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一、鋰離子電池設計原則

 

1、安全

在產品設計中，必須盡可能的消除任何危害終端客戶人身和財產安全的隱患。

 

2、客戶需求

滿足客戶為第一準則，項目負責人必須經常與客戶流通，了解其對產品的使用體驗。

 

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責的體現。

 

4、法規

產品必須遵守本國和產品消費國之相關法律法規。

 

二、電化學設計部分
 

1、正極配方

2、負極配方

3、面密度/克容量/壓實密度設計

4、負極余量設計

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

5、電池容量設計

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

6、電解液類型選擇
 

根據客戶不同的使用環境和習慣，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儲存測試滿足行業要求，用于有高溫要求的GPS產品；

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

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

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

（5）低溫型：-40度0.2C放電容量比大于50%，用于低溫環境使用產品；

（6）高倍率型：滿足20C以上倍率放電要求，用于無人機、啟動電源等產品。

 

7、電解液配方

（1）鋰鹽：當前鋰離子電池行業中主要采用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、增強導電性添加劑，含量為5%～10%；

（4）參數要求：

密度：1.1～1.2g/cm3

電導率：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

隔膜材質：單層或者多層的PE、PP

厚度規格：12um～30um

 

9、外包裝——鋁塑膜

鋁塑膜主要厚度：88um/ 113um/ 122um/ 153um幾種厚度規格。

鋁塑膜主要結構為三層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、結構設計部分

 

1、型號確定

電池型號主要受限于使用設備內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為例說明電池的結構設計：

型號：P455268

標稱容量：2500mAh

尺寸：厚max4.5 mm，寬max52.0 mm，長max68.0 mm

 

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C

偏差系數C：長度方向由于各種誤差所產生的系數,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、隔膜寬度

隔膜寬度 = 鋁塑膜沖殼長（外坑）-（0.0～0.5mm）

4、極片尺寸設計

負極片寬度 = 隔膜 - D1

正極片寬度 = 負極片寬度 - D2

D1：負極片寬度與隔膜寬度之間的偏差余量，防止負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+P1+P2 

負極片長度 = 正極片敷料長度×0.5+負極長度余量

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

P1：正極片在偶數折的圓弧長度之和

P2：正極片在奇數折的圓弧長度之和--具體計算參考工藝要求

負極長度余量：一般取3.0～5.0mm

 

5、正/負極片面密度計算

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

ρ正：正極片單面面密度

ρ負：負極片單面面密度

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

t：鋁塑膜厚度

T層：單層厚度

M：正極片厚度

N：負極片厚度

L：隔膜厚度

E：電池膨脹系數

 

6、隔膜長度

隔膜長度=負極片長度×2+卷針寬度×2+40mm余量

 

7、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

TC：負極片輥壓厚度

EC：負極片膨脹率

LC：負極片層數

TM：隔膜厚度

LM：隔膜層數

TAl：鋁塑膜厚度

四.結語

 

本設計規范僅供參考，其中的一些系數需要結合實際情況加以修正。

 

對于鋰離子電池技術來說，以上介紹只是一個很小的方面，為了能做出好的電池，我們需要統籌考慮電池設計和生產中的人、機、料、法、環各個因素，并把這些因素引入過程的每個細節之中。