卷繞式單體鋰離子電池設(shè)計

1、卷繞式單體鋰離子電池設(shè)計前言： 目前，電動車包括電動汽車（EV）、電動摩托和電動自行車三大類。在當(dāng)前環(huán)保的倡導(dǎo)下，電動自行車無疑是社會的最佳選擇。電動自行車以車載電池為動力源，可實現(xiàn)零排放，徹底解決尾氣污染，而且動力要求也不錯。鉛酸電池技術(shù)成熟，成本低，性能穩(wěn)定，原材料豐富，是目前電動車的的常用電池，但由于鉛酸電池比容量不夠大，體積較大，鉛是污染性金屬，較之鋰離子電池，鋰離子電池比容量高，是鉛酸電池的三倍以上，自放電小，循環(huán)壽命長，一般在500-1000次，無記憶效應(yīng)和污染較小等優(yōu)點，所以鋰離子電池在不久的將來必然會成為電動車的理想能源。1.0設(shè)計任務(wù)1 設(shè)計一種電動自行車用卷繞式單體鋰離子電

2、池，額定容量10Ah；2 給出所設(shè)計的電池制造的工藝流程。 本設(shè)計的鋰離子電池的電化學(xué)表達(dá)式為： 鋰離子電池的成流反應(yīng) 正極反應(yīng)： LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe 負(fù)極反應(yīng)： 6C + xLi+ + xe LixC6 電池反應(yīng)： LiCoO2 + 6C Li1-xCoO2 + LixC61.1正極材料正極活性物質(zhì)選擇LiCoO2，因為它制備工藝簡單，開路電壓高，比能量大，循環(huán)壽命長，能快速充放電，電化學(xué)性能穩(wěn)定，現(xiàn)已商品化。LiCoO2合成方法（溶膠-凝膠法）將Li（Ac）2按一定配比加入溶有PAA（聚丙烯酸）的去離子水中，加熱至95形成凝膠體，將凝膠在空氣氣氛下加熱

3、至500分解，研磨，再將分解產(chǎn)物于700左右煅燒3h得到LiCoO2。正極片壓實密度（g/cm3）材料實際比容量（mAh/g）材料理論比容量（mAh/g）活性物質(zhì)利用率（%）LiCoO23.913827350.6正極集流體：鋁箔 厚度18微米正極配方活性物質(zhì)（LiCoO2）導(dǎo)電劑(石墨)粘結(jié)劑偏氟乙烯(PVDF)含量（%）90461.2負(fù)極材料負(fù)極活性物質(zhì)選擇中間相碳微球（MCMB），顆粒直徑大小在10微米左右，這種顆粒放射狀結(jié)構(gòu)，從軸心向外的石墨晶面以之字形取向排列，外側(cè)被一薄覆蓋，該薄層的底晶面幾乎覆蓋了纖維柱的全部表面，纖維的機(jī)械結(jié)構(gòu)堅固，即使經(jīng)過1000次循環(huán)，結(jié)構(gòu)也不會破壞。MCMB

4、制備方法焦油瀝青在400500加熱成熔融狀態(tài)時沉淀出來的微球，再在7001000熱處理后可用作電池的負(fù)極材料。若進(jìn)一步提高熱處理溫度，可制備石墨化的MCMB，實際比容量為305mAh/g。負(fù)極片壓實密度（g/cm3）實際比容量為（mAh/g）理論比容量為（mAh/g）活性物質(zhì)利用率（%）MCMB1.7530532095.3負(fù)極集流體：銅箔 厚度9 微米負(fù)極配方中間相碳微球石墨偏氟乙烯（PVDF）含量（%）89471.3隔膜PE隔膜 厚度取20微米1.4電解液1mol/L LiPF6-EC-DEC-DMC(1:1:1)1.5電池活性物質(zhì)用量額定容量10Ah設(shè)計容量為保證電池的可靠性和壽命，一般設(shè)

5、計容量應(yīng)大于額定容量的10%20%。設(shè)計容量（Ah）=1.1×額定容量=11Ah=11000mAh電化學(xué)當(dāng)量q=M26.8n選正極為控制電極，負(fù)極為非控制電極。正極活性物質(zhì)用量m1（g）：m1=（設(shè)計容量×電化當(dāng)量）活性物質(zhì)利用率 =11000138 =79.71 (g)負(fù)極活性物質(zhì)用量m2（g）：負(fù)極過剩，本設(shè)計中負(fù)極比正極過量10%，因此m2=11000×（1+10%）305 =39.67（g）1.6極片總面積（S總）計算對于圓柱形鋰離子電池來說，工作電流為10000mA，工作電流密度為i=110mA·cm-2，在此取i=5mA·cm-2，

6、則正極片S總=10000/5=2000 cm-2負(fù)極片S總=KS總=1.1×2000=2200 cm-2K為設(shè)計系數(shù)，這里取1.1。1.7極片幾何尺寸和極片數(shù)量的確定電池高度設(shè)為100 mm，極片高度H取90 mm正負(fù)極片均為短形片，因為是雙面涂覆，所以極片面積=長*高*2，因此，極片的長度為L+=S+/2H=2000/(2×9)= 111.11cmL-=S-/2H=2200/(2×9)= 122.22cm1.8電池正負(fù)極板平均厚度（D） MCMB/ LiCoO2圓柱形鋰離子電池制造工藝的有關(guān)參數(shù)電池組分材料厚度/微米負(fù)極活性物質(zhì)MCMB單面90負(fù)極集流體Cu9正

7、極活性物質(zhì)LiCoO2單面80正極集流體Al18電解液/隔膜LiPF6-EC-DEC-DMC/PE20 鋰離子電池的極片整理是在集流體的雙層涂覆活性物質(zhì)，其中正極活性物質(zhì)涂覆在Al箔的兩面，干燥、輥壓定型后每片活性物質(zhì)的厚度是80m；負(fù)極活性物質(zhì)涂覆在Cu箔的兩面，干燥、輥壓定型后每片活性物質(zhì)的厚度是90m。1.9電池隔膜（隔板）材料的選擇及密度、層數(shù)的確定隔膜選擇聚乙烯微孔膜（PE），厚度為20微米。隔膜長度為負(fù)極片長度的2倍，即122.22×2=244.44 cm隔膜寬度比負(fù)極片高度長24 mm，即93 mm隔膜的參數(shù)名稱厚度（m）長度（cm）寬度（mm）層數(shù)PE20.0244.

8、593.02.0 1.10電解液的濃度及用量 電解液為LiPF6-EC-DEC-DMC(1:1:1)，濃度為1mol/L，用量為電池總重量的1015，本設(shè)計取13%。 電解液用量=170.27×13%=22.14 g1.11電池的松緊度及單體電池的容量尺寸 松緊度85.7% V（極片）=正極片體積+負(fù)極片體積 =（80×2+18+20）×10-4×111.11×9.0+（90×2+9+20）×10-4×122.22×9.0 =42.793V = V（極片）/松緊度=42.79÷0.857=49.

9、933 V=d2×h/4 d2= 4V/（h） d=2.658 cm=26.58 考慮到電池的裝配比，外包裝的厚度等一些因素，d應(yīng)該比理論計算值大一些，這里取d=26.8。 M（質(zhì)量）=負(fù)極質(zhì)量+正極質(zhì)量+外殼質(zhì)量+電解液質(zhì)量 負(fù)極質(zhì)量=39.67/0.89 =44.57 g正極質(zhì)量=79.71/0.9 =88.57 g外殼質(zhì)量設(shè)計為15 g電解液的質(zhì)量為電池質(zhì)量的13%M（質(zhì)量）=170.27 g單體電池的尺寸單體電池直徑（）高度（）容積（3）質(zhì)量（g）數(shù)值26.810.056.38170.272.0圓柱形鋰離子電池的結(jié)構(gòu)2.1鋰電池制造過程電池制造的工藝流程 LiCoO2 石墨

10、PVDF MCMB 石墨 PVDF N-二甲基吡咯 N-二甲基吡咯 混合 混合 集流體（鋁箔） 涂覆 涂 覆 集流體 （銅箔） 干燥 干燥 壓型 壓型 切 條 裁剪 卷繞 底部點焊 插入 涂膠封口 頂蓋點焊 注入 封口 洗凈 外包裝 軋邊 出廠檢查2.2制漿用粘結(jié)劑PVDF和溶劑N-二甲基吡咯烷酮分別與粉末狀的正負(fù)極活性物質(zhì)混合，經(jīng)高速攪拌均勻后，制成漿狀的正負(fù)極物質(zhì)。銅箔9m負(fù)極結(jié)構(gòu)示意圖2.3涂膜將制成的漿料涂覆在金屬箔的表面，烘干，分別制成正、負(fù)極極片。2.4裝配正極片隔膜負(fù)極片隔膜（自上而下的順序放好），經(jīng)卷繞制成電池芯，再經(jīng)注入電解液、封口等工藝過程，即完成電池的裝配過程，制成成品電池。2.5化成用專用的電池充