一、锂离子电池设计原则

 

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。

 

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。

 

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。

 

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
 

1、正极配方

2、负极配方

3、面密度/克容量/压实密度设计

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。

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。

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。

 

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

 

8、隔膜

隔膜材质：单层或者多层的PE、PP

厚度规格：12um～30um

 

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

 

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max4.5 mm，宽max52.0 mm，长max68.0 mm

 

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、隔膜宽度

隔膜宽度 = 铝塑膜冲壳长（外坑）-（0.0～0.5mm）

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

 

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

 

6、隔膜长度

隔膜长度=负极片长度×2+卷针宽度×2+40mm余量

 

7、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。