锂电池的设计与研发

锂电池的设计与研发深圳市镭煜科技有限公司整理发布主要内容第一部分：基础篇一电池基本结构、原理二电池种类三电池功能特点四电池的用途五电池的常用术语第二部分：设计篇一电池设计相关参数二设计思路三尺寸设计四安全性能设计第三部分：研发篇一目前研发的主要方向二电池研发成果的必要条件三研发实验的设计四实验报告的书写第一部分基础篇一锂电池基本结构、原理电池的结构组成（六大组成）正极负极隔膜铝镍带电解液壳体电池原理：根据材料分：钴系锰系铁系电池根据壳体分：钢壳铝壳软包电池根据功能分：常规倍率动力电池根据使用环境分：低温高温电池根据形状分：方形圆柱其他：折叠弯曲异型锂电池种类电池功能特点一比容量高酸镉镍锂354150-80120-160140-180Wh/kg二电压高三体积小重量轻（24V相当于市面上铅酸电池的1/7重量，36V电池重量仅3KG,相当于市面上铅酸电池的1/6重量.）四长循环五自放电小六无记忆效应七无污染环保电池的用途移动电话、MP3MP4蓝牙笔记本电脑、小型摄像机、电动工具电动车、UPS备用电源，军事用途等等.凡是能用电的设备基本上都能用上！！锂电池的常用术语1容量（放电容量充电容量额定容量设计容量标称容量平台容量）2电压（标称电压开路电压闭路电压平台电压上限电压截止电压中值电压平均电压）3内阻（极化内阻欧姆内阻静态内阻动态内阻）4恒流充电5恒流放电6搁置7循环8活化9化成10分容11自放电12放电率13荷保持14记忆效应15放电电流16贮存寿命17过充18过放19短路20自放电21倍率第二部分：设计篇设计的目的：满足客户的要求！客户的常见要求有哪些？容量电压内阻尺寸平台循环一电池设计相关参数:型号：电池外壳的尺寸433450A容量：电池的1C的放电容量800mAh面密度：单位面积的敷料重量42mg/cm2克容量：单位重量的活性物质释放的容量值142mAh/g压实密度：单位体积的敷料重量3.8g/cm3铝镍带宽：mm隔膜厚度：mm铜铝箔厚度*宽度：mm*mm辊压厚度：mm卷针宽：mm正负极容量比:%工艺设计主体材料的选用：正极材料：四高三稳一保一低价1比容量高2电压高3可逆容量高4扩散率高5平台稳6结构稳定7化学稳定8环保9便宜电池的设计，最基本的就是要对所用的材料要求及性能必须了解负极材料：1比容量高2比表面积小振实高3结构稳定4可逆容量高5电位高6化学稳定性好，7环保8便宜电解液1良好的化学稳定性与电池的正负极活性物质和集流体不发生化学反应;2比较宽的电化学稳定窗口（电压）3较高的离子电导率，较低的电子电导率;4具有良好的成膜特性，在炭负极材料表面形成致密稳定的钝化膜;5合适的温度范围(高沸点一低熔点);6安全低毒，无环境污染。7便宜隔膜1化学、电化学稳定性2机械性能（刺穿拉伸）3反复充放电过程中对电解液保持高度浸润性，4隔膜材料与电极之间的界面相容性、5隔膜对电解质的保持性6闭孔温度低（120-135）7熔点要高（大于165）铝镍带1过流密度大2不易氧化3与电池内部物质不发生化学反应工艺设计思路电池的设计，最重要的是能符合客户的要求，针对不同的用途，功能，设计出相应的电池。目前常见的电子产品有：蓝牙耳机MP3-MP4普通手机3G手机笔记本航模玩具电动工具电动自行车。对于不同的产品，在其电池的设计上我们可以从几个方面来考虑：1安全无论是用于那方面的电池，首当其充是的安全，确保电池在使用和储存过程中的安全，不高热不起火不爆炸。高热烫伤，起火烧伤，爆炸更危险！！。2容量（功率）即能够支持电器设备一次持续工作的时间要求，比如：手机要求一次充电，能使用三天，航模玩具飞机一次能飞3分钟等。3平台要求电池一次放电某一电压值以上持续放电的时间，比如：手机电池放电到3.6V后，自动关机，就要求我们的电池3.6V电压平台的时间越长越好，在选用正极材料时，会根据材料的特性来满足这一要求。4使用环境电池在不同的使用环境中，性能的发挥有很大的影响，比高温70℃与低温-20℃放出的容量有很大的差距。所以在设计时根据使用环境来选择所需的材料（正极料电解液等）5工作时峰值与持续电流用电器在不同的工作时间，输出电流有所不同，因此就得根据不同的电流值来选用材料，比如：放电电流大的电池，我们在设计时，就得考虑面密度大小，电解液种类，极耳数量，点焊点的数量，极耳种类，引线的过流等等。6尺寸要求现在各类普通电子产品都趋向轻而薄的观念，比如：手机超薄MP3-MP4也是薄而轻，蓝牙耳机更是小。所以在电池的设计上更要求我们开发一些克比容量高，压实高的新材料，来满足产品的需要。长循环7循环性能8BMS（电源管理系统）的合理选用作为锂电池，我们在使用时，必须选用合理的BMS来对电池进行一系列的保持，如：过充过放，过流短路均衡过温。好的BMS能使电池的使用寿命得以正常发挥。9成本除了以上的考虑因素之外，成本也是在设计时重点为考虑的，因为这关系到设计出来的产品，客户所能接受的价格是否有利可赚！！！！用最低的成本，做出满足客户要求的产品。除了利润，一切都是假的！！常见锂电池的使用参数：常见电池设计时不同的要求现对常识、参数、材料以及设计思路都有了一定的了解，下一步进行实际的尺寸工艺设计尺寸设计下面以实际的电池型号来进行讲解：尺寸：电池型号：523450A1000mAh钴酸锂材料电池厚度5.2mm，电池宽度34mm，电池高度50mm第一步、列出相关的固定的参数：正极克容量：142mAh/g负极克容量：330mAh/g正极压实密度：3.8g/cm3负极压实密度：1.55g/cm3正极钴酸锂比例：94%负极石墨粉比例94%隔膜厚度：0.016极耳宽：4mm对于一种体系，有的参数是固定的，在设计时只要套进去就行了！！！1、小电池，一个卷芯，那么卷心最大厚度：=电池厚度-壳体厚度=5.2-0.2*2=4.8mm（一般铝壳厚度为0.2-0.3，不同地方可能不一样，但关系不大）2、卷芯高度，除去顶盖1mm，底盖0.5mm，塑料隔圈1.5mm，预留空间1mm，那么卷芯高度=50-1-0.5-1.5-1=46mm也就是说，隔膜可以是44mm宽。一般我们做铝壳的话，可能选20um的隔膜，做大电池的话，隔膜就可能厚点，大概25um到35um都有。3、负极宽度，负极肯定比隔膜窄，可以是1mm，也可以是2mm，看你怎么留了，在此假设2mm，那么负极宽度为42mm。（在做一些大型号电池时可适当加宽3-4mm)4、负极包住正极，那么正极比负极窄，1-3mm，因为是小电池，我们选1mm，正极宽度=44-1=43mm。第二步进行设计之旅：5、下面按照经验，假设正极双面密度=40.5mg/cm2，正极克容量140mAh/g,活性物质比例94%；负极克容量320mAh/g，活性物质比例94%。安全系数=1.03（也可以更高，1.1）那么我们可以计算出：负极双面密度=40.5*140*94%/（320*94%）*1.05=18.45mg/cm26、正极材料可以压到3.8g/cm3；负极可以做到1.6g/cm3；铝箔12um，铜箔12um。7、那么可以计算出正负极厚度：正极片厚度40.5/3.8*10+16=119um，负极片厚度=18.45/1.6+10=127um；8、那么，卷绕一圈，有2层，单层厚度=正极厚度+负极厚度+2层隔膜厚度=119+127+16*2=278um，9、可见，总卷绕卷数=卷芯厚度/（单层厚度*2）=4.8*90%/（278/1000）=15.5圈，经取整：即负极有15折，正极16折（90%为电池厚度的预留空间，厚度大小取值也不同，主要看材料的厚度反弹来定）10、计算卷针尺寸，卷针宽度=卷芯宽度-卷芯厚度-2=（34-0.20*2）-4.8）*92%=27mm11、计算正极片长度：正极长=（层数-2）*双层卷绕厚度+卷针宽+卷针厚度+一层卷绕厚+卷针宽度）*（层数-1）/2+卷针宽-厚度/2=（（16-2）*0..278*2+（27+27+0.5+0.262））*（16-1）/2+27-5.2/2=505mm，试卷时，微调尺寸。计算负极长度：负极=正极长-针宽-尾刮粉位-1013极耳宽度与厚度，小电池，极耳0.1*4mm基本就够了14极片刮粉位：A＝10B＝卷针宽*2.7+3C=D+4*2D=极耳宽+（2~4）E＝卷针-C/2ACBD15、计算容量：设计容量=正极敷料量*克容量*活性物质比例=*140mAh/g*7.516*94%=1052mAh16、标称容量：一般设计时，设计容量约为标称容量的1.05%17、根据不同的情况，进行相应的调整，电池尺寸的设计，一般在电脑上编辑公式，只需要输入相应的参数2-5分钟就可以得出一份工艺。电池的设计，一方面要满足电性能的要求，另一方面必须满足安全性的要求，一个产品的安全性成为重中之重，那么电池的不安全因素主要的表现是什么？那就是电池的：爆炸起火！我们常常听说哪儿的电池爆炸，伤人，电池召回，电视新闻报到的也很多。就电池的安全设计从以下几个方面来考虑：一电池爆炸的原理是什么？二引起电池爆炸的因素有哪些？三如何来保证电池的安全？安全性能设计电池爆炸的原理是什么？电池在受到热冲击、过充、过放、短路、振动、挤压等滥用状态下，电池内部的活性物质及电解液等组分间将发生化学、电化学反应，产生大量的热量与气体，引起电池的升温，如果锂离子电池内部的热生成速率大于热散失速率,则体系内的反应温度就会不断上升，当热量和内压累积到一定程度的时候，就会引起电池的燃烧或爆炸。简单的说：就是电池内部出现高温高内压，超过电池壳体的储压极限，壳体爆裂，内容物喷出，起火燃烧。引起爆炸燃烧的主要原因：短路高温高电压引起电池爆炸的因素有哪些？电池的系统制作过程，及各材料的配比和电池的使用，都有可能引起电池爆炸隐患，可从：材料设计使用三方面来来进行分析。1材料：a正极材料：其一从材料本身安全性来说，热稳定性LiNiO2＜LiNi0.8Co0.2O2＜LiCoO2＜LiMn2O4＜LiFePO4＜LiNi3/8Co1/4Mn3/8O2当温度升高到一定值后，材料分解，产生大量的热其二从正极标的理论容量与实际发挥的容量来看，没有脱嵌的锂离子越多，过充时，产生枝晶的可能性就越大，刺穿隔膜引起短路。理论值与实际值相差越小，安全性就越高，钴酸锂270-140＜锰酸锂148-110＜磷酸铁锂170-130，且铁锂的电压只有3.2V，安全性最高。热分解温度：钴：锰：铁锂＝180：200：220b隔膜：隔膜热闭孔性对电池的安全有很大的影响，当温度超过120-135度，如隔膜没有闭孔，电池继续升温，内压升高到极限，电池就会爆炸。如温度过高，隔膜会熔化，从而引起电池大面积的短路，这就要求隔膜要有很高的熔点。c电解液：电解液在电池内即起到导电作用，同时又要能起到保护作用，当充电电压到一定值时，形成络合物，在电池内部形成大面积的断路，使正负极通过电流减小，电池温度降低。d极耳（铝镍带）：在设计时，可能大家都没有太多的去考虑这一因素，其实极耳是连接电池内外的桥梁，当短路时，会承受很大的电流，其通过的电流密度当超过极耳最大电流密度时，会产生大量的热，致电池内部温度升高，内压增大。e壳体:钢壳铝壳软包，材料储高压能力比较：钢壳＜铝壳＜软包，选用软包铝塑膜最为安全，这与它的封边有一定的关系，当压力超过最大内压值时，封口处破裂，气体排出，电池一般不会爆炸。2设计a正负极容量比：电池在使用的过程中，在不同程度都会有所破坏，那就要求负极的嵌锂空间至始至终都要比正极的脱嵌的锂离子空间大。如在设计时，没有考虑负极余量的大小，会造成析锂，刺穿隔膜，造成短路。b尺寸：电池的隔膜收缩与极片的宽度，当隔膜收缩过大，极片会引起短路。c放电电流：在设计时根据产品的使用放电电流来设计极片的面密度压实极耳类型等。当面密度过大，压实过高