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鋰離子動力電池的設計基礎

1.1動力電池設計的基本原則

動力電池設計，就是根據(jù)用電設備的要求，為設備提供工作電源或動力電源。因此，動力電池設計首先必須根據(jù)用電設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)，對工藝參數(shù)進行優(yōu)化，并將它們組成有一定規(guī)格和指標(如電壓、容量、體積和重量等)的電池組。動力電池設計是否合理，關系到電池的使用性能，必須盡可能使其達到設計最優(yōu)化。

1.2動力電池的設計要求

動力電池設計時，必須了解用電設備具對電池性能指標及電池使用條件，一般應考慮以下幾個方面:

電池工作電壓;

電池工作電流，即正常放電電流和峰值電流;

電池工作時間，包括連續(xù)放電時間、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。

鋰離子動力電池由于其具有優(yōu)良的性能，使用范圍越來越廣，有時要應用于一些特殊場合，因而還有一些特殊要求，如耐沖擊、振動、耐高低溫、低氣壓等。在考慮上述基本要求時，同時還應考慮材料來源、電池特性的決定因素、電池性能、電池制造工藝、技術經(jīng)濟分析和環(huán)境溫度。

1.3評價動力電池性能的主要指標

動力電池性能一般通過以下幾個方面來評價:

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，即電流對時間的積分，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，電壓平臺的高低以及大電流放電性能等，它表明電池帶負載的能力。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和電化學電阻，大電流放電時，內(nèi)阻對放電特性的影響尤為明顯。

工作溫度范圍。用電設備的工作環(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。

儲存性能。電池儲存一段時間后，會因某些因素的影響使性能發(fā)生變化，導致電池自放電，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行充放電，其性能衰減到某一程度時循環(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、振動等，抗濫用性能的好壞是決定電池能否大量應用的首要條件。

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鋰離子動力電池的設計基本步驟

動力電池設計主要包括參數(shù)計算和工藝指定，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

單體電池數(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，同時應考慮工藝的影響，如電極結構型式的影響。

2.2、計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，計算電極數(shù)目.

2.3、計算電池容量

額定容量額定容量=工作電流*工作時間

設計容量

為了保證電池的可靠性和壽命，一般設計容量比額定容量高10%~20%。

設計容量(Ah)=(1.1~1.2)額定容量

2.4、計算電池正、負極活性物質用量

計算控制電極的活性物質用量

根據(jù)控制電極的活性物質的電化當量、設計容量以及活性物質利用率來計算單體電池中控制電極的物質用量。對于鋰離子動力電池而言，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。

計算非控制電極的活性物質用量

單體電池中非控制電極活性物質的用量，應根據(jù)控制電極活性物質的用量來定，為了保證電池有較好的性能，一般應過量，通常取過剩系數(shù)為1~2之間。鋰離子動力電池通常采用碳負極材料過剩，過剩系數(shù)取1.1。

2.5、計算正、負極的平均厚度

計算每片電極物質用量

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，結合具體設計電池的使用條件(如工作電流、工作溫度等)或根據(jù)經(jīng)驗數(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計電池的極片材料、厚度等情況來確定，一般控制在80%~90%。根據(jù)用電設備對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械性能，確定電池殼體的寬度、長度及壁厚、有無安全保護裝置等。

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鋰離子動力電池的設計舉例

本設計是根據(jù)公司市場部提出的要求，結合實際情況來做的?？蛻艟唧w要求為:要求提供8Ah25V鋰離子動力電池組，有兩個體積相同的殼體，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。具體設計步驟如下:

3.1單體電池數(shù)目

錳酸鋰動力電池工作電壓為3.7V，要組裝25V的電池組需要7塊單體電池。

3.2電池容量設計

C設=C額*k1

式中C設一一電池設計容量;

C額一一電池額定容量，8.0Ah;

k1一一電池設計安全系數(shù)，一般取1.1~1.2。

在此處取民為1.1，則C設=8.0X1.1=8.8Ah

3.3電池尺寸設計

根據(jù)電池組殼體的尺寸，結合所需電池的數(shù)目，采取一個殼體放4塊電池，另一個殼體放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]動力電池對安全性能的要求比較高，在蓋板上預留出一個防爆孔作為泄氣裝置，防止出現(xiàn)異常情況時電池爆炸。

3.4極片面密度設計

通常錳酸鋰正極活性物質的比容量為90mAh/g，碳負極活性物質的比容量330mAh/g，本設計按負極過量10%計算，因此正負極活性物質用量分別為:

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

結合實驗數(shù)據(jù)和實際經(jīng)驗，在錳酸鋰動力電池中，正極面密度一般為440g/m2，與之相應的負極面密度為145g/m2。

3.5極片高度設計

在考慮極片高度時應注意以下幾個方面:極片上部應有一定的空間，以便防充電時電池內(nèi)壓的增高，同時也為栓接留出足夠的空間，通常負極高度比正極高2~4mm，隔膜高度比負極高2~4mm。綜合上述因素，結合電池殼體的尺寸，確定電池的正極極片高度為102mm，負極極片高度為106mm，隔膜高度為110mm。

3.6極片長度的計算

正極活性物質含量為92%，則極片長度為:L=27.8/0.92/442/0.102=2.369m

結合實際操作需要，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)域為15mm;考慮到負極極片要完全包裹正極，此處選定負極短片料區(qū)長度為610mm，空白銅餡長度需根據(jù)實際需要確定。

3.7極片厚度確定

結合實驗數(shù)據(jù)和實際操作經(jīng)驗，錳酸鋰正極材料的壓實密度在2.6左右，石墨碳粉的壓實密度在1.5左右，則本設計中的正極極片厚度在185μm左右，負極極片厚度在110μm左右。

3.8卷針的設計

動力電池的卷針根據(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。由于本設計的電池是方形電池，故采用方形卷針，根據(jù)電池具體尺，結合實際經(jīng)驗，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極的2倍，寬度比極片高度長2~4mm，結合動力電池對安全性能的要求，本設計選用厚度35μm的三層PP/PE/PP隔膜。

3.10電解液的確定

目前鋰離子動力電池通常采用1mol/L的LiPF3/EC-DMC-EMC(1:1:1)，鈷酸鋰動力電池用量為3.5~4g/Ah，而鏡酸鯉動力電池用量5.5~6g/Ah。

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簡單結論

以上是對本人四年來在鈷酸鋰動力電池設計方面工作經(jīng)驗的簡單總結，簡要介紹了鍵離子動力電池的設計基本原則、設計要求和主要性能評價指標，選取8Ah鈷酸鋰動力電池為例，詳細介紹了組離子動力電池設計具體步驟以及需要注意的事項，為鍵離子動力電池的設計提供參考依據(jù)。

上述設計思路只是動力電池設計中的一些基本思路，在工業(yè)上設計具體電池時，還應根據(jù)用戶的具體要求和本單位的自身條件、原材料的狀況以及設備與原材料的配套情況等因素，對設計參數(shù)進行適當?shù)恼{(diào)整，然后通過具體實驗數(shù)據(jù)對設計進一步優(yōu)化，提高動力電池的綜合性能和降低生產(chǎn)成本，使設計生產(chǎn)的動力電池在市場上具有很好的競爭能力。