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总结|叠片式锂离子电池设计

锂电联盟会长 2022-11-29 11:14
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以下资料为叠片式锂离子电池设计总结，包括容量、结构、极片、隔膜、电解液量等设计。


1、设计容量
为保证电池设计的可靠性和使用寿命，根据客户要求的最小容量来确定设计容量。
设计容量（mAh）= 要求的最小容量×设计系数 (1)
（1）电池设计系数一般取值1.08±0.01，难度大时可取1.06；
（2）增容型电池设计系数取值要≥1.04。
2. 结构设计
2.1膜腔长度设计
膜腔的长度与电芯的长度有以下关系：
膜腔长度 = 电芯长度-A  （2）
A — 系数，取值由电芯厚度T决定，当
（1）T≤3mm时，对于常规电芯A一般取值4.5mm，大电芯一般取值4.8mm；
（2）3mm＜T≤4mm时，对于常规电芯A一般取值4.8mm，大电芯一般取值5.0mm；
（3）4mm＜T≤5mm时，对于常规电芯A一般取值5.0mm，大电芯一般取值5.2~6.0mm；
（4）5mm＜T≤6mm时，对于常规电芯A一般取值5.2mm, 大电芯一般取值5.4~6.0mm。
2.2膜腔宽度设计
膜腔的宽度与电芯的宽度有以下关系：
膜腔宽度 = 电芯宽度-B（3）
B—系数，一般取值1.0~1.2mm（适用于双折边）.
2.3槽深设计
根据电芯的理论叠片厚度T'确定铝塑包装膜的槽深H，冲槽深度原则上等于叠片后电芯的厚度。
T'= T正＋T负+T隔膜
= h正×N正＋2h单＋h负×N负＋h隔膜×（N负＋1）×2 （4）
H = T'±0.1          （5）
注：上式中由面密度确定的轧片后厚度要根据对应材料压实密度的下限确定，即叠片厚度要用轧片厚度的上限来计算。
其中：
T正— 正极片的总厚度；
T负— 负极片的总厚度；
T隔膜— 叠成电芯后隔膜的总厚度，隔膜的厚度一般为0.020/0.016mm；
h正— 正极片（双面）轧片后的厚度；
h单— 正极单面极片轧片后的厚度；
h负— 负极片（双面）轧片后的厚度；
N负— 负极片的数量；
h隔膜— 隔膜的厚度.
3．极片尺寸设计
根据所要设计电池的尺寸，确定单个极片的长度、宽度。
极片长度Lp ：
Lp = 膜腔长度－C   （6）
极片宽度Wp ：
Wp = 电芯宽度－D         （7）
包尾极片的长度Lp′：
Lp′= 2Lp＋T'－1.0  （8）
包尾极片的宽度Wp′：
Wp′= Wp－0.5    （9）
其中：C — 间隙系数，一般取值范围为3.6~4.0mm；
D — 取值范围一般为2.5~2.6mm（适用于双折边）；
T'— 电芯的理论叠片厚度。
图1.双面极片、单面正极包尾极片示意图
4. 极片数、面密度的确定：
确定极片的数量N，并根据电池的设计容量来确定电极的面密度，电池的设计容量一般由正极容量决定，负极容量过剩。在进行理论计算时，一般正极活性物质的质量比容量取140mAh/g，负极活性物质的质量比容量取300mAh/g。
N =（T-0.2）/0.35±1 （10）
注：计算时N取整，并根据公式（12）计算的面密度值来调整N，常规电池的正极双面面密度要≤420g/m2，负极双面面密度≤200g/m2。
S极片= Lp×Wp   （11）
C设= C正比×S极片×N×ρ正×η正 （12）
C负= C设×υ  （13）
   = C负比×S极片×N×ρ负×η负（14）
其中：
S极片— 单个极片的面积；
C正比— 正极活性物质的质量比容量，一般取值140mAh/g；
η正— 正极活性物质的百分含量；
ρ正— 正极极片的双面面密度（g/m2）；
C负— 负极的设计容量；
υ — 负极容量过剩系数，一般常规电池取值1.04±0.02；DVD电池以及容量大于2000mAh的一般取值1.07±0.01；
C负比— 负极活性物质的质量比容量，一般取值300mAh/g；
η负— 负极活性物质的百分含量；
ρ负— 负极极片的双面面密度（g/m2）；
5. 极片厚度的确定：
为保证极片中活性物质的性能发挥，涂布后的极片要进行适当轧片，根据材料的压实密度来确定不同面密度的极片的轧片厚度。
表1.正负极材料的压实密度
材料
压实密度/g/m3
正极材料
3.70±0.20
负极材料BF
1.55±0.10
负极材料MCMB
1.70±0.10
6. 隔膜尺寸的确定
现在使用的隔膜的规格一般为厚度0.020mm、0.022mm的，隔膜的长度Ls、宽度Lt由以下公式确定：
Ls = (Wp+0.5)×(2×N＋2)  （15）
Lt = Lp＋Ψ   16）
其中：Ψ — 隔膜宽超出极片的长度，一般取3.0mm.
7. 电解液量的确定
根据电池的设计容量确定电解液的加入量M
M = C设÷ξ  （18）
其中：
ξ— 一般为270mAh/g.
8. 极耳的选择
根据电池的宽度和容量来确定极耳的尺寸，可参照下表进行选择。
表4 电池尺寸、容量与极耳尺寸的关系
电池宽/ mm
容量/mAh
极耳宽/mm
＜20
——
2.0
≥20
＜1200
3.0/4.0
≥1200
5.0
9．叠片类厚度设计计算公式
根据公式判定电芯厚度是否满足客户要求，可参照以下公式进行：
成品电芯厚度T ＜ 正极压片厚度×（叠片对数-1）+负极压片厚度×叠片对数+正极单面厚度×2+（叠片对数×2+2）×隔膜厚度+叠片对数×膨胀系数+包装膜厚度×2
其中膨胀系数如下表

正极面密度
膨胀系数
360～380 g/m2
0.050mm
381～400 g/m2
0.055mm
401～420 g/m2
0.060mm

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