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软包卷绕电池的电化学设计和结构设计

放大字体  缩小字体 发布日期:2019-09-09
  一、锂离子电池设计原则
 
  1.1 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。
 
  1.2 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。
 
  1.3 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。
 
  1.4 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
 
  2.1 正极配方
  2.2 负极配方
  2.3 面密度/克容量/压实密度设计
  2.4 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。
 
  2.5 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。
  2.6 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。
 
  2.7 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
 
  2.8 隔膜
 
  隔膜材质:单层或者多层的PE、PP
 
  厚度规格:12um~30um
 
  2.9 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
 
  3.1 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max4.5mm,宽max52.0mm,长max68.0mm
 
  3.2 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
 
  3.3 隔膜宽度
 
  隔膜宽度 = 铝塑膜冲壳长(外坑)- (0.0~0.5mm)
  3.4 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
 
  3.5 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
 
  3.7 隔膜长度
 
  隔膜长度=负极片长度×2+卷针宽度×2+40mm余量
 
  3.8 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。
 
关于我们:中国化学与物理电源行业协会(China Industrial Association of Power Sources,缩写CIAPS) 是由电池行业企(事)业单位自愿组成的行业性、非营利性的社会组织,主管部门为工业和信息化部。协会成立于1989年12月,现有460多家会员单位,下设碱性蓄电池与新型化学电源分会、酸性蓄电池分会、锂电池分会、太阳能光伏分会、干电池工作委员会、电源配件分会、移动电源分会、储能应用分会、电池设备分会、动力电池应用分会等十个分支机构。
本会服务范围包括:铅酸蓄电池、镉镍蓄电池、氢镍蓄电池、锌锰碱锰电池、锂一次电池、锂离子和锂聚合物电池、太阳电池、燃料电池、锌银电池、热电池、超级电容器、温差发电器及其他各种新型电池、电池系统解决方案,以及各类电池用原材料、零配件、生产设备、测试仪器和电池管理系统等。

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