公斤動(dòng)力電池的研發(fā)，另外，仍舊有大量單位開展相關(guān)方面的開發(fā)和研究工作。

軟包裝鋰離子電池的構(gòu)成通常包括正極、負(fù)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(jù)討論的需要，本文作者將軟包鋰離子電池內(nèi)的物質(zhì)劃分為極片單元組合和非貢獻(xiàn)能量物質(zhì)兩大類，其中極片單元是指一片正極加一片負(fù)極，整個(gè)電池內(nèi)的所有正極和負(fù)極可看成是若干個(gè)極片單元組成的極片單元組合;非貢獻(xiàn)能量物質(zhì)是指除極片單元組合外其他所有的物質(zhì)，如隔膜、電解液、極耳、鋁塑、保護(hù)膠帶和終止膠帶等。對于常見的 LiMO 2 (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。

目前，為了實(shí)現(xiàn)電池的質(zhì)量比能量300Wh/kg的目標(biāo)，主要的方法包括：

（1）選擇高容量材料體系，正極采用高鎳三元，負(fù)極采用硅碳；

（2）設(shè)計(jì)高壓電解液，提高充電截止電壓；

（3）優(yōu)化正負(fù)極漿料的配方，增加活性物質(zhì)在電極中占比；

（4）采用更薄的銅箔、鋁箔，減少集流體的所占的比例；

（5）提高正負(fù)極的涂布量，增加活性物質(zhì)在電極中占比；

（6）控制電解液的數(shù)量，減少電解液的數(shù)量提高鋰離子電池比能量；

（7）優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)，降低極耳、封裝材料等在電池中所占的比例。

在圓柱、方形硬殼、軟包疊片三種電池形態(tài)中，軟包電池具有設(shè)計(jì)靈活、重量輕、內(nèi)阻小、不易爆炸、循環(huán)次數(shù)多等特點(diǎn)，電池的比能量性能也突出。

因此，疊片式軟包動(dòng)力鋰離子電池是目前研究的熱點(diǎn)。在疊片式軟包動(dòng)力鋰離子電池型號設(shè)計(jì)過程中，主要的變量可區(qū)分為以下6 個(gè)方面，前3 者可認(rèn)為是由電化學(xué)體系水平、設(shè)計(jì)規(guī)則決定的，后3者通常是型號設(shè)計(jì)關(guān)注的變量因素。

（1）正負(fù)極材料和配方；

（2）正負(fù)極壓實(shí)密度；

（3）負(fù)極容量( N) 與正極容量( P) 的比值( N/P)；

（4）極片單元數(shù)量( 等于正極片數(shù)量) ；

（5）正極涂布量( 在N/P 確定的基礎(chǔ)上，先確定正極涂布量，隨之可確定負(fù)極涂布量)；

（6）單片正極的單面面積( 由正極片長度和寬度決定，當(dāng)正極片長度和寬度確定后，負(fù)極片的尺寸也隨之確定，電芯尺寸即可確定)。

首先，根據(jù)文獻(xiàn)【 1】，探討極片單元數(shù)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。電池的比能量( ES) 可用式( 1) 表示。

式( 1) 中：x 為電池中包含的正極片數(shù)量；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(gè)極片單元所能貢獻(xiàn)的能量，Wh，計(jì)算公式見式( 2) 。

式( 2) 中：DAV為放電平均電壓，V；PC為正極活性材料質(zhì)量與正極活性材料加導(dǎo)電劑加粘結(jié)劑的總質(zhì)量的比值，%；SCC為正極活性材料的比容量，Ah /kg；m( y，z ) 是一個(gè)極片單元的質(zhì)量，kg，計(jì)算公式見式( 3)。

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(fù)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(fù)極容量與正極容量的比值；PA為負(fù)極活性材料質(zhì)量與負(fù)極活性材料加導(dǎo)電劑加粘結(jié)劑的總質(zhì)量的比值，%；SCA為負(fù)極活性材料的比容量，Ah /kg。M( x，y，z ) 為非貢獻(xiàn)能量物質(zhì)的質(zhì)量，kg，計(jì)算公式見式( 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(fù)極耳的總質(zhì)量，可看成常量；mTape為膠帶的總質(zhì)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(zhì)量與電池容量的比值，該系數(shù)為正數(shù)。據(jù)此可以得出：x、y 和z 任一單因素增大，將使電池的比能量增大。

為研究極片單元數(shù)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(xué)體系和設(shè)計(jì)規(guī)則(即確定電極材料與配方、壓實(shí)密度及N/P 等)，再將極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積等三因素的各水平進(jìn)行正交組合，對以某一組確定的電極材料與配方、壓實(shí)密度及 N/P 為基礎(chǔ)計(jì)算出的計(jì)算出的電池比能量、能量密度進(jìn)行極差分析。

正交設(shè)計(jì)及計(jì)算結(jié)果見表 1。采用極差法對正交設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析，結(jié)果見圖1。電池的比能量、能量密度隨著極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積單調(diào)遞增。在極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積三個(gè)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(shù)量、電極涂布量、單片正極的單面面積三個(gè)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。

從圖 1a 可知，電池的比能量隨著極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積單調(diào)遞增，驗(yàn)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(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積單調(diào)遞增，也驗(yàn)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(jù)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(guān)鍵，在確定能接受的正極涂布量上限之后，調(diào)整余下的因素水平，以實(shí)現(xiàn)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(guān)鍵，在確定能接受的單片正極的單面面積上限之后，調(diào)整余下的因素水平，以實(shí)現(xiàn)客戶的要求。

據(jù)此可以得出：電池的比能量、能量密度隨著極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積單調(diào)遞增。在極片單元數(shù)量、正極涂布量、單片正極的單面面積三個(gè)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(shù)量、電極涂布量、單片正極的單面面積三個(gè)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。

然后，根據(jù)文獻(xiàn)【 2】，探討在確定的材料體系和加工工藝水平下，只對電池的容量做要求，對電池尺寸及其它性能指標(biāo)不做要求時(shí)，如何將電池的質(zhì)量做到最小。以正極片數(shù)量和正極片長寬比為自變量的電池質(zhì)量計(jì)算如公式（5）所示。

式（5）中，M(x，y)是電池的總質(zhì)量；x是電池中的正極片數(shù)量；y是正極片長寬比(其值等于寬度除以長度，如圖2所示)；k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7是系數(shù)，其值由電池容量、材料體系和加工工藝水平相關(guān)的26個(gè)參數(shù)決定，見表2，當(dāng)表2中各參數(shù)確定后，各系數(shù)隨之確定，26個(gè)參數(shù)與k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7的關(guān)系很簡單，但是推導(dǎo)過程很繁瑣。對公示（5）進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)，通過調(diào)整正極片數(shù)量和正極片長寬比，能取得型號設(shè)計(jì)所能實(shí)現(xiàn)的最小電池質(zhì)量。

圖2 疊片電池長寬示意圖

表2 疊片電池設(shè)計(jì)參數(shù)：

表2中，具體數(shù)值是容量為50.3Ah的電池的實(shí)際參數(shù)值，相關(guān)參數(shù)確定出k1、k2、k3、k4、k5、k6、k7分別為0.041、0.680、0.619、13.953、8.261、639.554、921.609，x為21，y為1.97006(正極片寬度329 mln，長度167 mm)，優(yōu)化后，正極極片數(shù)為51時(shí)，電池質(zhì)量最小。