锂离子电池电芯设计-08
锂离子电池电芯设计-08
锂离子电池电解液组成示意图
电解液
溶剂
锂盐
EC、PC、EMC、DEC等 LiPF6、LiClO4、LiBF4等
添加剂
防过充添加剂
阻燃剂
抑制气体生成
改善SEI膜性能 控制水和酸含量
电解液常用溶剂物性参数及不同配比的分解电压
溶剂种类
EC PC DMC DEC EMC
组分 含量 分解电压
闪点
160℃ -----16℃ 33℃ 23℃
EC/DEC 1:1 4.25
沸点
238℃ 242℃ 90℃ 127℃ 108℃
EC/DMC 1:1 5.1
熔点
37℃ -49℃ 3℃ -43℃ -55℃
PC/DEC 1:1 4.35
锂离子二次电池电解液常用添加剂
防过充添加剂； 阻燃剂； 抑制气体生成添加剂； 改善电极SEI膜添加剂。
放过充添加剂作用原理
涂布量的设计。
Voltage/V
5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
0
半电池及三电极体系的概念
4.369
4.468
4.448
3.793
LiCoO2-Anode LiCoO2-Cathode LiCoO2-Cell
1.588
2.520
5000
0.610
0.249
10000
15000 20000 25000 T ime/min
30000
35000
40000
N/P的概念；
极组卷芯的不同设计方式
卷绕式； 叠片式； 另类方式。
失效位置分析: 负极片：
失效点集中区域
经过分析，失效点基本锁定在极组芯部，正极插入的位置附近。
磷酸铁锂锂离子电芯技术规格书说明书
电芯技术规格书280Ah磷酸铁锂锂离子电芯(储能型)产品型号：LFP71173207/280Ah版本：A/1厦门海辰新能源科技有限公司年月目录1. 术语定义 (4)2. 适用范围 (5)3. 规范性引用文件 (5)4. 测试条件 (5)4.1 测量设备及精度 (5)4.2 充放电模式 (6)4.3 极柱与Busbar焊接参数 (6)5. 电芯技术参数 (6)5.1 电芯基本参数 (6)5.2 电芯性能参数 (7)5.3 电芯寿命 (8)6. 电芯标识、包装、运输及存储要求 (8)7. 应用条件 (8)8. 注意事项 (11)9. 其他约定 (13)10. 电芯图纸 (15)1.术语定义2.适用范围本技术规格书规定了LFP71173207/280Ah型锂离子电芯（该规格书仅适用于B品）的性能要求、试验方法、运输、贮存要求和注意事项等。
3.规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的，凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 36276-2018 电力储能用锂离子电池GB/T 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法 6.2.84.测试条件若无特别说明，电芯的参数均为新电芯状态下的参数，测试对象为新电芯状态的电芯(除自放电测试外)。
除非有其他说明，实验和测量需在室温(25±2)℃、标准湿度（55±20）%以及大面夹具力为(3000±200)N条件下进行。
4.1 测量设备及精度(1) 测试设备精度：±0.1%(2) 电流测量精度: ≥0.5 级，电压测量精度: ≥0.5 级(3) 温度测量精度: ±0.5℃(4) 时间测量精度: ±0.1%(5) 尺寸测量精度: ±0.1%(6) 重量测量精度: ±0.1%4.2 充放电模式若无特别说明，充放电模式均应为标准充电/放电模式。
锂离子电池的设计和生产工艺
锂离子电池的设计和生产工艺锂离子电池是一种高效、轻便、环保的电池类型，已经广泛应用于电动车、智能手机、笔记本电脑、移动电源等领域。
其优点在于高能量密度、无记忆效应、低自放电率等特性，但锂离子电池的设计和生产工艺也是决定其性能的重要因素。
一、锂离子电池的设计锂离子电池的设计需要考虑电池的形状、电容量、工作电压等因素。
电池形状包括圆柱形、方形、软包等多种形式，电容量是指电池的存储电荷量，通常用毫安时（mAh）来表示。
工作电压则与电池的化学成分有关，一般为3.6V或3.7V。
锂离子电池的正极由锂离子嵌入材料形成，其材料种类很多，常见的有三元材料（LiCoO2）、钴酸铝材料（LiCoAlO2）、铁磷酸锂材料（LiFePO4）等。
这些材料的性能有所不同，因此需要根据具体使用场景进行选择。
锂离子电池还需要设计电解液和负极材料。
电解液作为阳离子导体，可以传递锂离子的移动，从而实现锂离子电池的充放电。
常用的电解液包括碳酸盐电解液、含有芳烃类溶剂的电解液、离子液体等。
负极材料一般采用石墨材料，也有一些新型材料如硅基复合材料正在被研究和开发。
二、锂离子电池的生产工艺锂离子电池的生产过程主要包括正负极材料的制备、电解液的制备、电池的装配等环节。
制备正负极材料时需要选用优质的原料，通过加热、反应、烘干、磨粉等一系列工艺步骤将材料制成要求的形状和性质。
电解液的制备需要选用优质的电解液原料，经过混合、恒温、搅拌等工艺步骤得到纯度高、稳定性能好的电解液。
在装配电池时，需要选用专用的机器设备将正、负极、电解液组装在一起，形成电池芯，并对电芯进行充放电测试、容量测试、内阻测试等。
锂离子电池的生产工艺非常重要，因为影响电池性能的因素非常多。
例如正极颗粒的复合度、电解液的纯度、负极材料的导电性能等都会对电池性能产生影响。
因此，生产厂家需要在每个环节上精益求精，保证电池的稳定性和安全性。
三、锂离子电池的质量控制为了保证锂离子电池的质量和安全性，生产厂家需要一个完善的质量控制体系。
2008年锂电池材料技术的回顾及解析
除了天然石墨的開發與應用為目前負極材料重要的發展趨勢外，各家廠商也 積極找尋其它金屬，如矽、銀、鋁、錫等或金屬氧化物如硫化物、氮化物及磷化 物等等做為鋰離子嵌入和嵌出反應的負極材料。 Sony 率先在 2005 年採用錫做為負極材料，結合 Sn、Co、Cn 三元素開發出 新型高容量錫鈷碳(SnXCoC)，準備應用於 Nexelion 電池上，其電容量可達 3.0~3.2 Ah，它的特性除了提供高容量外，還能夠防止負極剝落膨脹來提升電池的壽命。 日本的三井金屬就開發出一種新型以矽為主的負極材料 SILX，預計在 2010 年透過共同合作與電池製造商及 OEM 廠商正式展開 SILX 的商品化 矽在理論上 。 能夠有高的能量密度 420 mAh g-1，與一般碳材 graphite 相比高出十倍且放電特性 低。 據三井的說明，SILX 的能量密度為現有碳類負極的兩倍，實際應用於鋰電 池時，其能量密度比現有的電池高出 30~50%以上，所以 SILX 將擁有較高的容量 及輸出功率。不過矽在鋰嵌入和嵌出的充放電過程中，其體積膨脹可達 400%， 造成充放電循環壽命不佳及鋰金屬沉積在負極表面所造成的安全問題，所以三井 金屬透過在矽材表面覆蓋一層薄銅以及採用空隙的結構 （如圖七） ，來減少電阻及 降低粒子的膨脹率，展現與現有負極相同的使用壽命。
隔離膜 (Separator)
隔離膜在電池材料中主要的功能為隔絕正負極以防止電池自我放電及兩極短 路等問題，主要材質使用多孔質的高分子膜，包括聚乙烯（PE）或聚丙烯（PP） ， 由於隔離膜的安全性、滲透性、孔隙度及膜厚度將互相影響離子傳導度及機械強 度，所以製造不同的產品必須應用不同的設計方式，如單層、雙層及三層的隔離 膜。目前近 95%隔離膜銷售量主要由旭化成(Asahi Kasei Chemicals)、東燃(Tonen) 及 Celgard 等三家公司生產。 在產能擴充部份，市佔率居首的旭化成預計在 2009 年度擴產至 1 億 5000 萬 m2。美商 Celgard 的微多孔三層隔離膜除了在南韓與中 國上海陸續投資外，2008 年九月也在北加州宣佈增加新的產能約 112,000 m2。 另 外，三菱樹脂和三菱化學也宣佈合作開發計畫及擴展計畫，包括以控制孔結構的 薄膜來解決原來使用濕法和幹法所存在的問題以及預定 2009 年擴產 12,000 萬 m2。
锂电池电路设计
锂电池电路设计锂离子电池以其优良的特性，被广泛应用于：手机、摄录像机、笔记本电脑、无绳电话、电动工具、遥控或电动玩具、照相机等便携式电子设备中。
一、锂电池与镍镉、镍氢可充电池：锂离子电池的负极为石墨晶体，正极通常为二氧化锂。
充电时锂离子由正极向负极运动而嵌入石墨层中。
放电时，锂离子从石墨晶体内负极表面脱离移向正极。
所以，在该电池充放电过程中锂总是以锂离子形态出现，而不是以金属锂的形态出现。
因而这种电池叫做锂离子电池，简称锂电池。
锂电池具有：体积小、容量大、重量轻、无污染、单节电压高、自放电率低、电池循环次数多等优点，但价格较贵。
镍镉电池因容量低，自放电严重，且对环境有污染，正逐步被淘汰。
镍氢电池具有较高的性能价格比，且不污染环境，但单体电压只有1.2V,因而在使用范围上受到限制。
二、锂电池的特点：1、具有更高的重量能量比、体积能量比；2、电压高，单节锂电池电压为3.6V,等于3只镍镉或镍氢充电电池的串联电压；3、自放电小可长时间存放，这是该电池突出的优越性；4、无记忆效应。
锂电池不存在镍镉电池的所谓记忆效应，所以锂电池充电前无需放电；5、寿命长。
正常工作条件下，锂电池充/放电循环次数远大于500次；6、可以快速充电。
锂电池通常可以采用0.5~1倍容量的电流充电，使充电时间缩短至1~2小时；7、可以随意并联使用；8、由于电池中不含镉、铅、汞等重金属元素，对环境无污染，是当代的绿色电池；9、成本高。
与其它可充电池相比，锂电池价格较贵。
三、锂电池的内部结构 :锂电池通常有两种外型：圆柱型和长方型。
电池内部采用螺旋绕制结构，用一种非常精细而渗透性很强的聚乙烯薄膜隔离材料在正、负极间间隔而成。
正极包括由锂和二氧化钴组成的锂离子收集极及由铝薄膜组成的电流收集极。
负极由片状碳材料组成的锂离子收集极和铜薄膜组成的电流收集极组成。
电池内充有有机电解质溶液。
另外还装有安全阀和PTC元件，以便电池在不正常状态及输出短路时保护电池不受损坏。
锂离子电池富镍正极材料LiNi08Co015Al005O2制备及改性研究
锂离子电池富镍正极材料LiNi08Co015Al005O2制备及改性研究一、概述锂离子电池作为现代能源储存与转换技术的关键一环，其性能优化一直是科研和工程领域的研究热点。
正极材料作为锂离子电池的重要组成部分，其性能直接决定了电池的能量密度、循环寿命和安全性。
寻找性能优异、成本合理、环保可持续的正极材料，对于推动锂离子电池技术的发展具有重要意义。
富镍正极材料LiNi8Co15Al05O2（简称NCA）因其高比容量、低成本和良好的结构稳定性等优点，在锂离子电池领域受到了广泛关注。
NCA材料中的镍元素含量较高，能有效提高电池的能量密度；钴和铝的加入则有助于提升材料的结构稳定性和循环性能。
NCA材料在循环过程中存在容量衰减和安全性问题，这限制了其在实际应用中的广泛推广。
为了解决这些问题，本文旨在深入研究富镍正极材料LiNi8Co15Al05O2的制备工艺和改性方法。
通过优化制备工艺，提高材料的结晶度和振实密度，降低阳离子混排，从而提升其电化学性能。
采用表面包覆、离子掺杂等改性手段，增强材料的结构与表面稳定性，进一步提高其循环稳定性和热安全性。
本研究不仅有助于深入理解富镍正极材料LiNi8Co15Al05O2的制备和改性原理，还为优化锂离子电池性能、推动其在实际应用中的广泛使用提供了有益的理论和实践指导。
通过本文的研究，我们期望能够为锂离子电池技术的发展贡献一份力量，推动新能源领域的持续创新和发展。
1. 锂离子电池的应用背景及市场需求锂离子电池，作为一种高效、可循环使用的能源储存技术，其应用背景与市场需求日益凸显。
在当前能源转型和可持续发展的大背景下，锂离子电池以其高能量密度、长循环寿命以及低自放电率等显著优势，正逐渐成为新能源领域的重要支柱。
随着可再生能源如太阳能和风能的快速发展，储能技术的需求日益增长。
锂离子电池凭借其在储能系统中的出色表现，已成为智能电网、电力调峰、电动汽车充电站等领域的首选。
在移动电子设备领域，锂离子电池以其轻便、高能量密度的特性，广泛应用于智能手机、平板电脑、笔记本电脑等产品中，极大地提升了用户体验。
ZnO@ZIF-8作锂离子电池负极材料的电化学性能研究
性理论有利于减 少 材 料 在 脱 嵌 锂 过 程 中 的 开 裂、粉 化
现象 [25-26]。近年 来,金 属 有 机 框 架 (MOFs)由 于 其 孔
隙率可调而引起了广泛的关注 [27-29]。 MOFs内部含有
丰富的碳和过渡金属,是一种理想的固相前驱体,其用
8,而当 2θ 值 较 高
极材料 ZnO 的商业化应用,其制备方法仍需进 一 步 改
料中存 在 ZIF
8 和 ZnO 两 个 不 同 的 相。 此 外,
ZIF
8
稳定性也得到了 很 大 的 改 善,但 要 实 现 锂 离 子 电 池 负
进。
本文通过简单 水 热 法 制 备 出 了 纳 米 ZnO@ZIF
的混浊溶液用 无 水 乙 醇 和 去 离 子 水 分 别 洗 涤 5 次,再
将所得沉淀物放入干 燥 箱 中 在 70 ℃ 下 干 燥 后 即 得 到
纳米 ZnO 材料。
将该纳米 ZnO 材料于 35 ℃ 溶解在 20 ml的甲醇
溶液中,搅 拌 10 mi
n 以 后 加 入 1g 的 2
-甲 基 咪 唑,随
一般来讲,通 过 MOF 所 合 成 的 金 属 氧 化 物 往 往 具 有
较小的颗粒 尺 寸,此 外 可 以 通 过 控 制 MOF 的 形 状 来
调控合成后产物的形状 [30]。Yu 等 [31]通过水热法制备
了球状纳米 ZnO@ZIF
8,获 得 了 晶 粒 尺 寸 均 匀、分 散
性较好的、具 有 核 壳 结 构 的 球 状 材 料。JunhoonPa
原因在于现有的商业化锂电池负极材料石墨的理论容
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Voltage/V
5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
0
半电池及三电极体系的概念
4.369
4.468
4.448
3.793
LiCoO2-Anode LiCoO2-Cathode LiCoO2-Cell
1.588
2.520
5000
0.610
Heteroside Structure
2005-7-3
Olivine Structure
一、基础材料－负极材料
一、基础材料－电解液
锂离子电池电解液特性要求
• 能较好的溶解电解质盐，即有较高的介电常数；
• 应有较好的流动性，即低黏度； • 对电池的其他组件应该是惰性的，尤其是充电状 态下的正、负极表面； • 在很宽的温度范围内保持液态，熔点要低，沸点 要高； • 安全性要好，即闪点要高，无毒。
放过充添加剂作用原理
过充时,添加剂发生聚合,形成的聚合物增大电池 内阻，限制充电电流保护电池。典型实例:BP
阻燃添加剂作用原理
阻燃添加剂受热时释放出具有阻燃性能的自由基， 其可以捕获气相中的氢自由基或氢氧自由基，从而阻止 氢氧自由基的链式反应，使有机电解液的燃烧难以进行。
抑制气体生成添加剂
锂离子电池在充电过程中，由于溶剂、电解质锂 盐、杂质的还原分解会产生气体，电池在过充时也会 产生气体，锂离子电池在充放电循环过程中生成的气 体有CO2、CO、O2、CH4、C2H4、C3H6和C3H8。最 主要的产物是CO2，是由于正极活性物质分解和痕量 杂质的反应生成的 。
一、基础材料介绍－正极材料
钴酸锂材料
充电约一半时锂离子脱嵌 （(x≈0.5)，构造上由六 方晶体向单斜晶体转化。 随着锂脱嵌反应的进行氧 的层间距扩大，当一半以 上脱嵌时结构有破坏的趋 势。
为了减少锂离子在 材料内部镶嵌与脱嵌时 引起晶格的变化，以及 改善循环性能和稳定性 能等，材料中部分钴用 其他元素代替，如Ni、 B、Al等。
BYD电池采用贴胶带方式
安全设计的总结
从材料入手提高热稳定性； 阻断热量的持续产生； 加速热量的扩散，防止电池热量过量蓄积。
电压（V）
LiFePO4电池组－10度低温
35
33
常温
31
-10度4.5A放电
29
-10度9A放电
27
-10度18A放电
25
0
1
2
3
4
5
6
7
8
放电容量（Ah）
9
10
Discharge Curves at Different Rate of HEV-LP2770112AB Cell
不同材质隔膜的DSC测试数据
隔膜shutdown功能示意图
常用隔膜基本参数指标
电池性能与隔膜选取之间的关系
一、基础材料－锂离子电池导电剂
Super P； 石墨类导电剂； 纤维状导电剂。
二、电化学基础
Discharge Curves in Different Temperature for 50Ah Winding type Battery 4.25
0.249
10000
15000 20000 25000 T ime/min
30000
35000
40000
N/P的概念；
极组卷芯的不同设计方式
卷绕式； 叠片式； 另类方式。
失效位置分析: 负极片：
失效点集中区域
经过分析，失效点基本锁定在极组芯部，正极插入的位置附近。
在之前moto的SCAR分析中，失效点基本集中在极组侧面和极组芯部两 处。经过对极组入壳半自动工艺的改进，极组入壳挫伤导致电池安全失效的不 良在08年反馈中基本消失。但对极组芯部的失效所采取的措施较少。其中有 12个SCAR反映了极组内部的问题。
锂离子电池电芯设计
主要内容
一、基础材料介绍：
1正极材料，2负极材料，3电解液，4隔膜，5导电剂。
二、电化学基础：
1电池原理，2界面概念，3等效电路概念，4内阻的概 念，5电化学原理的实际体现。
三、极组卷芯设计：
1电极设计，2半电池及三电极测试在材料体系设计中 的应用，3 N/P的影响，4极耳位置对于电池的影响，5 极组卷芯不同形式，6安全设计基础。
在电解液中加入一些添加剂如炔衍生物、硅树脂、 磺酸基化合物、氟化芳香化合物等可抑制气体的生成。
SEI膜形成原理及添加剂作用
一、基础材料－锂离子电池隔膜
锂离子电池隔膜性能要求
电子绝缘； 较小的离子阻抗； 一定的机械强度； 耐受电液、电极材料的腐蚀； 阻止两电极间的杂质的迁移； 具有电液侵润性； 材料品质的稳定性。
极组展开图如下：
Anode Sep Cathode
铝箔与负极活性物 质可能接触点
铝箔与负极活性物 质可能接触点
安全问题改善措施和工艺改进
根据Benchmark和现有的电池设计结构,在这两处所采用的措施为: 1. 加Lamination胶带 2. 剪切位置处于涂敷区域
Sanyo电池采用剪切涂敷区方式
LP463446RF cell inner short simulation test
500
400
Al-anode
300
200
100
0 0
Al-Cu
Cathode-anode Cathode-Cu
20
40
60
80
100
120
140
test time(S)
力神实验结果
安全问题改善措施和工艺改进
根据分析结果，要避免电池在发生内部短路的情况下出现着火或爆炸,应尽 量避免产生铝箔和负极活性物质之间的接触短路。
4
3.75 3.5
3.25
25℃/52Ah(20A) 55℃/48Ah(20A)
Voltage(V)
3
2.75 2.5
2.25
-40℃/46Ah(10A) -40℃/47Ah(20A)
2
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Discharge Capacity(Ah)
安全问题改善措施和工艺改进
铝箔剪切毛刺对电池安全性能的影响.是由于毛刺刺穿隔膜产生短路时, 热量使周遍隔膜收缩,从而造成铝箔和负极涂敷区域的短路.
根据目前的资料和实验结果来看，电池发生内部短路的情况下。铝箔 与负极涂敷区域之间的短路最严重。
来自于：John Zhang的报告
jelly roll temperature(? )
1559/E14/Al
97517
1562/E14 1579/E14 1575/E12 1599/E14
1558/E12 1607/E14 1614/E14 80961/E14
1569/E09 1589/E09
在失效分析中，从负极铜箔的分析来看，基本上都是极组内部的区域出现 事故。
这反应了我们目前对于极组内部的结构和工艺保护措施薄弱。
3.6
3.4
3.2
3.0
2.8
Voltage（V）
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1C 3C 5C 10C
1.4
15C 18C 20C 25C
1.2
30C 35C 40C
1.0
0
1
2
Ca3pacity（Ah）4
5
6
7
Voltage(V)
4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0
0%
安全问题改善措施和工艺改进
由于涂敷突起问题造成电池安全失效的事例在负极不齐头的设 计进行生产时, 发生电池在化成时的爆喷.在SCAR分析中,也出现 了相同的事例
短 涂 敷 面
长 涂 敷 面
安全问题改善措施和工艺改进
对于采用COMMA辊涂敷方式生产的极片,应关注涂敷起始和 末端的突起的控制.
目前,公司工艺对于电极涂敷突起的规定如下:
Charge Curves at Different Rate of HEV-LP2770112AB Cell
1C
2C
3C
4C
5C
6C
7C
8C
9C
10C
12C 15C 18C 20C
10%
20%
30%
40% 50% SOC
60%
70%
80%
90%
三、极组卷芯设计
电极设计： 正负极材料的选择，导电剂比例，粘合剂比
安全问题改善措施和工艺改进
极组芯部的安全失效原因为： 1. 涂敷突起影响极片性能 2. 极片不平整影响热压后隔膜性能 3. 正极片铝箔剪切毛刺 4. 极片掉粉
对于第1和第2种失效，根据严重程度需要进行一定的充 放电循环后才能导致电池出现着火或爆炸，目前无法通过早 期检测手段剔除出来(诸如Hipot，AC漏电仪或自放电筛选)。
EC/DEC 1:1 4.25
沸点
238℃ 242℃ 90℃ 127℃ 108℃
EC/DMC 1:1 5.1
熔点
37℃ -49℃ 3℃ -43℃ -55℃
PC/DEC 1:1 4.35
锂离子二次电池电解液常用添加剂
防过充添加剂； 阻燃剂； 抑制气体生成添加剂； 改善电极SEI膜添加剂。
大粒径、高结晶度对于钴酸锂材料的影响
NCM三元材料
锰酸锂材料
锰酸锂失效机理
结构不稳定
Jahn-Teller distortion
Mn3+ 的溶解
2Mn3+Mn2++Mn4+