锂离子电池设计原理教材

锂离子电池原理及设计教材
原理篇
电池原材料
化工类材料：正极：钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂、三元材料
负极：人造石墨、中间相碳微球（沥青基）、针状焦、改性天然石墨
其他：隔膜、电解液、导电剂、PVDF、NMP、草酸、SBR、CMC、高温胶纸、铜箔、铝箔等
五金类材料：钢壳、铝壳、盖帽、隔圈、铝带、镍带、铝镍复合带等、铝塑膜等电池原材料是决定电池性能的最重要的因素，电池性能的提升归根结底来自于电池材料的优化及更新。

锂离子电池反应机理
锂离子电芯的反应机理是随着充放电的进行，锂离子在正负极之间嵌入脱出，往返穿梭电芯内部而没有金属锂的存在，因此锂离子电芯更加安全稳其反应示意图如下所示：
电芯的正极是LiCoO2加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。

根据上述的反应机理，正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2等，其中LiCoO2是一种层状结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走XLi后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于X的大小。

通过研究发现当X>0.5时Li(1-X)CoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的电压及安全性能。

所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-XCoO2中的X值，一般充电电压不大于4.2V。

那么X小于0.5 ，这时Li1-XCoO2的晶型仍是稳定的。

负极C6其本身有自己的特点，当第一次化成后，正极LiCoO2中的Li被充到负极C6中，当放电时Li回到正极LiCoO2中，但化成之后必须有一部分Li 留在负极C6中，以保证下次充放电Li的正常嵌入，否则电芯的寿命很短，为了保证有一部分Li留在负极C6中，一般通过限制放电下限电压来实现。

所以锂电芯的安全充电上限电压≤4 .2V，放电下限电压≥2.5V。

锂离子电池的主要制造过程
Li-ion电池的工艺技术比较严格、复杂，这里只能简单介绍一下其中的几个主要工序。

1 配料
正极：钴酸锂94～94.5% 负极：石墨：92%
SP：1% KS-6：3%
S0：1% SP：0.6%
PVDF：3.5～4.0% PVDF：4.4% 目的：以NMP或水为溶剂，采用真空搅拌方式，将电极活性物质、导电剂、胶进行充分的物理混合，形成成分均匀的浆料。

2 涂布(拉浆)
目的：将电极浆料均匀地涂敷在基体（集流体）的表面并经过烘箱干燥，形成干燥、均匀的电极极片。

3 制片
目的：将涂布后的电极大片经过对辊、裁切，形成工艺标准所要求的电极小片（长度、宽度、厚度、刮粉位尺寸），将极耳焊接上去并进行相应的安全保护（贴胶纸）。

4 装配
目的：将制备好的极片与隔膜卷绕成型、压扁后套入/甩入壳体内，然后将极耳通过焊接与盖板连接起来并压合盖版。

5 激光焊
目的：通过激光将电池壳体与盖帽进行熔融焊接为一个整体，并形成一个密闭空间（除注夜孔处）。

6 注液
目的：将电解液通过真空注液机从注夜孔注入到电池内部。

7 预充
目的：用小电流对电池进行第一次充电，激活电池活性物质，释放第一次充电产生的废气；
8 化成
目的：用小电流进一步对电池充电，完成电极活化过程.
9 分容
目的：将老化后的电池进行第一次放电，根据电池放出容量进行等级划分。

设计篇
锂离子电池的标识和含义:
标识由三部分组成:
例如383562 3.7V 800mAh
电池规格表示：厚度为3.8mm 宽度35mm 长度为62 mm
额定容量800mAh
又如5048168 3.7V 3600mAh
电池规格表示：厚度为5.0mm 宽度48mm 长度为168 mm
额定容量3600mAh
电池结构
锂离子电池设计的基本原则
容量过量
由于生产因素等各种原因，可能导致电池实际容量达不到标称容量的要求，因此电池设计时，设计容量必须高出电池标称容量3%~5%（甚至7%）
负极过量
锂离子电池的基本原理为锂离子电池在正负极材料间的可逆嵌入和脱嵌，且材料量克容随着电池循环次数的增加而降低。

若负极容量低于正极容量，当电池充电时，从正极过来的锂离子不能全部嵌入到负极材料中，便会在负极表面堆积形成不可逆容量，造成电池容量的急剧下降，且容易形成锂枝晶引起电池安全隐患，因此电池设计时，单位面积上的负极容量需高出正极容量3%~5%。

负极包住正极
同原则二，电池设计时必须保证有正极敷料的地方对应有负极敷料。

正、负极隔离
电池内部正、负极若直接接触，则在电池内部形成了一个无负载的回路，电池形成短路状态，若为微短路则引起自放电等现象，若短路情况严重，则引起爆炸等安全问题，因此电池设计时须保证正、负极的完全隔离。

a 隔离膜比负极片宽，卷绕时有重叠
b 容易引起短路或隔离膜损坏的地方用胶纸等进行保护
铝壳锂离子电池设计的内容
一、电池设计需确定的参数：
标称容量、设计容量、外壳、帽盖尺寸、正/负极片长度（宽度/厚度），隔膜长度（宽度/厚度）、注液量、极片刮粉位尺寸、卷针尺寸、正/负极耳长度、制片胶纸规格等
二、电池设计原则及步骤：
（外壳等五金结构件主要根据客户尺寸要求来设计）
1、确定容量（即确定了正极附料量）
设计容量/标称容量=1.03～1.08(过量系数），过量系数一般根据材料稳定性、制程能力及电池实际空间来稍作调整。

如材料稳定性较好、制程能力较高、电池空间隔较小的话过量系数可以稍小一些。

根据设计容量、配比及材料克容量算出附料量。

2、确定极片/隔膜纸宽度
隔膜宽度=电池标称高度-3mm（盖帽厚度+立体隔圈厚度+壳底板厚度）
负极片宽度=隔膜宽度-2mm
正极片宽度=负极片宽度-1（2）mm
3、确定正/负极片长度、面密度（以铝壳电池为例）
卷针宽度(方)=铝壳内宽-铝壳内厚-2倍卷针厚度-C（系数）
卷针直径(圆)=卷针宽度（方）/1.57
正极片长度=（卷针宽度+铝壳内宽）×折数/2
负极片长度=正极片长度-铝壳内宽
隔膜长度=负极片长度×2 + 15～18mm
刮粉位尺寸：其中A、E、F是极耳位，因此宽度就等于极耳宽度
C位也是为负极耳位预留的位置，根据实际结构及考虑偏差，一般C=3～4倍A，A+B+C/2=卷针宽度。

实际上E不等于F，是由于刮粉工艺需要，若负极用涂布的话E就可以等于F了。

极片示意图
正极片
负极片
现在就开始确定面密度了，首先将正极片的有效活性物质面积算出来，S=[L-（3A+C+D）/2]×H
面密度=附料量/S
算出来面密度应该在40～46之间，如果面密度偏大或偏小，则通过调整折数来获得最佳面密度
正极面密度出来了，接着负极面密度也出来了，一般按照负极容量与正极容量过量系数为1.03～1.08的原则：
负极面密度×负极活性物质含量×负极克容量=
正极面密度×正极活性物质含量×正极克容量×容量过量系数
极片厚度=面密度/材料压实密度+铜（铝）箔厚度
注液量设计有两种计算方法：
一种是空间系数法，另外一种是容量法，一般来说按容量来算是比较合理的。

根据电解液厂家不同注液量会有一些不同，但设计中也可不考虑此因素。

一般1g电解液=300～330mAh容量，可根据电池的循环性能及工序能力来进行稍微调整。

现在大功告成了，电池设计的主要参数都浮出水面了。

下面接着就是一些辅助的工艺设计了。

铝壳电池，正、负极耳都一样，等于铝壳电池内部高度再加上焊接高度（一般2mm左右），比如053048A的铝壳外高是46.8再减去底板厚0.8为46，再加上焊接高度，因此053048A 的正负极耳长为48左右，可根据实际情况稍做调整。

极耳不宜过长与过短，这样均会影响焊接质量与装配质量。

尤其是铝壳电池负极耳，严重时还会影响电池的安全性能。

剩下就是一些胶纸类，极耳位胶纸是防止极耳焊接处出现毛剌的，只要把容易出现毛剌的地方都包起来，另外留一些焊接面积就OK了。

在这里说明一点：铝壳电池负极耳外露的尺寸非常严格，如果不控制好的话就容易引起负极耳接触壳壁导致短路。

终止胶带：电芯卷绕收尾的地方，起固定作用。

尺寸上工艺要求不是特别的严。