软包卷绕电池的电化学设计和结构设计.docx

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软包卷绕电池的电化学设计和结构设计

软包卷绕电池的电化学设计和结构设计

本设计规范仅供参考，其中的一些系数需要结合实际情况加以修正。

一、锂离子电池设计原则

1、安全

在产品设计中，必须尽可能的消除任何危害终端客户人身和财产安全的隐患。

2、客户需求

满足客户为第一准则，项目负责人必须经常与客户流通，了解其对产品的使用体验。

3、成本

在不影响客户使用效果的前提下，降低成本是对公司和客户负责的体现。

4、法规

产品必须遵守本国和产品消费国之相关法律法规。

二、电化学设计部分

1、正极配方

2、负极配方

3、面密度/克容量/压实密度设计

4、负极余量设计

负极容量余量：

因为负极从开始形成SEI膜到循环的修复SEI等反应，需要不断消耗锂离子，所以负极需要设定一定的损耗余量。

5、电池容量设计

电池设计容量余量：

因为操作、设备等原因，同一批次的电池容量会呈正态分布，为保证整个容量分布基本处于标称容量以上，需要设定设计余量。

6、电解液类型选择

根据客户不同的使用环境和习惯，电池有各种不同的分类，这些电池分类中使用的电解液主要特性也各不相同：

（1）高温型：

85度12h储存测试满足行业要求，用于有高温要求的GPS产品；

（2）普通型：

70度12h储存测试满足行业要求，放电平台比较高，用于MID产品；

（3）低成本型：

满足0.5C循环300周容量保持80%的要求，用于移动电源等低成本产品；

（4）高电压电解液：

满足4.35V-4.40V使用，放电平台比要求较高，高电压电池产品；

（5）低温型：

-40度0.2C放电容量比大于50%，用于低温环境使用产品；

（6）高倍率型：

满足20C以上倍率放电要求，用于无人机、启动电源等产品。

7、电解液配方

（1）锂盐：

当前锂离子电池行业中主要采用LiPF6作为锂盐，其浓度一般为0.8～1.2mol/L；

（2）溶剂：

一般为二元或三元组分，成分为EC/DEC/PC/EMC/DMC等，含量为90%～95%；

（3）添加剂：

分为成膜添加剂、防过充添加剂、低温添加剂、增强导电性添加剂，含量为5%～10%；

（4）参数要求：

密度：

1.1～1.2g/cm3

电导率：

6.0～9.0mS/cm（普通型），10.0～14.0mS/cm（倍率型）

水份含量：

≤20ppm

HF含量：

≤20ppm

8、隔膜

隔膜材质：

单层或者多层的PE、PP

厚度规格：

12um～30um

9、外包装——铝塑膜

铝塑膜主要厚度：

88um/113um/122um/153um几种厚度规格。

铝塑膜主要结构为三层Nylon/Al/CPP，以及2层粘接剂；其中Nylon：

20um左右，Al层40um左右，剩下的厚度为CPP厚度。

三、结构设计部分

1、型号确定

电池型号主要受限于使用设备内放置电池部位的空间，还需要考虑电池使用过程中的膨胀问题。

本部分以P455268/2500Ah为例说明电池的结构设计：

型号：

P455268

标称容量：

2500mAh

尺寸：

厚max4.5mm，宽max52.0mm，长max68.0mm

2、铝塑膜包装壳

冲坑长（外坑）= 电池长度 - 顶封边宽度 - 偏差系数C

偏差系数C：

长度方向由于各种误差所产生的系数,需要减掉才能保证电池不超长；

单坑电池：

C=1.0mm；

双坑电池：

C=1.5mm；

冲坑宽（内坑）=电池宽度-折边宽度C

折边宽度C：

电池折边需要占用的宽度空间

电池厚度T≤2.8mm时，C=2.5mm

2.8mm＜电池厚度T≤3.5mm时，C=2.0mm

电池厚度T＞3.5mm时，C=1.5mm

此类电池为单折边，若制程能力足够，Cmin=1.0mm

冲壳深（单坑）=卷芯厚度-0.2mm

冲壳深（双坑）= 卷芯厚度mm（两坑相加之和）

在壳子深度大于5.0mm时建议使用双坑,两坑（正坑和反坑）的深度差1.0mm左右

铝塑膜厚度的选择：

88um铝塑膜：

冲壳深度≤3.0mm，适用于厚度≤3.5mm的电池

113um铝塑膜：

冲壳深度≤4.0mm，适用于厚度≤5.0mm单坑电池或厚度≤8.0mm的双坑电池

152um铝塑膜：

冲壳深度≤6.5mm，适用于厚度＞8.0mm的双坑电池

3、隔膜宽度

隔膜宽度=铝塑膜冲壳长（外坑）-（0.0～0.5mm）

4、极片尺寸设计

负极片宽度=隔膜-D1

正极片宽度=负极片宽度-D2

D1：

负极片宽度与隔膜宽度之间的偏差余量，防止负极片错位超出隔膜范围

一般取2.0～3.0mm

D1=2.0mm, 极片长度≤500mm& 极片宽度≤50.0mm

D1=2.5mm, 500mm＜极片长度≤1500mm

D1=3.0mm, 极片长度＞1500mm

D2：

负极片与正极片之间的错位偏差，一般取0.0～2.0mm

D2=0.0mm,  电池容量≤200mAh

D2=1.0mm，极片长度≤500mm& 极片宽度≤50.0mm

D2=1.5mm, 500mm＜极片长度≤1000mm

D2=2.0mm,极片长度＞1000mm

正极片长度=卷针理论宽度×正极片层数+P1+P2 

负极片长度=正极片敷料长度×0.5+负极长度余量

卷针理论宽度=卷针实际宽度+卷针厚度+参数调整值（0.2～0.5mm） 

P1：

正极片在偶数折的圆弧长度之和

P2：

正极片在奇数折的圆弧长度之和--具体计算参考工艺要求

负极长度余量：

一般取3.0～5.0mm

5、正/负极片面密度计算

ρ负 = ρ正×2S正×R正×C正×E/（2S正×R负×C负）=ρ正×R正×C正×E/（R负×C负）

ρ正：

正极片单面面密度

ρ负：

负极片单面面密度

正极片单面面积R正R负C正  C负T0-2×t）/E/T层  =（T0：

电池设计平均厚度

t：

铝塑膜厚度

T层：

单层厚度

M：

正极片厚度

N：

负极片厚度

L：

隔膜厚度

E：

电池膨胀系数

6、隔膜长度

隔膜长度=负极片长度×2+卷针宽度×2+40mm余量

7、电池厚度估算

电池厚度=TA×EA×LA+TC×EC×LC+TM×LM+TAl×2

TA：

正极片辊压厚度

EA：

正极片膨胀率

LA：

正极片层数

TC：

负极片辊压厚度

EC：

负极片膨胀率

LC：

负极片层数

TM：

隔膜厚度

LM：

隔膜层数

TAl：

铝塑膜厚度

四.结语

本设计规范仅供参考，其中的一些系数需要结合实际情况加以修正。

对于锂离子电池技术来说，以上介绍只是一个很小的方面，为了能做出好的电池，我们需要统筹考虑电池设计和生产中的人、机、料、法、环各个因素，并把这些因素引入过程的每个细节之中。

电池原材料LFP粉末的性能及检测

电池好不好，还看材料给不给力，且不论新材料替代旧材料的前瞻性，光是原有材料的制作，也需要严格把控，只有合格的材料，才能造出合格的电池，当然，优秀的原材料、优秀的过程，一定能造出优秀的产品。

磷酸铁锂正极材料在制作过程中，需严格监控并实时测量各参数，我们比较关注的参数主要有粒径分布（particlesizedistribution）、比表面积（SSA--Specificsurfacearea）、碳含量（carboncontent）、振实密度（tapdensity）、水分（moisturecontent）、克容量（gramcapacity）、电性能（electricalcharacteristics）。

马尔文激光粒度仪

1粒径分布（Particlesizedistribution）

粒径：

当被测颗粒的某种物理特性或物理行为与某一直径的同质球体最相近时，就把该球体的直径作为被测颗粒的等效粒径。

实际生产中，常使用马尔文激光粒度仪进行测试，整理常用的数据比如：

D10，D50，D90方式记录检查。

在实际生产中，我们需要测量的一般有砂磨浆料粒径分布，喷雾干燥后前驱体粒径分布，成品数据的粒径分布，为了分散开来，通常会用超声振动几分钟，同时应注意样品中的水分和杂质，因为测量都是微米级别的，所以看似细小的杂质可能会影响测量结果。

粒径太小，同等质量的材料的颗粒数量越多，同样的工艺条件下分散越困难。

粒径太大，锂离子在磷酸铁锂粒子内部扩散路径增加，电化学反应活性降低。

比表面积测试仪

2比表面积Specificsurfacearea

做电池的都知道，比表面积是材料的一个重要的参数。

比表面积：

单位体积或单位质量颗粒的总表面积。

通常情况下，磷酸铁锂的比表面积与碳含量呈线性关系。

生产中有比表面积测试仪进行测试。

比表面积太小，说明材料的碳包覆量不够，直接体现是电池内阻偏高、放电平台低、容量发挥低、倍率性能不佳、循环性能不好。

比表面积过大，说明材料的碳包覆量过高或者粒度呈纳米级。

直接的体现是材料的电化学性能极好，但活性高、易团聚、难分散、极片加工困难，具体表现在浆料制备团聚，涂布不均匀等。

高频红外碳硫分析仪

3 碳含量Carboncontent

碳含量：

单位体积或单位质量中碳元素的含量。

之前说过，磷酸铁锂电池的导电性并不是很强，这样进一步会影响离子传导，过低过高对电池性能均有影响。

生产中常使用高频红外碳硫分析仪进行检测。

碳含量过高，同等质量材料活性物质减少，降低电池容量，电化学性能降低。

碳含量过低，材料导电能力差，影响电池充放电速率，电化学性能降低。

振实密度测试仪

4 振实密度Tapdensity

振实密度：

是在规定条件下容器中的粉末经振实后所测得的单位容积的质量，振实密度会对极片的压实密度产生一定影响，最终体现在电池的能量密度上。

实际生产中，我们使用振实密度测试仪进行测试。

卡尔费休水分测试仪

5 水分Moisturecontent

水分：

单位体积或单位质量中水分的含量。

电池里面比较忌讳的就是水，水分太高，会导致电芯极片烘烤时间延长，电池胀气，破坏电解液结构等，多使用卡尔费休水分测试仪。

6 克容量Gramcapacity

克容量是决定电池成本的重要因素！

克容量是决定电池成本的重要因素！

克容量是决定电池成本的重要因素！

重要的事情说三遍，所有的辅料都要根据正极材料的质量来配制，我们总是希望，能够用最少的材料实现最高的能量密度。

但是实际运作中，我们很少单独计算克容量。

7 电性能Electricalcharacteristics

电性能是我们要求的一个非常重要的参数，在粉末做成成品后，我们会对材料的电性能进行测量，这里说的电性能一般指的是FCC首次充电容量，0.5DC,10DC等，根据电池厂实际要求，测量需求不同。

一般使用扣电进行测试即可，配备充放电柜实时监控。