锂电池的设计与研发.ppt

锂电池的设计与研发主要内容Ø第一部分：基础篇Ø一 电池基本结构、原理Ø二 电池种类Ø三 电池功能特点Ø四 电池的用途Ø五 电池的常用术语第二部分：设计篇一 电池设计相关参数二 设计思路三 尺寸设计四 安全性能设计第三部分：研发篇一目前研发的主要方向二 电池研发成果的必要条件三 研发实验的设计四 实验报告的书写第一部分 基础篇Ø一 锂电池基本结构、原理电池的结构组成 （六大组成）正极负极 隔膜铝镍带电解液壳体Ø电池原理：Ø二 锂电池种类：根据材料分：钴系 锰系 铁系电池 根据壳体分：钢壳 铝壳 软包电池 根据功能分：常规 倍率 动力电池 根据使用环境分：低温 高温电池 根据形状分：方形 圆柱 其他：折叠 弯曲 异型三 电池功能特点Ø一 比容量高 酸 镉 镍 锂 35 41 50-80 120-160 140-180 Wh/kgØ 二 电压高 Ø三 体积小 重量轻（24V相当于市面上铅酸电池的1/7重量，36V电 池重量仅3KG, 相当于市面上铅酸电池的1/6重量. ）Ø四 长循环 Ø五 自放电小 Ø六 无记忆效应 Ø七 无污染 环保 Ø八四 电池的用途Ø 移动、MP3 MP4 蓝牙 笔记本电脑、小型摄像机、电动工具 电动车、UPS备用电源，军事用途等等.凡是能用电的设备基本上都能用上！！五 锂电池的常用术语Ø1 容量 （放电容量 充电容量 额定容量 设计容量 标称容量 平台容量 ）Ø2 电压 （标称电压 开路电压 闭路电压 平台电压 上限电压 截止电压 中值电压 平均电压） Ø3 内阻 （极化内阻 欧姆内阻 静态内阻 动态内阻 ）Ø4 恒流充电Ø5 恒流放电Ø6 搁置Ø7 循环Ø8 活化Ø9 化成Ø10 分容Ø11 自放电Ø12 放电率Ø13 荷保持Ø14 记忆效应 Ø15 放电电流Ø16 贮存寿命 Ø17 过充Ø18 过放Ø19 短路 Ø20自放电Ø21 倍率第二部分：设计篇Ø设计的目的：满足客户的要求！Ø客户的常见要求有哪些？容量 电压 内阻 尺寸 平台 循环一 电池设计相关参数:型号：电池外壳的尺寸 433450A容量：电池的1C的放电容量 800 mAh面密度：单位面积的敷料重量 42mg/cm2克容量 ：单位重量的活性物质释放的容量值 142mAh/g压实密度：单位体积的敷料重量 3.8g/cm3铝镍带宽：mm隔膜厚度：mm铜铝箔厚度*宽度：mm*mm 辊压厚度：mm 卷针宽：mm 正负极容量比:%二 工艺设计Ø主体材料的选用：正极材料：四高 三稳 一保 一低价1 比容量高2 电压高 3 可逆容量高 4 扩散率高 5 平台稳 6 结构稳定 7 化学稳定 8 环保9 便宜电池的设计，最基本的就是要对所用的材料要求及性能必须了解Ø负极材料 ：1 比容量高2 比表面积小 振实高3 结构稳定4 可逆容量高5 电位高6 化学稳定性好，7 环保8 便宜电解液Ø1 良好的化学稳定性与电池的正负极活性物质和集流体不发生化学反应;Ø2 比较宽的电化学稳定窗口（电压）Ø3 较高的离子电导率，较低的电子电导率;Ø4 具有良好的成膜特性，在炭负极材料表面形成致密稳定的钝化膜;Ø5 合适的温度范围(高沸点一低熔点);Ø6 安全低毒，无环境污染。

Ø7 便宜Ø 隔膜Ø1 化学、电化学稳定性Ø2 机械性能（刺穿 拉伸）Ø3 反复充放电过程中对电解液保持高度浸润性，Ø4 隔膜材料与电极之间的界面相容性、Ø5 隔膜对电解质的保持性Ø6 闭孔温度低（120-135）Ø7 熔点要高（大于165）铝镍带Ø1 过流密度大Ø2 不易氧化Ø3 与电池内部物质不发生化学反应工艺设计思路Ø电池的设计，最重要的是能符合客户的要求，针 对不同的用途，功能，设计出相应的电池目前常见的电 子产品有：蓝牙耳机 MP3-MP4 普通 3G 笔记 本 航模 玩具 电动工具 电动自行车 对于不同的产品，在 其电池的设计上我们可以从几个方面来考虑：Ø1 安全 无论是用于那方面的电池，首当其充是的安全， 确保电池在使用和储存过程中的安全，不高热不起火不爆 炸高热烫伤，起火烧伤，爆炸更危险！！ Ø2 容量（功率） Ø 即能够支持电器设备一次持续工作的时间要求，比如：手 机要求一次充电，能使用三天，航模 玩具飞机一次能飞3分钟等Ø3 平台要求 Ø电池一次放电 某一电压值以上持续放电的时间，比如：手 机电池放电 到3.6V后，自动关机 ，就要求我们的电池 3.6V电压平台的时间越长越好，在选用正极材料时，会根据材料的特性来满足这一要求。

Ø4 使用环境Ø 电池在不同的使用环境中，性能的发挥有很大的影响，比 高温70℃与低温-20℃放出的容量有很大的差距所以在 设计时根据使用环境来选择所需的材料（正极料 电解液等 ）Ø5 工作时峰值与持续电流 Ø用电器在不同的工作时间，输出电流有所不同，因此就 得根据不同的电流值来选用材料，比如：放电电流大的 电池，我们在设计时，就得考虑面密度大小 ，电解液种 类，极耳数量 ，点焊点的数量，极耳种类，引线的过流 等等 Ø6尺寸要求 Ø 现在各类普通电子产品都趋向轻而薄的观念，比如：手 机超薄 MP3-MP4也是薄而轻，蓝牙耳机更是小所以 在电池的设计上更要求我们开发一些克比容量高，压实 高的新材料，来满足产品的需要Ø7循环性能 长循环Ø8 BMS（电源管理系统）的合理选用作为锂电池，我们在使用时，必须选用合理的BMS来 对电池进行一系列的保持，如：过充 过放，过流 短路 均衡 过温好的BMS能使电池的使用寿命得以正常发 挥9 成本 除了以上的考虑因素之外，成本也是在设计时重点为 考虑的，因为这关系到设计出来的产品，客户所能接受 的价格是否有利可赚！！！！用最低的成本，做出满足 客户要求的产品。

除了利润除了利润 ，一切都，一切都 是假的！是假的！ ！！常见锂电池的使用参数：常见电池设计时不同的要求 Ø 现对常识、参数、材料以及设计思路都有了一定的了解，下一步进行实际的尺寸工艺设计三 尺寸设计Ø下面以实际的电池型号来进行讲解：尺寸：电池型号：523450A 1000mAh钴酸锂材 料电池厚度5.2mm，电池宽度34mm，电池高度50mmØ第 一步、列出相关的固定的参数：Ø正极克容量：142mAh/g 负极克容量 ：330mAh/g正极压实密度：3.8g/cm3 负极压实密度：1.55g/cm3正极钴酸锂比例：94% 负极石墨粉比例94%隔膜厚度：0.016 极耳宽：4mm对于一种体系，有的参数是固定的，在设计 时只要套进去就行了！！！1、小电池，一个卷芯，那么卷心最大厚度：=电池厚度-壳体厚度=5.2-0.2*2=4.8mm（一般铝壳厚度为0.2-0.3，不同地方可能不一样，但关系不大）2、卷芯高度，除去顶盖1mm，底盖0.5mm，塑料隔圈1.5mm，预留空间1mm，那么卷芯高度=50-1-0.5-1.5-1=46mm也就是说，隔膜可以是44mm宽。

一般我们做铝壳的话，可能选20um的隔膜，做大电池的话，隔膜就可能厚点，大概25um到35um都有3、负极宽度，负极肯定比隔膜窄，可以是1mm，也可以是2mm，看你怎么留了，在此假设2mm，那么负极宽度为42mm在做一些大型号电池时可适当加宽3-4mm)4、负极包住正极，那么正极比负极窄，1-3mm，因为是小电池，我们选1mm，正极宽度=44-1=43mm第二步 进行设计之旅：Ø5、下面按照经验，假设正极双面密度=40.5mg/cm2，正极克容量140mAh/g, 活性物质比例94%；负极克容量320mAh/g，活性物质比例94%安全系数 =1.03（也可以更高，1.1） 那么我们可以计算出：负极双面密度=40.5*140*94%/（320*94%） *1.05=18.45mg/cm26、正极材料可以压到3.8g/cm3；负极可以做到1.6g/cm3；铝箔12um，铜箔 12um7、那么可以计算出正负极厚度：正极片厚度40.5/3.8*10+16=119um，负极 片厚度=18.45/1.6+10=127um；Ø8、那么，卷绕一圈，有2层，单层厚度=正极厚度+负极厚度+2层隔膜厚度 =119+127+16*2=278um，Ø9、可见，总卷绕卷数=卷芯厚度/（单层厚度*2） =4.8*90%/（278/1000）=15.5圈，经取整：即负极有15 折，正极16折（90%为电池厚度的预留空间，厚度大小取值也不同， 主要看材料的厚度反弹来定）10、计算卷针尺寸，卷针宽度=卷芯宽度-卷芯厚度-2=（ 34-0.20*2）-4.8）*92%=27 mm11、计算正极片长度：正极长=（层数-2）*双层卷绕厚 度+卷针宽+卷针厚度+一层卷绕厚+卷针宽度）*（层数-1 ）/2+卷针宽-厚度/2=（（16-2）*0..278*2+（ 27+27+0.5+0.262））*（16-1）/2+27-5.2/2=505mm， 试卷时，微调尺寸。

计算负极长度：负极=正极长-针宽-尾刮粉位-10Ø13极耳宽度与厚度，小电池，极耳0.1*4mm基本 就够了Ø14 极片刮粉位：ØA＝10ØB＝卷针宽*2.7+3ØC=D+4*2ØD=极耳宽+（2~4）ØE＝卷针-C/2 ACBDØ15、计算容量：设计容量=正极敷料量*克 容量*活性物质比例 =*140mAh/g*7.516*94%=1052mAh16、标称容量：一般设计时，设计容量约 为标称容量的1.05%Ø17、根据不同的情况，进行相应的调整，Ø电池尺寸的设计，一般在电脑上编辑公式，只需要输入相应的参数2-5分钟就可以得出一份工艺Ø电池的设计，一方面要满足电性能的要求，另一方面必 须满足安全性的要求，一个产品的安全性成为重中之重 ，那么电池的不安全因素主要的表现是什么 ？那就是电 池的：爆炸 起火！我们常常听说哪儿的电池爆炸，伤人 ，电池召回，电视新闻报到的也很多就电池的安全设 计从以下几个方面来考虑：Ø一 电池爆炸的原理是什么？Ø二 引起电池爆炸的因素有哪些？Ø三 如何来保证电池的安全？四 安全性能设计一 电池爆炸的原理是什么？Ø 电池在受到热冲击、过充、过放、短路、振动、挤压等 滥用状态下，电池内部的活性物质及电解液等组分间将 发生化学、电化学反应，产生大量的热量与气体，引起 电池的升温，如果锂离子电池内部的热生成速率大于热 散失速率,则体系内的反应温度就会不断上升，当热量和 内压累积到一定程度的时候，就会引起电池的燃烧或爆 炸。

Ø简单的说：就是电池内部出现高温 高内压，超过电池壳 体的储压极限，壳体爆裂，内容物喷出，起火燃烧 Ø引起爆炸燃烧的主要原因：短路 高温 高电压二 引起电池爆炸的因素有哪些？电池的系统制作过程，及各材料的配比和电池的使用， 都有可能引起电池爆炸隐患，可从：材料 设计 使用三 方面来来进行分析 Ø 1材料：Ø a 正极材料：其一 从材料本身安全性来说，热稳定性 LiNiO2 ＜ LiNi0.8Co0.2O2 ＜LiCoO2 ＜ LiMn2O4 ＜ LiFePO4 ＜LiNi3/8Co1/4Mn3/8O2当温度升高到一定值 后，材料分解，产生大量的热 其二 从正极标的理论容 量与实际发挥的容量来看，没有脱嵌的锂离子越多，过 充时，产生枝晶的可能性就越大，刺穿隔膜引起短路 理论值与实际值相差越小，安全性就越高，钴酸锂270- 140＜锰酸锂148-110＜ 磷酸铁锂170-130 ，且铁锂的 电压只有3.2V，安全性最高 热分解温度：钴：锰 ：铁锂＝180：200：220 Øb 隔膜 ：隔膜热闭孔性对电池的安全有很大的 影响，当温度超过120-135度，如隔膜没有闭孔 ，电池继续升温，内压升高到极限，电池就会 爆炸。

如温度过高，隔膜会熔化，从而引起电 池。