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重磅 | 軟包卷繞電池的電化學設計和結構設計

2023-02-14 09:33:14 來源:中冶有色技術平臺
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簡介: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。
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

正極配方

2.2 負極配方

負極配方

2.3 面密度/克容量/壓實密度設

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。

負極余量設計

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。

電池容量設計

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:

(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。

2.7 負極余量設計

(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

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

鋁塑膜包裝殼

3.3 隔膜寬度

隔膜寬度=鋁塑膜沖殼長(外坑)-(0.0~0.5mm)

隔膜寬度

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

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

電池厚度估算

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。

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