鋰離子電池原理及設(shè)計教材

1、鋰離子電池原理及設(shè)計教材原理篇電池原材料化工類材料：正極：鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、磷酸鐵鋰、三元材料負(fù)極：人造石墨、中間相碳微球（瀝青基）、針狀焦、改性天然石墨其他：隔膜、電解液、導(dǎo)電劑、PVDF 、NMP 、草酸、SBR 、CMC 、高溫膠紙、銅箔、鋁箔等五金類材料：鋼殼、鋁殼、蓋帽、隔圈、鋁帶、鎳帶、鋁鎳復(fù)合帶等、鋁塑膜等電池原材料是決定電池性能的最重要的因素，電池性能的提升歸根結(jié)底來自于電池材料的優(yōu)化及更新 。鋰離子電池反應(yīng)機理鋰離子電芯的反應(yīng)機理是隨著充放電的進行，鋰離子在正負(fù)極之間嵌入脫出，往返穿梭電芯內(nèi)部而沒有金屬鋰的存在，因此鋰離子電芯更加安全穩(wěn)其反應(yīng)示意圖如下所示： 電芯的正極

2、是LiCoO2加導(dǎo)電劑和粘合劑，涂在鋁箔上形成正極板，負(fù)極是層狀石墨加導(dǎo)電劑及粘合劑涂在銅箔基帶上，目前比較先進的負(fù)極層狀石墨顆粒已采用納米碳。 根據(jù)上述的反應(yīng)機理，正極采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2等，其中LiCoO2是一種層狀結(jié)構(gòu)很穩(wěn)定的晶型，但當(dāng)從LiCoO2拿走XLi 后，其結(jié)構(gòu)可能發(fā)生變化，但是否發(fā)生變化取決于X 的大小。通過研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)X>0.5時Li(1-XCoO2的結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為極其不穩(wěn)定，會發(fā)生晶型癱塌，其外部表現(xiàn)為電芯的電壓及安全性能。所以電芯在使用過程中應(yīng)通過限制充電電壓來控制Li1-XCoO2中的X 值，一般充電電壓不大于4.2V 。那么X 小于0.5

3、，這時Li1-XCoO2的晶型仍是穩(wěn)定的。負(fù)極C6其本身有自己的特點，當(dāng)?shù)谝淮位珊?，正極LiCoO2中的Li 被充到負(fù)極C6中，當(dāng)放電時Li 回到正極LiCoO2中，但化成之后必須有一部分Li 留在負(fù)極C6中，以保證下次充放電Li 的正常嵌入，否則電芯的壽命很短，為了保證有一部分Li 留在負(fù)極C6中，一般通過限制放電下限電壓來實現(xiàn)。所以鋰電芯的安全充電上限電壓4 .2V，放電下限電壓2.5V 。鋰離子電池的主要制造過程Li-ion 電池的工藝技術(shù)比較嚴(yán)格、復(fù)雜，這里只能簡單介紹一下其中的幾個主要工序。 1 配料正極：鈷酸鋰9494.5% 負(fù)極：石墨：92%SP ：1% KS-6： 3%S0：

4、1% SP ： 0.6%PVDF ：3.54.0% PVDF ：4.4%目的：以NMP 或水為溶劑，采用真空攪拌方式，將電極活性物質(zhì)、導(dǎo)電劑、膠進行充分的物理混合，形成成分均勻的漿料。2 涂布(拉漿目的：將電極漿料均勻地涂敷在基體（集流體）的表面并經(jīng)過烘箱干燥，形成干燥、均勻的電極極片。3 制片目的：將涂布后的電極大片經(jīng)過對輥、裁切，形成工藝標(biāo)準(zhǔn)所要求的電極小片（長度、寬度、厚度、刮粉位尺寸），將極耳焊接上去并進行相應(yīng)的安全保護（貼膠紙）。 4 裝配目的：將制備好的極片與隔膜卷繞成型、壓扁后套入/甩入殼體內(nèi)，然后將極耳通過焊接與蓋板連接起來并壓合蓋版。5 激光焊目的：通過激光將電池殼體與蓋帽進

5、行熔融焊接為一個整體，并形成一個密閉空間（除注夜孔處）。6 注液目的：將電解液通過真空注液機從注夜孔注入到電池內(nèi)部。7 預(yù)充目的：用小電流對電池進行第一次充電，激活電池活性物質(zhì)，釋放第一次充電產(chǎn)生的廢氣；8 化成目的：用小電流進一步對電池充電，完成電極活化過程.9 分容目的：將老化后的電池進行第一次放電，根據(jù)電池放出容量進行等級劃分。設(shè)計篇鋰離子電池的標(biāo)識和含義:標(biāo)識由三部分組成:例如 383562 3.7V 800mAh電池規(guī)格表示： 厚度為3.8mm 寬度35mm 長度為62 mm額定容量 800mAh又如 5048168 3.7V 3600mAh電池規(guī)格表示： 厚度為5.0mm 寬度48

6、mm 長度為168 mm額定容量 3600mAh電池結(jié)構(gòu) 鋰離子電池設(shè)計的基本原則容量過量由于生產(chǎn)因素等各種原因，可能導(dǎo)致電池實際容量達(dá)不到標(biāo)稱容量的要求，因此電池設(shè)計時，設(shè)計容量必須高出電池標(biāo)稱容量3%5%（甚至7%）負(fù)極過量鋰離子電池的基本原理為鋰離子電池在正負(fù)極材料間的可逆嵌入和脫嵌，且材料克容量隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加而降低。若負(fù)極容量低于正極容量，當(dāng)電池充電時，從正極過來的鋰離子不能全部嵌入到負(fù)極材料中，便會在負(fù)極表面堆積形成不可逆容量，造成電池容量的急劇下降，且容易形成鋰枝晶引起電池安全隱患，因此電池設(shè)計時，單位面積上的負(fù)極容量需高出正極容量3%5%。負(fù)極包住正極同原則二，電池設(shè)計時

7、必須保證有正極敷料的地方對應(yīng)有負(fù)極敷料。正、負(fù)極隔離電池內(nèi)部正、負(fù)極若直接接觸，則在電池內(nèi)部形成了一個無負(fù)載的回路，電池形成短路狀態(tài)，若為微短路則引起自放電等現(xiàn)象，若短路情況嚴(yán)重，則引起爆炸等安全問題，因此電池設(shè)計時須保證正、負(fù)極的完全隔離。a 隔離膜比負(fù)極片寬，卷繞時有重疊b 容易引起短路或隔離膜損壞的地方用膠紙等進行保護鋁殼鋰離子電池設(shè)計的內(nèi)容一、 電池設(shè)計需確定的參數(shù)：標(biāo)稱容量、設(shè)計容量、外殼、帽蓋尺寸、正/負(fù)極片長度（寬度/厚度），隔膜長度（寬度/厚度）、注液量、極片刮粉位尺寸、卷針尺寸、正/負(fù)極耳長度、制片膠紙規(guī)格等二、 電池設(shè)計原則及步驟：1、確定容量（即確定了正極附料量）設(shè)計容量

8、/標(biāo)稱容量=1.031.08(過量系數(shù)），過量系數(shù)一般根據(jù)材料穩(wěn)定性、制程能力及電池實際空間來稍作調(diào)整。如材料穩(wěn)定性較好、制程能力較高、電池空間隔 較小的話過量系數(shù)可以稍小一些。根據(jù)設(shè)計容量、配比及材料克容量算出附料量。2、確定極片/隔膜紙寬度隔膜寬度=電池標(biāo)稱高度-3mm （蓋帽厚度+立體隔圈厚度+殼底板厚度）負(fù)極片寬度=隔膜寬度-2mm正極片寬度=負(fù)極片寬度-1（2）mm3、確定正/負(fù)極片長度、面密度（以鋁殼電池為例）卷針寬度(方=鋁殼內(nèi)寬-鋁殼內(nèi)厚-2倍卷針厚度-C （系數(shù)）卷針直徑(圓=卷針寬度（方）/1.57正極片長度=（卷針寬度+鋁殼內(nèi)寬）×折數(shù)/2負(fù)極片長度=正極片長度

9、-鋁殼內(nèi)寬隔膜長度=負(fù)極片長度×2 + 1518mm刮粉位尺寸：其中A 、E 、F 是極耳位，因此寬度就等于極耳寬度C 位也是為負(fù)極耳位預(yù)留的位置，根據(jù)實際結(jié)構(gòu)及考慮偏差，一般C=34倍A ，A+B+C/2=卷針寬度。實際上E 不等于F ，是由于刮粉工藝需要，若負(fù)極用涂布的話E 就可以等于F 了。 極片示意圖 正極片 負(fù)極片 現(xiàn)在就開始確定面密度了，首先將正極片的有效活性物質(zhì)面積算出來， S=L-（3A+C+D）/2×H面密度=附料量/S算出來面密度應(yīng)該在4046之間，如果面密度偏大或偏小，則通過調(diào)整折數(shù)來獲得最佳面密度正極面密度出來了，接著負(fù)極面密度也出來了，一般按照負(fù)極容量與正極容量過量系數(shù)為1.031.08的原則：負(fù)極面密度×負(fù)極活性物質(zhì)含量×負(fù)極克容量 =正極面密度×正極活性物質(zhì)含量×正極克容量×容量過量系數(shù)極片厚度=面密度/材料壓實密度+銅（鋁）箔厚度注液量設(shè)計有兩種計算方法：一種是空間系數(shù)法，另外一種是容量法，一般來說按容量來算是比較合理的。根據(jù)電解液廠家不同注液量會有一些不同，但設(shè)計中也可不考慮此因素。一般1g 電解液=300330mAh 容量，可根據(jù)電池的循環(huán)性能及工序能力