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      軟包卷繞電池的電化學設計和結構設計

      放大字體  縮小字體 發布日期:2019-09-09
        一、鋰離子電池設計原則
       
        1.1 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。
       
        1.2 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。
       
        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責的體現。
       
        1.4 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
       
        2.1 正極配方
        2.2 負極配方
        2.3 面密度/克容量/壓實密度設計
        2.4 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。
       
        2.5 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。
        2.6 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:
       
       ?。?)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;
       
       ?。?)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;
       
       ?。?)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;
       
       ?。?)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;
       
       ?。?)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;
       
       ?。?)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。
       
        2.7 電解液配方
       
       ?。?)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;
       
       ?。?)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%;
       
       ?。?)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%;
       
       ?。?)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
       
        2.8 隔膜
       
        隔膜材質:單層或者多層的PE、PP
       
        厚度規格: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
       
        3.1 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max4.5mm,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
       
        3.3 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
       
        3.5 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
       
        3.7 隔膜長度
       
        隔膜長度=負極片長度×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               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。
       
      關于我們:中國化學與物理電源行業協會(China Industrial Association of Power Sources,縮寫:CIAPS) 是由電池行業企(事)業單位自愿組成的全國性、行業性、非營利性的社會組織。協會成立于1989年12月,現有530多家會員單位,下設堿性蓄電池與新型化學電源分會、酸性蓄電池分會、鋰電池分會、太陽能光伏分會、干電池工作委員會、電源配件分會、移動電源分會、儲能應用分會、動力電池應用分會和電池隔膜分會等十個分支機構。
      本會專業范圍包括:鉛酸蓄電池、鎘鎳蓄電池、氫鎳蓄電池、鋅錳堿錳電池、鋰一次電池、鋰離子電池、太陽電池、燃料電池、鋅銀電池、熱電池、超級電容器、溫差發電器及其他各種新型電池、電池系統解決方案,以及各類電池用原材料、零配件、生產設備、測試儀器和電池管理系統等。

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