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軟包卷繞電池的電化學設計和結構設計

時間:2019-08-21 00:12來源:新能源時代 作者:綜合報道
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軟包卷繞電池的電化學設計和結構設計

 

一、鋰離子電池設計原則

 

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。

 

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。

 

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。

 

4、法規(guī)

產品必須遵守本國和產品消費國之相關法律法規(guī)。

 

二、電化學設計部分
 

1、正極配方

2、負極配方

3、面密度/克容量/壓實密度設計

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(huán)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。

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(tài)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。

6、電解液類型選擇
 

根據客戶不同的使用環(huán)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(yè)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(yè)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(huán)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(huán)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。

 

7、電解液配方

(1)鋰鹽:當前鋰離子電池行業(yè)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

 

8、隔膜

隔膜材質:單層或者多層的PE、PP

厚度規(guī)格:12um~30um

 

9、外包裝——鋁塑膜

鋁塑膜主要厚度:88um/ 113um/ 122um/ 153um幾種厚度規(guī)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

 

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max4.5 mm,寬max52.0 mm,長max68.0 mm

 

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

 

3、隔膜寬度

隔膜寬度 = 鋁塑膜沖殼長(外坑)-(0.0~0.5mm)

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

 

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:電池膨脹系數

 

6、隔膜長度

隔膜長度=負極片長度×2+卷針寬度×2+40mm余量

 

7、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

四.結語

 

本設計規(guī)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(tǒng)籌考慮電池設計和生產中的人、機、料、法、環(huán)各個因素,并把這些因素引入過程的每個細節(jié)之中。


(責任編輯:子蕊)
文章標簽: 軟包卷繞電池
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