铝壳锂离子电池设计
浅论锂离子电池模组以及结构设计
浅论锂离子电池模组以及结构设计摘要：随着锂电池的快速发展，锂电池模拟器开始被研究人员提出，并进行了深入的研究。
模拟锂电池不同的特性，比如放电电流大小不同、容量不同，锂电池模拟器方案就会有所改变。
目前，锂电池模拟器中现有两种方案，一种是数字电压源结构模拟方案和三相电压型脉冲宽度调整变换结构模拟方案。
众所周知，从锂电池单体电芯到自动化模组再到生产线的整个过程中，组装线的自动化程度是决定产品质量与生产效率的重要因素。
本文介绍了软包锂离子电池模组的常见形式，对其设计过程中的结构设计、电气设计以及热管理设计的设计要点进行了简要说明。
关键词：锂离子电池模组结构设计引言：锂离子动力电池目前广泛应用于电动汽车领域，是电动汽车的重要组成零部件之一，其安全性、能量密度等性能对车辆性能有重要影响，电池模组是动力电池的重要组成部分，其自身的机械强度，电性能，热性能和故障处理能力，直接影响到整个动力电池系统的性能，而动力电池系统的性能表现又决定了电动车辆的整体性能。
因此，动力电池模组设计，已成为电动车辆开发中的重要一环。
目前，市场上常见的锂离子动力电池单体，按照封装方式基本上可以分为铝壳方形电池、招塑膜软包电池和圆柱形电池等三种，本文主要探讨铝塑膜软包电池的模组设计。
一、锂离子电池模组简介目前，由于市场上各家汽车厂商的要求不同，几乎没有一家的模组和生产工艺是一样的，而这也对自动化产线提出了更多的要求。
好的自动化生产线除了满足以上硬件配置和工艺要求以外，还需要重点关注兼容性和“整线节拍”。
由于模组的不固定，故来料的电芯、壳体、PCB板、连接片等都可能发生变化，产线的兼容性也就显得尤其重要。
对于当前的动力电池行业来说，模组的自动化程度要求都比较高，又因其工艺的复杂程度、工作环境的要求等，应用机器人和专用设备的优势显而易见。
二、锂离子电池模组系统原理功放型推挽式线性结构模拟电池模组，其主要作用是为各类芯片供电。
该结构方案主要包括充电回路和放电回路。
锂离子电池设计
Pocket 内坑深度(＜5.05mm，单坑；＞5.05mm，双坑)= (电芯平均厚度 - 2*铝塑膜厚度)/1.08
隔离膜宽度
隔膜宽度= pocket内坑长度+0.5~0.6mm
顶封区
倒角0.6
阳极 隔离膜
数据比较：
Source
SS-FSN-1 BTR-818
Particle Size (D10)(μm)
6.7
10.8
Particle Size (D50)(μm)
14.5
18.0
Physical Particle Size (D90)(μm)
28.9
29.8
BET (m2/g)
1.23
1.39
Design density (g/cm3)
Length
Width
58.53
32.00
菱形卷针示意图
Input information
Width margin 0.85
T1
1.2
T2
0.8
Swelling
1.08
Angle (α)
10
LS
3.0
LS（ min)
2.7
Rhombic mandrel
Single piece width
Complex width
电芯设计原则
安全
Cell balance Overhang
超越客户期望
材料和配方的选取 工序控制
电芯设计思路
客户规格(T、L、W、Cap) Pocket内坑尺寸(L、W) 隔膜宽度(W) 正负极极片宽度(W) 卷针尺寸 正负极极片尺寸(L)
铝壳锂离子电池工艺流程图
标准文件文件名称：铝壳电池配料车间工艺流程页码 1正极配料负极配料正极称料原材料准备正极料烘烤正极混料搅拌正极筛料转涂布负极称料原材料准备负极混料搅拌负极筛料转涂布标准文件 文件名称：铝壳电池涂布车间工艺流程页 码1第一面准备 转制片 正极涂布测单面面密度 转制片负极涂布第二面准备 测双面面密度 第一面准备测单面面密度第二面准备测双面面密度测单面标准厚度测双面标准厚度 测单面标准厚度测双面标准厚度标准文件 文件名称：铝壳电池制片车间工艺流程页 码1准备正极制片 准备转装配负极制片极片全检裁大片转装配极片全检超焊极耳裁小片大片对辊极片烘烤铆焊极耳裁大片连片对辊裁小片极耳包胶极片除尘极片烘烤抽检称重分档抽检称重分档正极耳制作负极耳制作标准文件生效日期2009-9-17 文件名称：铝壳电池装配车间工艺流程页码 1卷绕全检电芯压芯包底胶纸贴上胶纸入壳正极超焊负极点焊折极耳离心合盖板测短路、全检发片与隔膜加隔圈抽检、刷片吸尘转激光焊标准文件生效日期2009-9-17 文件名称：铝壳电池激光焊车间工艺流程页码 1准备测漏气测短路转注液激光焊焊短边焊长边全检生效日期2009-9-17 标准文件文件名称：铝壳电池注液车间工艺流程页码 1注液准备注液前烘烤降温注液封胶纸清洗（三次）包纸巾高温活化转化成生效日期2009-9-17 标准文件文件名称：铝壳电池化成车间工艺流程页码 1注液后电池准备化成测电压抽真空剥纸巾钢珠封口清洗高温老化全检转分容标准文件 文件名称：铝壳电池分容车间工艺流程页 码1入 库容量全检检 测平台分选容量分选平台分选标准文件 文件名称：铝壳电池包装车间工艺流程页 码1准备测电压、内阻外观全检包装测厚度出库贴面垫喷码装盒 装箱测电压标准文件 文件名称：铝壳电池制片车间工艺流程页 码2准备复合带加工裁复合带转装配超焊复合带定复合带。
方形铝壳锂离子电池负极与壳体的电压提升方法
方形铝壳锂离子电池负极与壳体的电压提升方法1. 使用高比表面积的负极材料：选择高比表面积的负极材料，如石墨烯或纳米硅等，可提高电池的负极活性物质与壳体之间的接触面积，从而提高电池的电压。
2. 优化负极活性物质结构：通过微观调控负极活性物质的结构，如调控颗粒大小、形状等，可以增加与壳体之间的接触面积，提高电压。
3. 涂覆导电涂层：在负极活性物质表面涂覆一层导电涂层，能够增强活性物质的电导率，提高负极与壳体之间的电子传输效率，从而提高电池的电压。
4. 采用高容量的锂储存材料：选择具有高比容量的锂储存材料，如多孔碳或硅基负极材料，能够增加电池的能量密度，从而提高电压。
5. 优化电池结构设计：通过设计合理的电池结构，如增加负极与壳体之间的接触面积，改变电极排列方式等，可以提高电池的电压性能。
6. 混合导电添加剂：在负极活性物质中添加一定比例的导电添加剂，如碳黑或碳纳米管等，可以提高活性物质的导电性，增强其与壳体的电子传输能力，提高电压。
7. 使用导电高分子材料：采用导电高分子材料作为负极添加剂，能够提高负极的导电性能，增强与壳体之间的电子传输效率，提高电池的电压。
8. 表面修饰处理：对负极活性物质进行表面修饰处理，如化学改性或纳米材料修饰等，有助于提高与壳体之间的接触性能，提高电池的电压。
9. 优化电解质配方：选择合适的电解质组分及浓度，能够改善电极与电解质之间的界面性能，提高电池的电压输出。
10. 采用新型电解质：使用具有高离子传导性和稳定性的新型电解质，可以提高电池的循环稳定性和电压性能。
11. 提高负极的充放电速率：通过优化负极材料的微观结构或添加导电添加剂等方式，提高负极的充放电速率，可以提高电池的电压输出。
12. 优化封装工艺：改善电池的封装工艺，如提高壳体与负极之间的紧密度，减少内阻，有利于提高电池电压。
13. 采用多级混合材料：使用多级混合材料作为负极活性物质，可以增加电池的容量和循环寿命，提高电压输出。
铝壳方型锂离子电池厚度分析
2021/5/27
5
水分对电池厚度影响
一、转序时间 实验方案
一批极组分为3组，每组500只，每组依次增加卷绕-装配、装配-周边焊、周边焊-电池烘干周转时间 ，同时在 每个周转过程中分别测试3只烘前及3只烘后电池内部水分含量（隔膜+正极+负极）实验前首先测试3只未经 放置的极组水分含量作为参考其均值为302；对比三组电池分选后厚度。
2021/5/27
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水分对电池厚度影响
二、水分测试实验 卡尔费休水分测试原理
电池内部正极片、负极片、隔膜水分含量一般是在ppm级别，因此一般使用卡尔费休法对 其水分含量进行测量，水分测试原理为一种电化学反应，水参与碘、二氧化硫的氧化还原反应， 在吡啶和甲醇存在的情况下，生成氢碘酸吡啶和甲基硫酸吡啶，消耗了的碘在阳极电解产生， 从而使氧化还原反应不断进行，直至水分全部耗尽为止，依据法拉第电解定律，电解产生的碘 同电解时耗用的电量成正比例关系的，其反应如下：
的水分 ，因此为控制电池内整体水分含量需要对原材料、生产过程、生产环境、电池制造工
艺等进行严格控制 ，首先从电池内部水分控制的角度进行分析，主要包括转序时间、烘干、
环境湿度三个方面。
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水分对电池厚度影响
一、转序时间
方型电池主要生产工序
本次课题主要研究的转序过程为极组卷绕到电池烘干，因为这几道工序均在非干燥环境下完成， 因此对电池内水分含量影响较大
标准序 运行序 中心点 区组 温度 压力 时间 ΔH均值
5
1
1
1 50 0.35 60 0.1625
7
2
1
1 50 0.65 60 0.195
8
3
1
191119 方形锂离子电池设计要求
5
设计要求
11/19/2019
1.2负极材料组成
• 负极：方型材料主要是天然改性石墨，人造石墨使用很少，只是在满足特殊性 能时，才和天然石墨混合使用，并且所占比例较小。
C
SP
CMC
SBR
目前方型所用主要负极体系： 1. C：SP：CMC：SBR：H2O=100 ：1.0 ：1.45 ：2.6：74； 2. C1：C2：SP：CMC：SBR：H2O=50：50 ：1.0 ：1.45 ：2.6：74；
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设计要求
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1.3隔膜电解液
• 隔膜：起到电子绝缘、离子导通的作用，其孔径大小、孔隙率、闭合温度、厚 度对电芯性能有着重要影响。方型使用的隔膜有三种类型，PP/PE/PP三层复合 隔膜、单层PP隔膜和单层PE隔膜。厚度规格16um和20um，16um为主。
三层复合隔膜
单层PP隔膜
2. 极片保护：1).隔膜保护，设计上要求隔膜必须能够包住负极,富余量与隔 膜种类和制程能力有关，热收缩大的隔膜相对预留就更大些，2). 敷料边缘贴 胶保护，现有设计是正极贴四片胶保护，负极尾端落在胶纸范围内；
3. 极耳保护：1).避免极耳与极片接触，在正负极耳接近极片处采用胶纸保 护；2).避免负极极耳碰壁，极耳折成 “S” 的形状，从而使其距壳壁的距离 达到最大，并采用隔圈保护，隔圈的两翼处于极耳与壳体之间，起到隔离的作 用；
1). 电芯的工作电压，电压的使用范围； 2).电芯的工作电流，即正常充放电电流和峰值电流； 3).电芯的工作时间，包括连续放电时间，使用期限或循环寿命；
4). 电芯的工作环境，包括电池工作时所处状态及环境温度； 5).电芯的最大允许体积； 6).安全与可靠性测试要求；
锂离子动力电池铝壳壳体电位研究
锂离子动力电池铝壳壳体电位研究作者：蔡晓利郭毓优来源：《河南科技》2016年第23期摘要：分析影响锂离子动力电池外壳电位的影响因素，结果表明：壳体表面残留的电解液，电芯外层隔膜破损，极耳包胶不完整均会影响壳体电位；正极对壳体电位超过1V，会导致壳体腐蚀的发生。
为避免壳体发生腐蚀，通常采用的方法有对电芯外部增加绝缘保护袋，在铝壳内部增加绝缘保护涂层，对极耳进行绝缘胶纸全覆盖。
关键词：锂离子动力电池；铝壳电位；腐蚀中图分类号：TM912 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2016）12-0142-02由于环境污染严重以及石油能源的危机，锂离子电池以其高的能量密度、环境友好等优点，得到重点关注。
其中铝壳锂离子电池，由于铝来源广且价格相对较低，质轻、具有延展性、易加工、重量比能量高等优点被广泛应用。
为了防止壳体腐蚀，目前采用的是正极和盖板导通的方法，以降低正极对壳体的电位，理论上正极和壳体导通后正极与壳体间的电压应为0V，但实际生产过程中出现了正极和壳体间电压大于0V的电池，现对这部分电池进行研究，分析其异常原因，并制定纠正措施。
1 电池的制备正极材料磷酸铁锂与导电石墨、PVDF和NMP溶剂混合，搅拌成正极浆料，浆料涂布在铝箔上，通过辊压，制片得到正极片；负极石墨与导电石墨，粘结剂与去离子水混合，搅拌成负极浆料，浆料涂布在铜箔上，通过辊压，制片得到负极片；在叠片机上，将正、负极片与隔膜通过叠片的方式制成电芯，再通过电芯装配将电芯放入铝壳中，激光封口后，注液形成电池。
电池化成之后，进行容量测试，容量测试最后工步将电池荷电状态调整为30%SOC，对应的电池电压为3.285～3.305V；定容工步完成之后测试正极对壳体电压。
2 结果与讨论2.1 壳体电压的形成图1为电池电压与正负极对壳体电压之和的对比。
对正负极间电压以及正极对壳体电压、负极对壳体电压分别进行测试，正极参比壳体与负极参比壳体之和基本上与电池电压相一致。
铝壳电芯的正负极-概述说明以及解释
铝壳电芯的正负极-概述说明以及解释1.引言1.1 概述铝壳电芯是一种新型的电池技术，其由正负极材料和电解质组成。
铝壳电芯相比于传统电池具有许多优势，如轻量化、寿命长和安全性高。
在铝壳电芯中，正极材料是承载电荷的一端，它能够释放电子并产生电流。
常见的正极材料有锰酸锂、钴酸锂和磷酸铁锂等。
这些材料能够提供稳定的电荷和放电性能，从而保证电池的正常运作。
而负极材料则是接收电子的一端，它能够存储电荷并在需要时释放。
目前常见的负极材料有石墨和金属锂等。
这些材料具有高的电导率和可逆嵌入/脱嵌能力，使得电池能够实现可靠的充放电循环。
与传统的钢壳电芯相比，铝壳电芯具有更轻量化的特点。
铝壳电芯采用铝合金作为外壳材料，不仅具有较高的强度和耐腐蚀性，同时还能够有效减轻电池的整体重量。
这使得铝壳电芯成为电动汽车和便携式电子产品等领域的理想选择。
此外，铝壳电芯还具有更长的寿命和更高的安全性。
铝壳电芯采用了更先进的制造工艺和材料，使得电池的充放电效率更高，同时能够在极端环境下具备更好的稳定性。
同时，铝壳电芯的电解质也经过优化，能够有效提升电池的安全性能，减少因电池过热等问题引发的意外事故。
基于以上优势，铝壳电芯在多个领域得到了广泛的应用。
汽车电池是其中的重要应用之一，铝壳电芯的轻量化特性使得电动汽车能够提供更长的续航里程。
同时，便携式电子产品如智能手机和平板电脑也选择了铝壳电芯，以保证产品的轻薄设计和持久的电池续航能力。
此外，铝壳电芯在储能系统中的应用也越来越广泛，能够提供稳定可靠的储能解决方案。
综上所述，铝壳电芯作为一种新型电池技术，具有轻量化、寿命长和安全性高等优势。
随着科技的不断发展和应用场景的拓宽，铝壳电芯有着广阔的发展前景。
它必将在各个领域发挥重要作用，为我们的生活带来更多便利和可持续的能源解决方案。
1.2 文章结构文章结构部分的内容如下：文章结构的安排是为了更好地组织和呈现本文中关于铝壳电芯的正负极的内容。
本文将分为三个主要部分，即引言、正文和结论。
锂离子电池极片结构
锂离子电池极片结构设计锂离子电池极片设计最基本的原则是保证负极粉料覆盖正极粉料区域、卷绕后卷芯均匀性、卷芯收尾位置合理性，电芯使用过程电池的电性能、寿命、安全性得到保障。
正、负极结构按可以简单地分类成正极包负极结构、负极包正极结构，下面列举几种电芯极片结构。
方形多卷芯卷绕储能动力电池极片结构图1 方形多卷芯卷绕储能动力电池正极极片结构1图2 方形多卷芯卷绕储能动力电池负极极片结构1方形多卷芯卷绕储能动力电池极片结构分正极包负极类结构、负极包正极类结构。
图1、图2为正极包负极类极片结构，图3 方形多卷芯卷绕储能动力电池正极极片结构2图4 方形多卷芯卷绕储能动力电池负极极片结构2图3、图4为负极包正极结构，方形卷绕聚合物电池极片结构图5方形卷绕聚合物正极极片结构图6方形卷绕聚合物负极极片结构方形软包型锂离子电池极片结构主要为正极包负极结构为主，正负极结构见图5、图6。
方形铝壳数码电池极片结构图7 方形铝壳正极极片结构图8 方形铝壳负极极片结构方形铝壳数码型锂离子电池极片结构为正极包负极结构，正负极结构见图7、图8。
方形多极耳卷绕储能动力电池极片结构图9方形多极耳卷绕储能动力电池负极极片结构图10 方形多极耳卷绕储能动力电池正极极片结构方形多极耳锂离子电池极片结构为负极包正极结构,极片结构见图9、图10。
方形叠片电池结构图11 叠片电池正极片结构图12 叠片电池负极片结构圆柱钢壳电池正、负极片结构如下图图13 圆柱电池负极极片结构图14 圆柱电池正极极片结构1图15圆柱电池正极极片结构2圆柱钢壳型锂离子电池极片结构为负极包正极结构，正负极结构见图13、图14、图15圆柱软包电池极片结构图16圆柱软包负极极片结构图17圆柱软包正极极片结构圆柱软包型锂离子电池极片结构为正极包负极结构，正负极结构见图16、图17。
正极片结构为极耳在头部位置，正极极耳位长约为极耳宽+（1～2）mm，极片尾部外圈光箔位长度约卷芯外径*3.14，内圈光箔位长度约为1～2mm；负极片极耳亦位于极片头部。
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铝壳锂离子电池设计
一、铝壳锂离子电池设计的内容
铝壳锂离子电池设计包括：1、五金设计2、电芯设计
五金设计包括：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、正负极负料设计
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。
二、五金件设计
1、电池尺寸参数
厚度Hο、宽度Wο\高度Lο
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
宽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=（0.2~0.4）
mm；侧壁厚=（0.3~0.4）mm；底厚=（0.5~0.6）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）
三、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≈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）
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 隔膜纸厚度（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
正极片宽度=负极片宽度-（1~2）mm
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*（1.025~1.045）/(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）
四、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=（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
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+铜箔厚度
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、电池空隙率
3.1 电池空隙率=（铝壳内部空间-正极所占空间-负极所占空间-铜箔铝箔所占空间-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=负极料量/负极实密度
铜箔所占空间=铜箔长度*铜箔宽度*铜箔厚度
铝箔所占空间=铝箔长度*铝箔宽度*铝箔厚度
隔膜纸所占空间=隔膜纸长度*隔膜纸宽度*隔膜纸厚度
3.2 注液系数
注液系数=注液量/电解液密度/（铝壳内部空间*电池空隙率）≈（0.7~0.9）。