一、锂离子电池设计原则

1、安全

在产品设计中,必须尽可能的消除任何危害终端客户人身和财产安全的隐患。

2、客户需求

满足客户为第一准则,项目负责人必须经常与客户流通,了解其对产品的使用体验。

3、成本

在不影响客户使用效果的前提下,降低成本是对公司和客户负责的体现。

4、法规

产品必须遵守本国和产品消费国之相关法律法规。

二、电化学设计部分

1、正极配方

2、负极配方

3、面密度/克容量/压实密度设计

4、负极余量设计

负极容量余量:因为负极从开始形成SEI膜到循环的修复SEI等反应,需要不断消耗锂离子,所以负极需要设定一定的损耗余量。

5、电池容量设计

电池设计容量余量:因为操作、设备等原因,同一批次的电池容量会呈正态分布,为保证整个容量分布基本处于标称容量以上,需要设定设计余量。

6、电解液类型选择

根据客户不同的使用环境和习惯,电池有各种不同的分类,这些电池分类中使用的电解液主要特性也各不相同:

(1)高温型:85度12h储存测试满足行业要求,用于有高温要求的GPS产品;

(2)普通型:70度12h储存测试满足行业要求,放电平台比较高,用于MID产品;

(3)低成本型:满足0.5C循环300周容量保持80%的要求,用于移动电源等低成本产品;

(4)高电压电解液:满足4.35V-4.40V使用,放电平台比要求较高,高电压电池产品;

(5)低温型:-40度0.2C放电容量比大于50%,用于低温环境使用产品;

(6)高倍率型:满足20C以上倍率放电要求,用于无人机、启动电源等产品。

7、电解液配方

(1)锂盐:当前锂离子电池行业中主要采用LiPF6作为锂盐,其浓度一般为0.8~1.2mol/L;

(2)溶剂:一般为二元或三元组分,成分为EC/DEC/PC/EMC/DMC等,含量为90%~95%;

(3)添加剂:分为成膜添加剂、防过充添加剂、低温添加剂、增强导电性添加剂,含量为5%~10%;

(4)参数要求:

密度:1.1~1.2g/cm3

电导率: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

8、隔膜

隔膜材质:单层或者多层的PE、PP

厚度规格:12um~30um

9、外包装——铝塑膜

铝塑膜主要厚度:88um/ 113um/ 122um/ 153um几种厚度规格。

铝塑膜主要结构为三层Nylon/Al/CPP,以及2层粘接剂;其中Nylon:20um左右,Al层40um左右,剩下的厚度为CPP厚度。

三、结构设计部分

1、型号确定

电池型号主要受限于使用设备内放置电池部位的空间,还需要考虑电池使用过程中的膨胀问题。

本部分以P455268/2500Ah为例说明电池的结构设计:

型号:P455268

标称容量:2500mAh

尺寸:厚max4.5 mm,宽max52.0 mm,长max68.0 mm

2、铝塑膜包装壳

冲坑长(外坑)= 电池长度 - 顶封边宽度 - 偏差系数C

偏差系数C:长度方向由于各种误差所产生的系数,需要减掉才能保证电池不超长;

单坑电池:C=1.0mm;

双坑电池:C=1.5mm;

冲坑宽(内坑) = 电池宽度 - 折边宽度C

折边宽度C:电池折边需要占用的宽度空间

电池厚度T≤2.8mm时,C = 2.5mm

2.8mm<电池厚度T≤3.5mm时,C=2.0mm

电池厚度T>3.5mm时,C=1.5mm

此类电池为单折边,若制程能力足够,Cmin=1.0mm

冲壳深(单坑)= 卷芯厚度 - 0.2mm

冲壳深(双坑)= 卷芯厚度mm (两坑相加之和)

在壳子深度大于5.0mm时建议使用双坑,两坑(正坑和反坑)的深度差1.0mm左右

铝塑膜厚度的选择:

88um铝塑膜:

冲壳深度≤3.0mm,适用于厚度≤3.5mm 的电池

113um铝塑膜:

冲壳深度≤4.0mm,适用于厚度≤5.0mm 单坑电池或厚度≤8.0mm的双坑电池

152um铝塑膜:

冲壳深度≤6.5mm,适用于厚度>8.0mm 的双坑电池

3、隔膜宽度

隔膜宽度 = 铝塑膜冲壳长(外坑)-(0.0~0.5mm)

4、极片尺寸设计

负极片宽度 = 隔膜 - D1

正极片宽度 = 负极片宽度 - D2

D1:负极片宽度与隔膜宽度之间的偏差余量,防止负极片错位超出隔膜范围

一般取2.0~3.0mm

D1=2.0mm, 极片长度≤500mm & 极片宽度≤50.0mm

D1=2.5mm, 500mm<极片长度≤1500mm

D1=3.0mm, 极片长度>1500mm

D2:负极片与正极片之间的错位偏差,一般取0.0~2.0mm

D2=0.0mm, 电池容量≤200mAh

D2=1.0mm,极片长度≤500mm & 极片宽度≤50.0mm

D2=1.5mm, 500mm<极片长度≤1000mm

D2=2.0mm, 极片长度>1000mm

正极片长度 = 卷针理论宽度×正极片层数+P1+P2

负极片长度 = 正极片敷料长度×0.5+负极长度余量

卷针理论宽度 = 卷针实际宽度+卷针厚度+参数调整值(0.2~0.5mm)

P1:正极片在偶数折的圆弧长度之和

P2:正极片在奇数折的圆弧长度之和--具体计算参考工艺要求

负极长度余量:一般取3.0~5.0mm

5、正/负极片面密度计算

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

ρ正:正极片单面面密度

ρ负:负极片单面面密度

正极片单面面积 R正 R负 C正 C负T0-2×t) / E /T层 = (T0:电池设计平均厚度

t:铝塑膜厚度

T层:单层厚度

M:正极片厚度

N:负极片厚度

L:隔膜厚度

E:电池膨胀系数

6、隔膜长度

隔膜长度=负极片长度×2+卷针宽度×2+40mm余量

7、电池厚度估算

电池厚度=TA × EA × LA + TC × EC × LC + TM × LM + TAl × 2

TA:正极片辊压厚度

EA:正极片膨胀率

LA:正极片层数

TC:负极片辊压厚度

EC:负极片膨胀率

LC:负极片层数

TM:隔膜厚度

LM:隔膜层数

TAl:铝塑膜厚度

四.结语

本设计规范仅供参考,其中的一些系数需要结合实际情况加以修正。

对于锂离子电池技术来说,以上介绍只是一个很小的方面,为了能做出好的电池,我们需要统筹考虑电池设计和生产中的人、机、料、法、环各个因素,并把这些因素引入过程的每个细节之中。

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