鋰離子動力電池設(shè)計要求

本文簡要介紹了鋰離子動力電池設(shè)計的基本原則、設(shè)計要求、評價鋰離子動力電池性能的主要指標和鋰離子動力電池設(shè)計的基本步驟，并結(jié)合8Ah錳酸鋰動力電池的設(shè)計實例，詳細介紹了鋰離子動力電池設(shè)計過程中各主要參數(shù)的確定方法、計算過程以及設(shè)計過程中相關(guān)細節(jié)的注意事項，結(jié)合本公司實際生產(chǎn)能力和生產(chǎn)設(shè)備的實際工況，確定了正負極極片分段的設(shè)計思路，將正負極極片分別分為四段，卷成兩個電芯，采用內(nèi)部并聯(lián)的方式與電池的極柱鏈接，成功的解決了生產(chǎn)中極片過長極片不易加工和卷繞不易對齊的難題，為動力電池的設(shè)計提供重要的參考依據(jù)。



1. 鋰離子動力電池的設(shè)計基礎(chǔ)

1.1動力電池設(shè)計的基本原則

動力電池設(shè)計，就是根據(jù)用電設(shè)備的要求，為設(shè)備提供工作電源或動力電源。因此，動力電池設(shè)計首先必須根據(jù)用電設(shè)備需要及電池的特性，確定電池的電極、電解液、隔膜、外殼以及其他部件的參數(shù)，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，并將它們組成有一定規(guī)格和指標(如電壓、容量、體積和重量等)的電池組。動力電池設(shè)計是否合理，關(guān)系到電池的使用性能，必須盡可能使其達到設(shè)計比較優(yōu)化。
1.2  動力電池的設(shè)計要求

動力電池設(shè)計時 ，必須了解用電設(shè)備具對電池性能指標及電池使用條件，一般應(yīng)考慮以下幾個方面 :
電池工作電壓；
電池工作電流，即正常放電電流和峰值電流；
電池工作時間，包括連續(xù)放電時間、使用期限或循環(huán)壽命；
電池工作環(huán)境，包括電池工作環(huán)境及環(huán)境溫度；
電池允許體積。
鋰離子動力電池由于其具有優(yōu)良的性能，使用范圍越來越廣，有時要應(yīng)用于一些特殊場合，因而還有一些特殊要求，如耐沖擊、振動、耐高低溫、低氣壓等。在考慮上述基本要求時，同時還應(yīng)考慮材料來源、電池特性的決定因素、電池性能、電池制造工藝、技術(shù)經(jīng)濟分析和環(huán)境溫度。


1.3評價動力電池性能的主要指標 

 動力電池性能一般通過以下幾個方面來評價:
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，一般用 Ah 表示，它直接影響電池的工作電流和工作時間。
放電特性和內(nèi)阻。電池放電特性是指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，它表明電池帶負載的能力。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)電阻，大電流放電時，內(nèi)阻對放電特性的影響尤為明顯。
工作溫度范圍。用電設(shè)備的工作環(huán)境和使用條件要求電池在特定的溫度范圍內(nèi)有良好的性能。
儲存性能。電池儲存一段時間后，會因某些因素的影響使性能發(fā)生變化，導(dǎo)致電池自放電，電解液泄漏 ，電池短路等。
循環(huán)性能。循環(huán)壽命是指 二次電池按照一定的制度進行充放電，其性能衰減到某一程度時循環(huán)次數(shù) ，它主要影響電池的使用壽命
安全性能。主要是指電池在濫用的條件下電池的安全性能如何，濫用條件主要包括過充電、短路、針刺、擠壓、熱箱、重物沖擊、振動等，抗濫用性能的好壞是決定電池能否大量應(yīng)用的首要條件。
2. 鋰離子動力電池的設(shè)計基本步驟
動力電池設(shè)計主要包括參數(shù)計算和工藝指定，具體步驟如下：
 2.1、 確定組組合電池中單體數(shù)目，單體電池工作電壓與工作密度

單體電池數(shù)目                           

確定單體電池工作電壓與工作電流密度
根據(jù)選定系列電池的伏安曲線，確定單電池的工作電壓與工作電流密度，同時應(yīng)考慮工藝的影響，如電極結(jié)構(gòu)型式的影響。
2.2、計算電極總面積和電極數(shù)目：

根據(jù)要求的工作電流和選定的工作電流密度，計算電極總面積

根據(jù)要求的電池外形尺寸，選擇合適的電極尺寸，計算電極數(shù)目.

2.3、 計算電池容量

額定容量             額定容量=工作電流*工作時間
設(shè)計容量
為了保證電池的可靠性和壽命，一般設(shè)計容量比額定容量高 10%~20 %。
設(shè)計容量(Ah)= (1.1~ 1.2) 額定容量
2.4、計算電池正、負極活性物質(zhì)用量

計算控制電極的活性物質(zhì)用量
根據(jù)控制電極的活性物質(zhì)的電化當量、設(shè)計容量以及活性物質(zhì)利用率來計算單體電池中控制電極的物質(zhì)用量。對于鋰離子動力電池而言，從安全性能和成本等因素來考慮，一般均采用正極材料作為控制電極的活性物質(zhì)。

計算非控制電極的活性物質(zhì)用量
單體電池中非控制電極活性物質(zhì)的用量，應(yīng)根據(jù)控制電極活性物質(zhì)的用量來定，為了保證電池有較好的性能，一般應(yīng)過量，通常取過剩系數(shù)為1~2 之間。 鋰離子動力電池通常采用碳負極材料過剩，過剩系數(shù)取1.1。
2.5、計算正、負極的平均厚度

計算每片電極物質(zhì)用量

每片電極厚度

2.6 、隔膜的選擇

鋰離子電池經(jīng)常用的隔膜有單層 PE、雙層PP/PE 和三層 PP/PE/PP 等微孔膜 ，厚度有25μm、35μm和40μm等幾種規(guī)格，可根據(jù)電池的實際需要選擇。
2.7、確定電解液的濃度及用量

根據(jù)選定的電池系列特性 ，結(jié)合具體設(shè)計電池的使用條件 (如工作電流、工 作溫度等)或根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)來確定電解液的組成、濃度和用量。
2.8、 確定電池的裝配 比及單體電池殼體尺寸

 電池的裝配比根據(jù)所選定的電池特性及設(shè)計電池的極片材料 、厚度等情況來確定，一般控制在80%~90%。根據(jù)用電設(shè)備對電池的要求選定電池后，再根據(jù)電池殼體材料的物理性能與機械性能 ，確定電池殼體的寬度、長度及壁厚、有無安全保護裝置等。
3. 鋰離子動力電池的設(shè)計舉例

本設(shè)計是根據(jù)公司市場部提出的要求 ，結(jié)合實際情況來做的。客戶具體要 求為 : 要求提供 8Ah 25V 鋰離子動力電池組 ，有兩個體積相同的殼體 ，殼體內(nèi) 部尺寸為 :133mm X 95mmX 65mm，要求電池的用極柱連接，正常工作電流 3A。具體設(shè)計步驟如下:
3.1 單體電池數(shù)目

錳酸鋰動力電池工作電壓為 3.7V，要組裝 25V 的電池組需要 7塊單體電池。
3.2 電池容量設(shè)計

C設(shè)=C額*k1
式中 C設(shè)一一電池設(shè)計容量;
C額一一電池額定容量，8.0Ah;
k1一一電池設(shè)計安全系數(shù) ，一般取 1.1~ 1.2。
在此處取 民為 1.1， 則C設(shè)=8.0X 1.1=8.8Ah
3.3 電池尺寸設(shè)計

根據(jù)電池組殼體的尺寸， 結(jié)合所需電池的數(shù)目，采取一個殼體放 4 塊電池， 另一個殼體放3塊電池 ，單體電池的外部尺寸為: 130mmX 60mmX 22.5mm(含極柱)，電池殼體外部尺寸: 120mmX 60mmX 22.5mm。考慮動力電池對安全性能 的要求比較高，在蓋板上預(yù)留出一個防爆孔作為泄氣裝置 ，防止出現(xiàn)異常情況時電池爆炸。
3.4 極片面密度設(shè)計

通常錳酸鋰正極活性物質(zhì)的比容量為90mAh/g ，碳負極活性物質(zhì)的比容量330mAh/g，本設(shè)計按負極過量10%計算，因此正負極活性物質(zhì)用量分別為 :
W+=8800/90=97.8  W-=8800*(1+10%)/330=29.3g
結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，在錳酸鋰動力電池中，正極面密度一般為440g/m2 ，與之相應(yīng)的負極面密度為 145g/m2 。
3.5 極片高度設(shè)計

在考慮極片高度時應(yīng)注意以下幾個方面: 極片上部應(yīng)有一定的空間，以便防充電時電池內(nèi)壓的增高 ，同時也為栓接留出足夠的 空間，通常負極高度比正極高 2~4mm，隔膜高度比負極高 2~4mm。綜合上述因素，結(jié)合電池殼體的尺寸，確定電池的正極極片高度為 102mm，負極極片高度為106mm，隔膜高度為110mm。
3.6 極片長度的計算

正極活性物質(zhì)含量為92% ，則極片長度為:L =27.8/0.92/442/0.102 =2.369m
結(jié)合實際操作需要，考慮將正極分成四段，每段料區(qū)長度為 600mm，為焊接極耳需要，還需留出一定的空白區(qū)域，此處選取空白區(qū)域為15mm; 考慮到負極極片要完全包裹正極，此處選定負極短片料區(qū)長度為610mm，空白銅餡長度需根據(jù)實際需要確定。
3.7 極片厚度確定

結(jié)合實驗數(shù)據(jù)和實際操作經(jīng)驗，錳酸鋰正極材料的壓實密度在2.6左右，石墨碳粉的壓實密度在1.5 左右，則本設(shè)計中的正極極片厚度在185μm 左右 ，負極極片厚度在 110μm 左右。
3.8 卷針的設(shè)計

動力電池的卷針根據(jù)電池的型狀不同可分為圓形卷針、方形卷針和橢圓形卷針。由于本設(shè)計的電池是方形電池，故采用方形卷針，根據(jù)電池具體尺， 結(jié)合實際經(jīng)驗，確定卷針的寬度為 40mm，厚度1mm。
3.9 隔膜的尺寸確定

隔膜的長度通常為負極的2倍，寬度比極片高度長2~4mm，結(jié)合動力電池對安全性能的要求，本設(shè)計選用厚度35μm的三層 PP/PE/PP隔膜。
3.10 電解液的確定

目前鋰離子動力電池通常采用1mol/L的LiPF3/EC-DMC-EMC(1:1:1)，鈷酸鋰動力電池用量為3.5~4g/Ah， 而鏡酸鯉動力電池用量5.5~6g/Ah。
4.簡單結(jié)論

以上是對本人四年來在鈷酸鋰動力電池設(shè)計方面工作經(jīng)驗的簡單總結(jié)，簡要介紹了鍵離子動力電池的設(shè)計基本原則、設(shè)計要求和主要性能評價指標，選取 8Ah 鈷酸鋰動力電池為例，詳細介紹了組離子動力電池設(shè)計具體步驟以及需要注意的事項，為鍵離子動力電池的設(shè)計提供參考依據(jù)。上述設(shè)計思路只是動力電池設(shè)計中的一些基本思路，在工業(yè)上設(shè)計具體電池時，還應(yīng)根據(jù)用戶的具體要求和本單位的自身條件、原材料的狀況以及設(shè)備與原材料的配套情況等因素，對設(shè)計參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整，然后通過具體實驗數(shù)據(jù)對設(shè)計進一步優(yōu)化， 提高動力電池的綜合性能和降低生產(chǎn)成本，使設(shè)計生產(chǎn)的動力電池在市場上具 有很好的競爭能力。