鋰電池設計的相關知識介紹
來源：寶鄂實業(yè)
2020-02-28 18:20
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一.鋰電池設計的基本原則
我們根據(jù)儀器設備的要求，為其提供最匹配的工作電源或動力電源，這就是電池設計。基于此，電池設計首先考慮的是滿足用電器的用電需求，并進行優(yōu)化，使其能發(fā)揮最佳的綜合性能。我們可以通過選擇電池的電極、電解液、隔膜、外殼以及其它零部件，并將它們合理搭配，來達到這個目的。
二.電池的設計要求
電池設計是為滿足用電設備的要求進行的，有時還需考慮人的喜好問題。因此，在進行電池設計前，首先必須詳盡地了解對象對鋰電池性能指標及使用條件的要求，一般包括以下幾個方面：
• 電池的工作電壓；
• 電池的工作電流，即正常放電電流和峰值電流；
• 電池的工作時間，包括連續(xù)放電時間，使用期限或循環(huán)壽命；
• 電池的工作環(huán)境，包括電池工作時所處狀態(tài)及環(huán)境溫度；
• 電池的最大允許體積。
• 同時還應考慮：材料來源；電池性能；電池特性的決定因素電池工藝；經(jīng)濟指標；環(huán)境問題等方面的因素。
三. 評價電池性能的主要指標
（ 1 ）容量
電池容量是指在一定放電條件下，可以從電池獲得的電量，即電流對時間的積分，一般有 Ah 或 mAh 來表示，它直接影響到電池的最大工作電流和工作時間。
（ 2 ）放電特性和內(nèi)阻
電池的放電特性是批電池在一定的放電制度下，其工作電壓的平穩(wěn)性，電壓平臺的高低以及大電流放電性能等，它表示電池帶負載的能力。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和電化學極化內(nèi)阻，大電流放電時，內(nèi)阻對放電特性的影響尤為明顯。
（ 3 ）工作溫度范圍
有電器的工作環(huán)境和使用條件要求電池在特定的溫度范圍內(nèi)具有良好的性能.
（ 4 ）貯存性能
電池貯存一段時間后，會因某些因素的影響使性能發(fā)生變化，導致電池自放電；電解液泄漏；電池短路等。
（ 5 ）循環(huán)壽命（二次電池）
循環(huán)壽命是指二次電池按照一定的制度進行充放電，其性能減到某一程度（例如，容量初始值的 60% ）時的循環(huán)次數(shù)。
（ 6 ）安全性能
對于電池的不當使用，可能會造成電池的過熱和漏液，進而損害身體或損壞其他設備。所以在電池設計時，安全性是一個非常重要的環(huán)節(jié)。電池的安全性考慮會在電池的理論設計之前進行，包括了材料的選擇能否符合要求，安全功能的設計是否符合要求等等。
四.電池設計的思路及基本步驟
根據(jù)電池用戶要求，電池設計的思路有兩種：一種是為用電設備和儀器提供額定容量的電源；另一種則只是給定電源的外形尺寸，研制開發(fā)性能優(yōu)良的新規(guī)格電池或異形電池。
1 . 確定容量電池設計步驟
2. 確定組合電池中音體電池數(shù)目，單體電池工作電壓與工作電流密度。
3. 根據(jù)用戶要求確定電池組的工作總電壓，工作電流等指標，選定電池系列，參照該系列的“伏安曲線”（經(jīng)驗數(shù)據(jù)或通過實驗所得）確定單體電池的工作電壓與工作電流密度。
4. 確定電池組中單電池數(shù)。
單體電池數(shù)目 = 電池工作總電壓單體電 / 電池 工作電壓
5. 計算電池容量
6. 根據(jù)要求的工作電流和工作時間計算額定容量。
額定容量 = 工作電流 × 工作時間
7. 確定設計容量
設計容量 = 額定容量 * 設計系數(shù)
其中設計系數(shù)是為保證電池的可靠性和使用壽命而設定的
五.鋰離子電芯(以鋁殼為例)設計的基本步驟
1. 容量初步評估
有效體積*體積比容量
2. 外型結構設計
(1) 殼體設計
圓角鋁殼厚度≤5.4mm采用平焊，圓角鋁殼厚度＞5.4mm采用立焊，方角采用平焊
殼體厚度：成品電池尺寸減至少0.25mm
殼體壁厚：0.2mm或0.25mm以上
(2) 蓋板設計
(3) 隔圈(絕緣片)設計
3. 材料選擇
選擇合適的正負極/電解液體系進行搭配，確定設計比容量
(1) 正極材料體系
(2) 負極材料體系
(3) 隔膜紙
(4) 電解液
(5) 集流體規(guī)格
4、卷針設計
圓卷針直徑：2*（殼體寬度-殼體厚度-兩側設計預留空間）/ ∏
扁卷針寬度: 鋁殼內(nèi)腔寬度-鋁殼內(nèi)腔厚度-2.8≤卷針寬度（舊卷針）≤鋁殼內(nèi)腔寬度-鋁殼 內(nèi)腔厚度-2.1
5、設計容量
常規(guī)型號：設計容量≥A2等級容量下限值；
高容型號：設計容量≥標稱容量(設計容量按敷料量下限值計算）
6、正極敷料量計算
正極敷料量：設計容量/正極混料比容量
負極敷料量：設計容量/負極混料比容量
7、根據(jù)該型號的設計開發(fā)難度，假設一個合適的正極面密度，正極面密度設計范圍為：40.00～45.99mg/cm2
8、極組單層厚度計算
正極單層厚度：面密度/正極壓實比+鋁箔厚
負極單層厚度：正極面密度/正負極面密度比/負極壓實比+銅箔厚
極組單層厚度：正極單層厚度+負極單層厚度+2*隔膜紙厚度
9、確定負極層數(shù)：（殼體厚度-壁厚-設計預留空間）/極組單層厚度
目前手工卷繞盡量使用單數(shù)層設計，以避免正負極一邊厚一邊薄。
設計預留空間：大于極組厚度的10%
10、確定正、負極片、隔膜 寬度
負極寬度≥正極寬度+1mm；
隔膜寬度≥負極寬度+2.5mm；
鋁殼厚度＜8mm，隔膜寬度≤ 鋁殼高度-鋁殼底厚-蓋板嵌入鋁殼內(nèi)部高度- 隔圈凹槽墊塊厚度（見示意圖）+0.85mm；
鋁殼厚度≥8mm，隔膜寬度≤鋁殼高度-鋁殼底厚-蓋板嵌入鋁殼內(nèi)部高度-隔 圈凹槽墊塊厚度（見示意圖）+0.35mm
11、正極有效敷料長度的計算
正極有效敷料長度：正極敷料量/正極面密度/正極片寬度
12、正極片各段刮料長度設計
極組單數(shù)層：前端刮料區(qū)22mm；尾端刮料區(qū)：30寬度：25mm和85mm
13、正極片總長度計算
正極敷料長度+（各刮料區(qū)總長度/2）
14、確定負極總長度
負極敷料量/（正極面密度/正負極面密度之比）+負極刮料區(qū)長度
15、確定隔膜紙長度
手工卷繞隔膜長度=負極片總長*2+90mm；
半自動卷繞機隔膜長=負極片總長*2+20mm
16、試卷繞及極片長度的調(diào)整
極耳對位原則 ：正極耳位于隔圈凸臺與蓋板注液孔之間，負極耳能點焊在蓋板鎳片上，不能點 焊在鎳釘上。
試卷繞，根據(jù)極耳對位原則 和負極必須包住正極的原則，調(diào)整正負極片的總長度和各刮料區(qū)。
17、各個技術參數(shù)的最終確定
（1） 根據(jù)試卷繞后確定的正負極片長度，在正負極敷料量不變的情況下，最終確定極片的面密度、極片的厚度、極組的厚度以及實際預留空間等技術參數(shù)。
（2）兩正面實際預留空間必須滿足：預留空間+0.02mm*負極層數(shù)+壁厚*2+卷芯厚度≤客戶要求 尺寸-0.14mm
（3）兩側面實際預留空間必須滿足：鋁殼內(nèi)腔寬度-卷芯寬度≥0.7mm
18、正負極耳長度以及外露長度的確定
19、鋁鎳復合帶寬度的確定
20、注液量的確定
注液量：大于等于 標稱容量/335
