邦凯铝壳锂离子电池设计

铝壳锂离子电池设计

一、锂离子电池设计的基本原则

1、容量过量

由于各种原因，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%）

a 电池制程原因引起的敷料损耗

b 电池前几次充放电引起的容量衰减

c 电池储存引起的容量衰减

d 电池检测设备引起的误差

e 其他原因

2、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，且材料克容量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%。

3、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。

a 负极片较正极片宽

b 正极片C刮粉位

c 正极片D刮粉位

4、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

二、铝壳锂离子电池设计的内容

铝壳锂离子电池设计包括：1、五金件设计；2、电芯设计

五金件设计包括：1、铝壳尺寸设计；2、盖帽尺寸设计；

电芯设计包括：1、卷针尺寸设计；2、极片尺寸设计；3、隔膜尺寸设计；

4、正负极敷料设计；

5、刮粉位、留粉位尺寸确定；

6、极耳尺寸设计；

7、注液量设计；

8、其他辅助设计：胶纸尺寸等。

三、五金件设计

1、电池尺寸参数

厚度H0、宽度W0、高度L0

2、铝壳尺寸设计

1.1铝壳尺寸参数：外厚H外、外宽W外、外高L外、正壁厚、侧壁厚、底厚

内厚H内、内高W内、内高L内

1.2铝壳尺寸参数设计：

H外= H0-(0.2~0.4)mm；W外=W0-(0.2~0.3)mm；L外=L0-(1.0~1.5)mm；

正壁厚=(0.20~0.40)mm；侧壁厚=(0.30~0.40)mm；底厚=(0.50~0.60)mm。

H内= H外-2*正壁厚；W内= W外-2*侧壁厚；L内= L外-底厚

1.3盖帽尺寸参数：长度、宽度、厚度、铆钉位置、铆钉尺寸、边缘、连接片宽度、连

接片长度、密封圈尺寸等。

1.4盖帽尺寸参数设计（主要由结构工程师根据铝壳尺寸完成）

四、电芯参数设计

1、卷针设计

1.1方卷针厚度=(1.5~

2.0)mm；

1.2方卷针宽度≈壳内宽-壳内厚-卷针厚度-C(经验系数，C>0)；

1.3壳内厚-0.2（余量）≈卷芯厚度

1.4圆卷针与方卷针换算：

方卷针宽度=(圆卷针直径*π-2*方卷针厚度)/2+C(经验系数)

2、隔膜纸尺寸设计：

2.1 隔膜纸宽度=壳内高-(2~2.5)mm =电池高度-(

3.5~4)mm

2.2 隔膜纸长度=2*负极片长度+(16~25)mm（使用圆卷针时此值要大于使用方卷针）

2.3 隔膜厚度（根据实际情况要求决定）

3、极片尺寸设计

3.1 负极片宽度=隔膜纸宽度-2mm（电池高度-5mm）

正极片宽度=负极片宽度-(1~2)mm（电池高度-6mm）

3.2 正极片长度=正极片折数*正极片平均折长（试卷，可建公式近似计算）

负极片长度=负极片折数*负极片平均折长（试卷，可建公式近似计算）

3.3 正极片折数≈壳内厚/(0.33~0.35)

负极片折数=正极片折数-1

3.4 正极片厚度=铝箔厚度+附料厚度=铝箔厚度+(面密度/压实密度)

负极片厚度=铜箔厚度+附料厚度=铜箔厚度+(面密度/压实密度)

4、面密度设计

正极面密度=(正极附料量-(0.05~0.1)g)/[正极片长度-1/2*(刮粉位之和)]≈(41~46)mg/cm2 负极面密度=正极面密度*正极克容量*正极活性物含量*(1.25~1.45)/(负极克容量*负极活性物含量)≈(18~21)mg/cm2

5、附料量设计

正极附料量=标称容量*(1.035~1.065)/正极克容量/正极活性物含量

6、极耳尺寸设计

极耳宽度=(3~5)mm；

正极耳长度≈负极片宽度+电池厚度-C1(经验系数，可建公式近似计算)

负极耳长度≈负极片宽度+电池厚度-C2(经验系数，可建公式近似计算)

7、刮粉位、留粉位尺寸确定

正极：A=正极耳宽度+(0~0.5)；

B≈方卷针宽度-A-1/2*C

C=2*F(负极)+(6~10)mm。

负极：E=负极耳宽度；

F=E+2mm。

8、注液量设计

注液量=电池设计容量/(310~320)

五、电芯设计需要注意的几个问题

1、电芯厚度

1.1套壳时电芯厚度

套壳时电芯厚度=(正极厚度+负极厚度+隔膜厚度)*空隙率系数+0.1mm

正极厚度=(正极片辊压厚度+烘烤反弹厚度)*(正极片折数-1)+铝箔厚度

负极厚度=(负极片辊压厚度+烘烤反弹厚度)*负极片折数

隔膜厚度=隔膜规格厚度*负极片折数*2

1.2正面套壳空间

正面套壳空间=铝壳内厚- 套壳时电芯厚度≥0

1.3 侧面套壳空间

侧面套壳空间=壳内宽- 卷针宽度- 卷针厚度- 套壳时电芯厚度= (0~1)mm

2、电池厚度

2.1设计电池厚度= (正极厚度+负极厚度+隔膜厚度)*空隙率系数+2*壳正壁厚

正极厚度=(正极片辊压厚度+分容后反弹厚度)*(正极片折数-1)+铝箔厚度

负极厚度=(负极片面密度/分容后压实密度)*负极片折数

隔膜厚度=隔膜规格厚度*负极片折数*2

2.2 电池厚度空间

电池厚度空间=电池厚度规格上限-设计电池厚度=(0.2~0.5)mm

3、电池孔隙率

3.1电池孔隙率=(铝壳内部空间-正极所占空间-负极所占空间-铜铝箔所占空间-隔膜纸

所占空间)/ 铝壳内部空间

铝壳内部空间=壳内高*壳内宽*壳内厚

正极所占空间=正极附料量/正极真实密度

负极所占空间=负极附料量/负极真实密度

铜箔所占空间=铜箔长度*铜箔宽度*铜箔厚度

铝箔所占空间、隔膜纸所占空间计算同上

3.2 注液系数

注液系数=注液量/电解液密度/(铝壳内部空间*电池孔隙率) ≈(0.7~0.9)