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鋰離子動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

1.1動(dòng)力電池設(shè)計(jì)的基本原則

動(dòng)力電池設(shè)計(jì)，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(dòng)力電源。因此，動(dòng)力電池設(shè)計(jì)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(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將它們組成有一定規(guī)格和指標(biāo)(如電壓、容量、體積和重量等)的電池組。動(dòng)力電池設(shè)計(jì)是否合理，關(guān)系到電池的使用性能，必須盡可能使其達(dá)到設(shè)計(jì)最優(yōu)化。

1.2動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)要求

動(dòng)力電池設(shè)計(jì)時(shí)，必須了解用電設(shè)備具對(duì)電池性能指標(biāo)及電池使用條件，一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)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(shí)間，包括連續(xù)放電時(shí)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;

電池最大允許體積。

鋰離子動(dòng)力電池由于其具有優(yōu)良的性能，使用范圍越來越廣，有時(shí)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(dòng)、耐高低溫、低氣壓等。在考慮上述基本要求時(shí)，同時(shí)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(jì)分析和環(huán)境溫度。

1.3評(píng)價(jià)動(dòng)力電池性能的主要指標(biāo)

動(dòng)力電池性能一般通過以下幾個(gè)方面來評(píng)價(jià):

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(duì)時(shí)間的積分，一般用Ah表示，它直接影響電池的最大工作電流和工作時(shí)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(tái)的高低以及大電流放電性能等，它表明電池帶負(fù)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(shí)，內(nèi)阻對(duì)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(chǔ)存性能。電池儲(chǔ)存一段時(shí)間后，會(huì)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(jìn)行充放電，其性能衰減到某一程度時(shí)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(dòng)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。

02

鋰離子動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)基本步驟

動(dòng)力電池設(shè)計(jì)主要包括參數(shù)計(jì)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?cái)?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(shí)應(yīng)考慮工藝的影響，如電極結(jié)構(gòu)型式的影響。

2.2、計(jì)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(jì)算電極總面積

根據(jù)要求的電池外形最大尺寸，選擇合適的電極尺寸，計(jì)算電極數(shù)目.

2.3、計(jì)算電池容量

額定容量額定容量=工作電流*工作時(shí)間

設(shè)計(jì)容量

為了保證電池的可靠性和壽命，一般設(shè)計(jì)容量比額定容量高10%~20%。

設(shè)計(jì)容量(Ah)=(1.1~1.2)額定容量

2.4、計(jì)算電池正、負(fù)極活性物質(zhì)用量

計(jì)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(dāng)量、設(shè)計(jì)容量以及活性物質(zhì)利用率來計(jì)算單體電池中控制電極的物質(zhì)用量。對(duì)于鋰離子動(dòng)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(jì)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(dòng)力電池通常采用碳負(fù)極材料過剩，過剩系數(shù)取1.1。

2.5、計(jì)算正、負(fù)極的平均厚度

計(jì)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(shí)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(jì)電池的使用條件(如工作電流、工作溫度等)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)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(jì)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(duì)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(jī)械性能，確定電池殼體的寬度、長度及壁厚、有無安全保護(hù)裝置等。

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鋰離子動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)舉例

本設(shè)計(jì)是根據(jù)公司市場部提出的要求，結(jié)合實(shí)際情況來做的?？蛻艟唧w要求為:要求提供8Ah25V鋰離子動(dòng)力電池組，有兩個(gè)體積相同的殼體，殼體內(nèi)部尺寸為:133mmX95mmX65mm，要求電池的用極柱連接，正常工作電流3A。具體設(shè)計(jì)步驟如下:

3.1單體電池?cái)?shù)目

錳酸鋰動(dòng)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(jì)

C設(shè)=C額*k1

式中C設(shè)一一電池設(shè)計(jì)容量;

C額一一電池額定容量，8.0Ah;

k1一一電池設(shè)計(jì)安全系數(shù)，一般取1.1~1.2。

在此處取民為1.1，則C設(shè)=8.0X1.1=8.8Ah

3.3電池尺寸設(shè)計(jì)

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(gè)殼體放4塊電池，另一個(gè)殼體放3塊電池，單體電池的外部尺寸為:130mmX60mmX22.5mm(含極柱)，電池殼體外部尺寸:120mmX60mmX22.5mm?？紤]動(dòng)力電池對(duì)安全性能的要求比較高，在蓋板上預(yù)留出一個(gè)防爆孔作為泄氣裝置，防止出現(xiàn)異常情況時(shí)電池爆炸。

3.4極片面密度設(shè)計(jì)

通常錳酸鋰正極活性物質(zhì)的比容量為90mAh/g，碳負(fù)極活性物質(zhì)的比容量330mAh/g，本設(shè)計(jì)按負(fù)極過量10%計(jì)算，因此正負(fù)極活性物質(zhì)用量分別為:

W+=8800/90=97.8W-=8800*(1+10%)/330=29.3g

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在錳酸鋰動(dòng)力電池中，正極面密度一般為440g/m2，與之相應(yīng)的負(fù)極面密度為145g/m2。

3.5極片高度設(shè)計(jì)

在考慮極片高度時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:極片上部應(yīng)有一定的空間，以便防充電時(shí)電池內(nèi)壓的增高，同時(shí)也為栓接留出足夠的空間，通常負(fù)極高度比正極高2~4mm，隔膜高度比負(fù)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(fù)極極片高度為106mm，隔膜高度為110mm。

3.6極片長度的計(jì)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(shí)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?yàn)?5mm;考慮到負(fù)極極片要完全包裹正極，此處選定負(fù)極短片料區(qū)長度為610mm，空白銅餡長度需根據(jù)實(shí)際需要確定。

3.7極片厚度確定

結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，錳酸鋰正極材料的壓實(shí)密度在2.6左右，石墨碳粉的壓實(shí)密度在1.5左右，則本設(shè)計(jì)中的正極極片厚度在185μm左右，負(fù)極極片厚度在110μm左右。

3.8卷針的設(shè)計(jì)

動(dòng)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(jì)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(shí)際經(jīng)驗(yàn)，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(fù)極的2倍，寬度比極片高度長2~4mm，結(jié)合動(dòng)力電池對(duì)安全性能的要求，本設(shè)計(jì)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(dòng)力電池通常采用1mol/L的LiPF3/EC-DMC-EMC(1:1:1)，鈷酸鋰動(dòng)力電池用量為3.5~4g/Ah，而鏡酸鯉動(dòng)力電池用量5.5~6g/Ah。

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簡單結(jié)論

以上是對(duì)本人四年來在鈷酸鋰動(dòng)力電池設(shè)計(jì)方面工作經(jīng)驗(yàn)的簡單總結(jié)，簡要介紹了鍵離子動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)基本原則、設(shè)計(jì)要求和主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取8Ah鈷酸鋰動(dòng)力電池為例，詳細(xì)介紹了組離子動(dòng)力電池設(shè)計(jì)具體步驟以及需要注意的事項(xiàng)，為鍵離子動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

上述設(shè)計(jì)思路只是動(dòng)力電池設(shè)計(jì)中的一些基本思路，在工業(yè)上設(shè)計(jì)具體電池時(shí)，還應(yīng)根據(jù)用戶的具體要求和本單位的自身?xiàng)l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(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，然后通過具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，提高動(dòng)力電池的綜合性能和降低生產(chǎn)成本，使設(shè)計(jì)生產(chǎn)的動(dòng)力電池在市場上具有很好的競爭能力。