總結|疊片式鋰離子電池設計

鋰電聯盟會長 2024-01-19 13:10

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以下資料為疊片式鋰離子電池設計總結，包括容量、結構、極片、隔膜、電解液量等設計。

1、設計容量

為保證電池設計的可靠性和使用壽命，根據客戶要求的最小容量來確定設計容量。

設計容量（mAh）= 要求的最小容量×設計系數 (1)

（1）電池設計系數一般取值1.08±0.01，難度大時可取1.06；

（2）增容型電池設計系數取值要≥1.04。

2.?結構設計

2.1膜腔長度設計

膜腔的長度與電芯的長度有以下關系：

膜腔長度?=?電芯長度-A??（2）

A — 系數，取值由電芯厚度T決定，當

（1）T≤3mm時，對于常規電芯A一般取值4.5mm，大電芯一般取值4.8mm；

（2）3mm＜T≤4mm時，對于常規電芯A一般取值4.8mm，大電芯一般取值5.0mm；

（3）4mm＜T≤5mm時，對于常規電芯A一般取值5.0mm，大電芯一般取值5.2~6.0mm；

（4）5mm＜T≤6mm時，對于常規電芯A一般取值5.2mm, 大電芯一般取值5.4~6.0mm。

2.2膜腔寬度設計

膜腔的寬度與電芯的寬度有以下關系：

膜腔寬度 = 電芯寬度-B（3）

B—系數，一般取值1.0~1.2mm（適用于雙折邊）.

2.3槽深設計

根據電芯的理論疊片厚度T'確定鋁塑包裝膜的槽深H，沖槽深度原則上等于疊片后電芯的厚度。

T'= T_正＋T_負+T_隔膜

= h_正×N_正＋2h_單＋h_負×N_負＋h_隔膜×（N_負＋1）×2 （4）

H = T'±0.1 ?????????（5）

注：上式中由面密度確定的軋片后厚度要根據對應材料壓實密度的下限確定，即疊片厚度要用軋片厚度的上限來計算。

其中：

T_正— 正極片的總厚度；

T_負— 負極片的總厚度；

T_隔膜— 疊成電芯后隔膜的總厚度，隔膜的厚度一般為0.020/0.016mm；

h_正— 正極片（雙面）軋片后的厚度；

h_單— 正極單面極片軋片后的厚度；

h_負— 負極片（雙面）軋片后的厚度；

N_負— 負極片的數量；

h_隔膜— 隔膜的厚度.

3．極片尺寸設計

根據所要設計電池的尺寸，確定單個極片的長度、寬度。

極片長度Lp ：

Lp = 膜腔長度－C? ?（6）

極片寬度Wp ：

Wp = 電芯寬度－D? ? ? ? ?（7）

包尾極片的長度Lp′：

Lp′= 2Lp＋T'－1.0? （8）

包尾極片的寬度Wp′：

Wp′= Wp－0.5? ? （9）

其中：C — 間隙系數，一般取值范圍為3.6~4.0mm；

D — 取值范圍一般為2.5~2.6mm（適用于雙折邊）；

T'— 電芯的理論疊片厚度。

圖1.雙面極片、單面正極包尾極片示意圖

4. 極片數、面密度的確定：

確定極片的數量N，并根據電池的設計容量來確定電極的面密度，電池的設計容量一般由正極容量決定，負極容量過剩。在進行理論計算時，一般正極活性物質的質量比容量取140mAh/g，負極活性物質的質量比容量取300mAh/g。

N =（T-0.2）/0.35±1?（10）

注：計算時N取整，并根據公式（12）計算的面密度值來調整N，常規電池的正極雙面面密度要≤420g/m²，負極雙面面密度≤200g/m²。

S_極片= Lp×Wp? ?（11）

C_設= C_正比×S_極片×N×ρ_正×η_正?（12）

C_負= C_設×υ? （13）

???= C_負比×S_極片×N×ρ_負×η_負（14）

其中：

S_極片— 單個極片的面積；

C_正比— 正極活性物質的質量比容量，一般取值140mAh/g；

η_正— 正極活性物質的百分含量；

ρ_正— 正極極片的雙面面密度（g/m²）；

C_負— 負極的設計容量；

υ — 負極容量過剩系數，一般常規電池取值1.04±0.02；DVD電池以及容量大于2000mAh的一般取值1.07±0.01；

C_負比— 負極活性物質的質量比容量，一般取值300mAh/g；

η_負— 負極活性物質的百分含量；

ρ_負— 負極極片的雙面面密度（g/m²）；

5. 極片厚度的確定：

為保證極片中活性物質的性能發揮，涂布后的極片要進行適當軋片，根據材料的壓實密度來確定不同面密度的極片的軋片厚度。

表1.正負極材料的壓實密度

材料	壓實密度/g/m³
正極材料	3.70±0.20
負極材料BF	1.55±0.10
負極材料MCMB	1.70±0.10

6. 隔膜尺寸的確定

現在使用的隔膜的規格一般為厚度0.020mm、0.022mm的，隔膜的長度Ls、寬度Lt由以下公式確定：

Ls = (Wp+0.5)×(2×N＋2)? （15）

Lt = Lp＋Ψ? ?16）

其中：Ψ — 隔膜寬超出極片的長度，一般取3.0mm.

7. 電解液量的確定

根據電池的設計容量確定電解液的加入量M

M = C_設÷ξ? （18）

其中：

ξ— 一般為270mAh/g.

8. 極耳的選擇

根據電池的寬度和容量來確定極耳的尺寸，可參照下表進行選擇。

表4 電池尺寸、容量與極耳尺寸的關系

電池寬/?mm	容量/mAh	極耳寬/mm
＜20	——	2.0
≥20	＜1200	3.0/4.0
≥20	≥1200	5.0

9．疊片類厚度設計計算公式

根據公式判定電芯厚度是否滿足客戶要求，可參照以下公式進行：

成品電芯厚度T ＜正極壓片厚度×（疊片對數-1）+負極壓片厚度×疊片對數+正極單面厚度×2+（疊片對數×2+2）×隔膜厚度+疊片對數×膨脹系數+包裝膜厚度×2

其中膨脹系數如下表

正極面密度	膨脹系數
360～380?g/m²	0.050mm
381～400?g/m²	0.055mm
401～420?g/m²	0.060mm

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