化学电源设计基本步骤

4.4 电池设计的一般步骤
电池设计主要包括“电池参数计算”和“电池工艺制定”两个方面内容。本节主要介绍 “一般基本计算”和“设计一般步骤” 。 1、电池组中单电池数目、工作电压、工作电流密度 根据用电器具等要求的工作总电压、工作电流等指标，参考选定的电池系列（如镍氢电 池、锂离子电池、铅酸电池、燃料电池、银锌电池等系列）的伏安曲线（实验所得或者经验 数据、理论数据等）确定。 1）单体电池数目的确定：
由于每片电极物质用量＝
单电池物质用量 ，那么，极片的厚度为： 单电池极片数
每片极片的平均Biblioteka Baidu度＝
每片极片物质用量 +集流体厚度 物质密度 极片面积 (1-孔隙率)
其中：集流体厚度＝
集流体质量 （或者选定） 物质密度 集流体网格面积
6、隔膜的选择与厚度、层数的确定 不同的电池系列，应选用不同的隔膜材料。
（2011.4 Edited by ZHB） 4.1 电池设计的目标与实现
1、电池设计的目标 1）电池设计是为了满足用电器具、设备、电动机等的要求而进行的。 一方面：为了满足用电器具、设备、电动机提供最佳使用性能的工作电源； 另一方面：为电池制造商创造最大的利润。 要求：1）设计的电池产品具有最低的制造成本、最优化的性能； 2）合理的设计是电池产品的性能和产品成本的平衡； 3）较少构成电池各个部件的投料成本和提高生产效率； 降低投料成本可能影响电池产品某些性能的降低，为了客服电池性能的这种降低，必 须提高电池投料的有效利用。如降低电池无效投料，增加活性材料的利用率，以提高电池产 品的成品率（合格率） 。 因此，电池设计的终极目标是：实现物质效用的最大化。 2、电池设计终极目标是实现 实现电池设计终极目标的基本方法是：提高生产效率、提高投料利用率。 实现电池合理有效投料过程，就是电池设计“终极目标的实现” 。 1）有效投料是指生产过程中，所投物料完全被有效利用； 2）提高效率是指，减少生产过程中无力损失和浪费，降低次品率等；单位电池而言主要是 提高活性物质的利用率。 如：在保证电池性能要求的前提条件下，尽可能降低气体组成部件的投料成本，如降低电池 壳材料成本、选择合理的电解液、组成和用量等。 3、电池设计内容应包括： 1）工艺设计：工艺设计应包括“材料选择工艺方式的选择与实现、工艺流程（投料顺序） 与前后工序间的合理衔接、确定工艺与工装设备之间的关系”等。 2）工艺计算：工艺计算应包括“材料选择工艺参数工艺配方的确定、物料恒算、不同工序 间的合理配制”等。 3）结构设计：主要包括“电池各个组成部分结构及其排列方式”等。 三种设计之间不是孤立的，而是相互关联、相互影响的。
单体电池数目＝
电池组的工作电压 单体电池工作电压
2）选定单电池工作电压和工作电流密度： 根据选定系列电池的伏安曲线， 确定单电池的工作电压和工作电流密度。 同时考虑制造 工艺（制造方式、电极结构等）的影响，以及电流密度对工作电压及活性物质利用率的影响 等。 2、电池电极总面积、电极数目的计算 极片总面积（cm2）＝
1）碱性介质选择耐碱隔膜、酸性介质选择耐酸隔膜。 2）隔膜的层数、厚度根据隔膜本身性能及电池系列特性以及具体设计电池的性能要求 确定。 7、电解液浓度、用量 电解液的浓度、 用量要根据选定的电池系列特性以及结合设计电池的使用条件 （如工作 电流、工作稳定性等）确定，或者根据经验数据选定。 通常情况下，达到最佳工作性能的电解液用量为宜。电解液多，不一定就能增加电池工 作性能，甚至影响电池工作性能，且增加生产成本；电解液少，会使得电池电极及隔膜不能 湿透，增加电池内阻，影响电池正常工作。 8、电池装配松紧度、单电池容积体积 装配电池松紧度，由单电池极板总厚度、隔膜厚度及电池内径决定。
松紧度＝
单电池极片总厚度+隔膜厚度 100% 单电池内径
圆柱形电池，可以通过横截面积计算。
松紧度＝
极片总长度+隔膜总长度 隔膜厚度 100% 电池截面积
考虑到电池充放电过程中存在类似“偏摩尔效应” ，因而在设计电池时，必须保证电池 有一定的松紧度。 其具体数值需根据选定的系列电池特性及设计电池的厚度确定， 一般为经 验值的 80～90%左右为宜。 单电池或者电池组容器的尺寸，要根据电池的内径及电极尺寸来确定。 学习要求： 1、理解电池设计的目标与实现； 2、掌握电池设计的基本过程； 3、了解电池设计有关的基本概念； 4、掌握电池设计的一般步骤及有关计算。
活性物质也要“纯” （减少自放电） ，有时候则要有适当的掺杂（提高过电位、提高活性 材料导电性）等。 2）集流体：集流体的作用是传导电流和支撑活性物质。因此集流体必须具备良好的导电性 能和足够的机械强度。还有足够的“化学稳定性” 。 3）隔膜：足够的机械强度、对电子绝缘、对离子传导。抗氧化、还原等。 4）电解液：高导电率（导电性能好） 、电阻小；组成电池数量适当。 电池性能设计是“目标设计” ，即性能指标是电池设计的“应达值” ，要实现性能设计必须通 过电池的“结构设计”来实现。 3、电池的结构设计 根据电池性能设计的要求以及用电器具等对电池“体积”或者“质量（重量） ”的要求， 电池结构设计是为了实现合理有效投料，降低电池内阻而进行电池（组）结构、单体电池结 构、封口结构等方面的设计。 1）电池（组）结构设计：主要包括单电池结构设计、单电池间连接方式（即“电池组” ） 的设计。 2）单体电池结构设计：主要包括“电极结构、正负极排列方式设计、隔膜结构设计、 电解液用量设计、电池壳设计、封口结构件设计”等。 3）其它部件设计：盖帽、极柱、导电板的设计，散热（保温） 、包装等等的设计。轻巧、 美观、实用。 4）电池体积的“偏摩尔效应” ：电池在充放电过程中体积或发生膨胀或者收缩，这可能 导致电池早早“失效” 。电池体积设计“留有余地” 。 4、电池的安全设计 电池的安全性：是指在电池正常使用以及合理的、可以预见的误用的情况下，电池的安 全使用性能。 电池的安全设计就是“实现电池具有安全性的过程” 。 一般安全性设计应满足： 1）通过设计防止温度异常升高，超过生产厂家的规定值； 2）通过设计控制电池内部温度升高； 3）通过设计电池可以释放过高的电池“内压” （电池内部气体所产生的压强） 。
单体电池限制电极活性物质用量＝
设计容量 电化学当量 利用率
2）非限制电极活性物质用量计算：
单体电池非限制电极活性物质用量＝
设计容量 电化学当量 ×过剩系数 利用率
单体电池非限制电极活性物质过量，一般为：1<过剩系数<2。 3）电极活性物质利用率的确定： 第一，电极厚度对活性物质利用率也有影响。随厚度的增加利用率降低。 第二，不同放电倍率条件下，活性物质利用率不同。低倍率利用率高，反之利用率高。 综合考察电极活性物质利用率。 5、电池正、负极平均厚度
4.3 电池设计前的准备
为了达到最优化的设计指标， 在设计电池之前， 首先必须了解用户对电池性指标的要求 以及电池的使用条件。通常包括如下内容： 1）电池的工作电压即要求的电压精度； 2）工作电流：即正常放电电流即峰值电流；
3）工作时间：包括间歇或连续放电时间，以及（循环）使用寿命； 4）工作环境：包括电池的工作状态、环境温度等等； 5）电池允许的最大体积和质量。 根据以上几个方面的要求条件， 选择合适的电池系列， 同时结合一下一些问题进行考虑： 1）材料来源：经济、实用、环保、易于生产。 2）电池性能的决定因素：活性物质，电解液，电池结构、形状、尺寸。 3）电池性能：工作电压平稳、工作温度宽、贮存性能好、循环使用寿命长。 4）电池工艺：电极制造与选择（片、多孔、压成、涂膏、烧结、发泡、粘接、电沉积、 纤维式、气体扩散电极（锌-空气电池、燃料电池用）等等） 、电池的装配（单电池、电池组 等等） 5）经济效应：经济效应最大化。 6）清洁生产：环境友好、回收利用方便、生产和使用无污染。
工作电流(mA) 工作电流密度(mA/cm 2 )
极片总面积 极片面积
电极数目＝
注意：方形电池电极片还应考虑长宽比。 3、电池容量计算 1）额定容量：额定容量（Ah，安时）由要求 额定容量＝工作电流×工作时间 2）确定设计容量：通常情况下，为了保证电池的可靠性和使用寿命，电池的设计容量 应大于额定容量的 10～20%。而银锌电池设计容量大于额定容量的 20～50%。 4、电池正、负极活性物质用量计算 1） 根据限制电极活性物质的 “电化学当量” （摩尔质量/电极电化学的转移电子数＝M/n） 、 设计容量及活性物质的利用率，计算单体电池中“控制电极” （决定电池容量大小、高低的 电极，一般为正极。 ）的活性物质用量。
对于多数常规电池而言， 电池的生产工艺方式、工艺流程、电池结构、工装设备、电池材料、 电池配件等都是基本“定型”的，所以，电池的设计过程则侧重电池的“工艺计算”上。 本质而言：电池设计终极目标的实现，是“实现化学能的最大限度地向电能转化的过程” 。
4.2 电池设计的基本程序
电池设计的基本程序一般包括四个步骤： 1）综合分析，找出关键问题； 2）性能设计； 3）结构设计； 4）安全设计。 1、综合分析 根据电池与用电器具等之间的关系，主要考虑两个方面的问题： 1）用电器具所要求的主要性能（技术）指标： 工作方式（连续、间歇、固定、移动等） 、工作电压、电压精度、工作电流、工作时间、机 械负荷、使用寿命、工作环境（压力、温度）等； 2）电池设计所能达到的技术水平与制造成本。 2、电池性能设计 设计要解决关键问题。 经验、 实验数据的基础上主要考虑： 工作电压、 工作电流、 容量、 寿命等方面的设计。 1）工作电压的设计：依据用电器具等的电压要求，确定电池（电池组）以及单电池的 开路电压与指定“放电制度”下的工作电压、工作电压精度。 2）工作电流设计：依据用电器具等的电流要求，确定电池（电池组）峰值电流以及指 定“放电制度”下的工作电流、工作电流精度；如汽车启动电源、手机电池等在启动、工作 与待机状态等要求的电流不同。汽车发动时、手机打接电话时的要求电流为“峰值电流” ， 而汽车照明、手机待机时要求的电流为“工作电流” 。 3）容量设计：依据用电器具等所要求指定“放电制度”下的最低容量值，确定电池（电 池组）的额定容量、设计容量。由电池设计容量确定活性物质用量。 4）寿命设计：依据用电器具等所要求指定“放电制度”下的要求寿命，确定电池（电 池组）的贮存寿命、循环使用寿命等。 寿命设计：是选择电池相关材料、性能及其纯度的基础。 电池主要部件的设计要求如下： 1）活性物质：优选法、正交设计法等。电极工艺配方、活性物质与添加剂、导电剂等比例 等；活性物质的粒径、氧化度以及成型电极的孔隙率等。