一、鋰離子電池設(shè)計原則

 

1.1 安全

 

在產(chǎn)品設(shè)計中，必須盡可能的消除任何危害終端客戶人身和財產(chǎn)安全的隱患。

 

1.2 客戶需求

 

滿足客戶為第一準(zhǔn)則，項目負(fù)責(zé)人必須經(jīng)常與客戶流通，了解其對產(chǎn)品的使用體驗。

 

1.3 成本

 

在不影響客戶使用效果的前提下，降低成本是對公司和客戶負(fù)責(zé)的體現(xiàn)。

 

1.4 法規(guī)

 

產(chǎn)品必須遵守本國和產(chǎn)品消費國之相關(guān)法律法規(guī)。

 

二、電化學(xué)設(shè)計部分

 

2.1 正極配方

 

 

2.2 負(fù)極配方

 

 

2.3 面密度/克容量/壓實密度設(shè)計

 

 

2.4 負(fù)極余量設(shè)計

 

負(fù)極容量余量：因為負(fù)極從開始形成SEI膜到循環(huán)的修復(fù)SEI等反應(yīng)，需要不斷消耗鋰離子，所以負(fù)極需要設(shè)定一定的損耗余量。

 

 

2.5 電池容量設(shè)計

 

電池設(shè)計容量余量：因為操作、設(shè)備等原因，同一批次的電池容量會呈正態(tài)分布，為保證整個容量分布基本處于標(biāo)稱容量以上，需要設(shè)定設(shè)計余量。

 

 

2.6 電解液類型選擇

 

根據(jù)客戶不同的使用環(huán)境和習(xí)慣，電池有各種不同的分類，這些電池分類中使用的電解液主要特性也各不相同：

 

（1）高溫型：85度12h儲存測試滿足行業(yè)要求，用于有高溫要求的GPS產(chǎn)品；

（2）普通型：70度12h儲存測試滿足行業(yè)要求，放電平臺比較高，用于MID產(chǎn)品；

（3）低成本型：滿足0.5C循環(huán)300周容量保持80%的要求，用于移動電源等低成本產(chǎn)品；

（4）高電壓電解液：滿足4.35V-4.40V使用，放電平臺比要求較高，高電壓電池產(chǎn)品；

（5）低溫型：-40度0.2C放電容量比大于50%，用于低溫環(huán)境使用產(chǎn)品；

（6）高倍率型：滿足20C以上倍率放電要求，用于無人機、啟動電源等產(chǎn)品。

 

2.7 電解液配方

 

（1）鋰鹽：當(dāng)前鋰離子電池行業(yè)中主要采用LiPF6 作為鋰鹽，其濃度一般為0.8～1.2mol/L；

（2）溶劑:一般為二元或三元組分，成分為EC/DEC/PC/EMC/DMC等，含量為90%～95%；

（3）添加劑：分為成膜添加劑、防過充添加劑、低溫添加劑、增強導(dǎo)電性添加劑，含量為5%～10%；

（4）參數(shù)要求：

密度:1.1～1.2g/cm3

電導(dǎo)率:6.0～9.0mS/cm(普通型)，10.0～14.0mS/cm(倍率型)

水份含量:≤20ppm

HF含量: ≤20ppm

 

2.8 隔膜

 

隔膜材質(zhì):單層或者多層的PE、PP

厚度規(guī)格:12um～30um

 

2.9 外包裝——鋁塑膜

 

鋁塑膜主要厚度：88um/113um/122um/153um幾種厚度規(guī)格。 

鋁塑膜主要結(jié)構(gòu)為三層Nylon/Al/CPP,以及2層粘接劑；其中Nylon:20um左右，Al層40um左右，剩下的厚度為CPP厚度。

 

三、結(jié)構(gòu)設(shè)計部分

 

3.1 型號確定

 

電池型號主要受限于使用設(shè)備內(nèi)放置電池部位的空間，還需要考慮電池使用過程中的膨脹問題。

本部分以P455268/2500Ah為例說明電池的結(jié)構(gòu)設(shè)計：

型號:P455268       標(biāo)稱容量:2500mAh

尺寸: 厚max4.5mm，寬max52.0mm，長max68.0mm

 

3.2 鋁塑膜包裝殼

 

沖坑長（外坑）= 電池長度 - 頂封邊寬度 - 偏差系數(shù)C

偏差系數(shù)C: 長度方向由于各種誤差所產(chǎn)生的系數(shù),需要減掉才能保證電池不超長;

單坑電池：C=1.0mm；

雙坑電池：C=1.5mm；

沖坑寬（內(nèi)坑） = 電池寬度 - 折邊寬度C

折邊寬度C：電池折邊需要占用的寬度空間

電池厚度T≤2.8mm時，C = 2.5mm

2.8mm＜電池厚度T≤3.5mm時，C=2.0mm

電池厚度T＞3.5mm時， C=1.5mm

此類電池為單折邊，若制程能力足夠，Cmin=1.0mm

沖殼深（單坑）= 卷芯厚度 - 0.2mm

沖殼深（雙坑）= 卷芯厚度mm (兩坑相加之和)

在殼子深度大于5.0mm時建議使用雙坑,兩坑(正坑和反坑)的深度差1.0mm左右

 

鋁塑膜厚度的選擇：

 

88um鋁塑膜：

沖殼深度≤3.0mm，適用于厚度≤3.5mm 的電池

 

113um鋁塑膜：

沖殼深度≤4.0mm，適用于厚度≤5.0mm 單坑電池或厚度≤8.0mm的雙坑電池

 

152um鋁塑膜：

沖殼深度≤6.5mm，適用于厚度＞8.0mm 的雙坑電池

 

 

3.3 隔膜寬度

 

 隔膜寬度 = 鋁塑膜沖殼長（外坑）- （0.0～0.5mm）

 

 

3.4 極片尺寸設(shè)計

 

負(fù)極片寬度 = 隔膜 - D1  

正極片寬度 = 負(fù)極片寬度 - D2  

D1:  負(fù)極片寬度與隔膜寬度之間的偏差余量，防止負(fù)極片錯位超出隔膜范圍

一般取2.0～3.0mm

D1=2.0mm, 極片長度≤500mm & 極片寬度≤50.0mm

D1=2.5mm,  500mm＜極片長度≤1500mm

D1=3.0mm,  極片長度＞1500mm

D2: 負(fù)極片與正極片之間的錯位偏差，一般取0.0～2.0mm

D2=0.0mm,  電池容量≤200mAh

D2=1.0mm，極片長度≤500mm & 極片寬度≤50.0mm

 D2=1.5mm,  500mm＜極片長度≤1000mm

D2=2.0mm, 極片長度＞1000mm

正極片長度 = 卷針理論寬度×正極片層數(shù)+P1+P2   

負(fù)極片長度 = 正極片敷料長度×0.5+負(fù)極長度余量  

卷針理論寬度 = 卷針實際寬度+卷針厚度+參數(shù)調(diào)整值(0.2～0.5mm)  

P1：正極片在偶數(shù)折的圓弧長度之和

P2：正極片在奇數(shù)折的圓弧長度之和--具體計算參考工藝要求

 負(fù)極長度余量：一般取3.0～5.0mm

 

3.5 正/負(fù)極片面密度計算

 

ρ負(fù) = ρ正×2S正× R正× C正×E / (2S正× R負(fù)× C負(fù))= ρ正× R正× C正×E / (R負(fù)× C負(fù))

ρ正：正極片單面面密度         

ρ負(fù)：負(fù)極片單面面密度

正極片單面面積 R正 R負(fù)  C正   C負(fù)T0-2×t) / E /T層  = (     T0：電池設(shè)計平均厚度           

t：鋁塑膜厚度

T層：單層厚度                    

M：正極片厚度

N：負(fù)極片厚度                    

 L：隔膜厚度

 E：電池膨脹系數(shù)

 

3.7 隔膜長度

 

 隔膜長度=負(fù)極片長度×2+卷針寬度×2+40mm余量

 

3.8 電池厚度估算

 

 電池厚度=TA×EA×LA+TC×EC×LC+TM×LM+TAl×2

    TA：正極片輥壓厚度        EA：正極片膨脹率

    LA：正極片層數(shù)               TC：負(fù)極片輥壓厚度

    EC：負(fù)極片膨脹率            LC:負(fù)極片層數(shù)

    TM：隔膜厚度                 LM：隔膜層數(shù)

    TAl：鋁塑膜厚度

 

 

四.結(jié)語

 

本設(shè)計規(guī)范僅供參考，其中的一些系數(shù)需要結(jié)合實際情況加以修正。

對于鋰離子電池技術(shù)來說，以上介紹只是一個很小的方面，為了能做出好的電池，我們需要統(tǒng)籌考慮電池設(shè)計和生產(chǎn)中的人、機、料、法、環(huán)各個因素，并把這些因素引入過程的每個細(xì)節(jié)之中。