电池设计基础知识.doc

电池设计：（1） 正极参数： LiCoO2 活性物质比容量140mAh/g。活性物质含量0.96 正极基体厚度（Al）15正极涂敷量（mg/cm2） 3545碾压密度 （g/cm3） 3.663.68（2） 负极参数 ： C 活性物质比容量308mAh/g。活性物质含量0.91 副负极基体厚度（Cu）10负极涂敷量（mg/cm2） 1030碾压密度 （g/cm3） 1.661.68（3）设计N/P（负/正）： 1.03（4）装配参数：极耳处封装高度4mm正、负极片宽度差（mm） 13负极同隔膜宽度差（mm） 2折叠层数（单/双） 12极耳间距 客户要求极耳上保护胶带层数 1（5）辅助材料参数：隔膜厚度1 201保护胶带厚度 100终止胶带厚度 80铝塑袋厚度 113极耳厚度 100极耳宽度mm 34（6）设备公差：正极涂敷量公差 +/-（mg/cm2） 0.6负极涂敷量公差 +/-（mg/cm2） 0.3（7）材料系数：隔膜溶胀率 0.02极组化成膨胀率 0.2极组满电膨胀率 0.1例：421270 280 mAh隔膜宽： 70-7=63负极： 63-2=61正极 ： 61-2=59+1=60 B 双 单卷针宽度： 12-4.2-（2.6或1.5）A-B 双 单正极单面： 2*12+2（倒角） AA+B=280+20/60*135*D/2*0.96*105 A-B=2*12+2 电池厚度=极组厚度+极组厚度/10+0.2+0.1（修正）For Example：0520304.9=x+0.1x+0.3极组厚度为：4.2极组宽度=20-1.5=18.5注：1.5为两个折边+壳For Example：441070（采取651321卷法） 250 mAh壳最长：67隔膜宽：60 负极：58 正极：56正极单边=2*10+2=22=A-BA+B=250+20/56*135*D/2*0.96得出A、B负极片长=正极片长极组宽度=10-1.5=8.5极组厚度=4.4-0.3/1.1=3.7如果正极极耳用镍，则会把镍电解正极：Co酸锂 LiCoO2 粘接剂（PVDF1300，1700） 导电剂导电剂：提高电极导电性CB、KS、SS、SP、KB和LSTM。粘接剂：把活性物质和导电剂粘在铝箔上。负极：石墨活性材料石墨： MCMB P15B-HG MCF（碳纤维） 天然石墨 CMS导电剂：SS、SP、LSTM（负极本身导电性很好，但颗粒小，SS能把颗粒连接起来）。粘接剂：PVDF1100，SBR、CMC。隔膜：电子绝缘，离子导通（要求强度好，多孔结构，在电池温度过高时，具有闭孔特性）。孔隙度40%好联苯 4.7V防过充： 反应电压：PCS 5.2V联苯：把隔膜孔堵住，切断电流。电解液：电池内部电化学反映的环境，主要由溶剂：（EC、DEC、DML、EML、PC、内丁脂等）注：EC：碳酸二乙烯脂；PC：低温性能，电解质（LiPF6，LiBF4，LiN（SO2CF3）2、LiN（SO2C2F5）2和功能性添加剂，如：连苯（防过充）、VC（循环寿命）、PCS（防过充）。PS：加速形成SEI膜。LiN（SO2CF3）2：金氟硫酸亚胺锂。LiN（SO2C2F5）2：能有效的抑制电极产生气体和提高温度循环等。正极反应：LiCoO2 充电 Li1-x CoO2+Xli+xeIF U=4.1v时，x=0.5负极反应：6C+xLi+ xe Lix C6过充LiCoO2 不稳定 分解 CO2O3 CO3O4 容易发生爆炸。C的1g容量6个C带一个Li+72gC 1mol Li+72gC=1mol Li+=1.69*10-19*6.23*10231 gC=(1.69*10-19*6.23*1023)/72初次化成过程中：电池在0-2.5V左右时，电解液在负极表面还原，形成固态电解质界面（SEI膜：烷基碳酸锂、氧化锂、碳酸锂、氟化锂等），初次是不可逆的，如果容量占总容量的10%左右， 对电池而言产生气体：乙烯、丙烯、CO2等试剂还原产生的。SEI膜：溶剂化分子离子化，让阳离子单过，阴离子挡住，正、负极表面都形成 ，对负极更需要，SEI膜对负极是保护 ，负极层状PC有个甲基是楔状，没有膜会把负极翘起，负极失效。由于电池初期的产生现象：处理方法：（1）开口排气 （2）新型电解液添加剂。过充情况：产生氧气 3COO2=CO3 O4+ O2注：3COO2不稳定。LiPF6+H2O 2 HF +LiF+POF3 注：2 HF：腐蚀性很强。设计：1、 选用所用电池体系。如果高容量则采用石墨体系负极，负极材料和电解液的匹配性，如果石墨体系中不能使用大量的PC，PC量10%，而且要在电液中加VC。2、 正、负极极片涂布参数的确定。（1） 首先确定正负极可逆容量比。（2） 根据电池容量、电池外形尺寸来计算极片的尺寸和涂布方式。负极少，循环差。正极少，假设C0.2V OCV（+）-OCV（-）=4.2V 应该0V 4.2V-0=4.2V 4.4V-02V=4.2V 造成正极过充。制胶：草酸使正极表面毛化。涂布敷和温度梯度设置（烘感区）碾压：热压和冷压。冷压：初始电压高，循环下降快，寿命一致性差。热压：130（左右）。毛刺控制：方型70，原型：30，聚合物正极：70，负极：150。极片干燥：130。4小时。原因：1、去水。 2、除去NMP。 3、PVDF。卷绕注意问题：1、 外形尺寸。2、 居中对齐，正、负极活性物质对应良好，否则折锂。3、 注意电极边缘是否有毛刺和掉粉，另外隔膜在空气中空气中长时间放置，需进行干燥处理。4、 极组打开后，首极片是否断裂。5、 铝壳电池的最外圈的铝箔和铝极耳，内部的对应位置上应没有铜箔，这里也容易造成电池在压制和循环膨胀是短路。卷绕有三种方式：（1）042025式；（2）651321式；（3）383562式；（1）、042025式 ： 隔膜先卷一圈，插正极，再插负极。（2）、651321式 ：负极无单面，极耳在外面，负极比正极短。（3）、383562式 ： 负极折一下。收尾方式不同：（1）隔膜收尾，（2）正极收尾隔膜收尾：厚度要求不严，安全性好，短路，热良正极收尾：大电池厚度要求严，液态。聚合物极耳间距是对比出来的（除了651321和041235），而液态是自动生成的。1、 隔膜的制造技术：多孔性聚烯烃材料，薄膜成形与多孔化是制造的关键技术。（1） 相分离法（湿法制膜）（车烧）PE。高分子溶液聚合物溶剂 混合加热 薄膜化微相分离 脱溶剂延伸添加剂 （结晶化） （多孔形成） 将高分子化合物与溶剂混合加热熔融形成均一溶液，经冷却固化后有可能形成亚稳态的两相溶液，再经过液液分离结晶成膜，除脱溶剂。 湿性制膜一般可以形成复杂的三维状的结构的孔。（2） 延伸造孔法（干法）(celgand)高分子粘稠液聚合物溶剂 薄膜化 热处理 延伸（添加剂） （定向结晶） （重结晶，高延展层） （多孔形成）高拉伸比（拉伸速度/搅拌速度）使之薄膜化，热处理形成高度有序的结晶结构，然后，低温延伸再高温延伸，结晶晶面发生剥离，形成微孔。PP/PE/PP，PE熔点较低，容易使隔膜产生闭孔；PP熔点高，可以在隔膜闭孔后，仍有良好的机械特性。2、 粘接剂：PVA（聚乙烯醇） （CH2CHOH）2CMC 羧甲基纤维素钠，白色粉末，易溶于水，良好的结合力，分散能力。锂离子电池电极制备是采用涂布工艺，一般采用刮刀或辊涂布的方式，通过刀口间隙调节活性物质的厚度，刀口间隙很小。3、 PVDF粘接剂：PVDF（聚偏二氟乙烯），VF2（偏二氟乙烯）的均聚物和VF2的共聚物VF2/HFD（六氟丙烯）是锂离子电池采用的粘接剂。VF2 CH2=CF2 ， HFP CF2=CF（CF3）正极活性物质真空密度反高=3.54.5g.cm-3，宜采用粘度较高的粘接剂，这样可以避免在制浆过程中由于沉降引起的浆料不稳定，实际制浆时，选择质量比为活性物质：粘解剂为96：4至88：12。60时初期容量迅速下降与PVDF粘接剂的过度膨胀有很大的关系。PVDF在一般的电解液体系中不膨胀，适合做粘接剂。4、 Pvdf主要用于电极的粘接剂（胶）和聚合物锂子电池的隔膜。负：Pvdf：NMP=1：10（60，恒温2h）C：Pvdf=10：1 Pvdf溶液中，调成浆料 极片厚度200m，于150烘干30min正：Pvdf：NMP=1：10 50、恒温2h LiCoO2 45.5g 乙炔是1.5 g、3 g、30 g NMP32g 碳棒搅拌15 min 2000r/ min 120干燥 120m左右。粘度小，汇算物质沉淀，粘度大，活性物质不分散。浆料粘度的主要影响因素是：材料的配比和电极活性物质的性能（形态：粘度和比表面积等）。隔膜：胶状隔膜选用Pvdf、气相二氧化硅、DBP作为造孔介质，采用相转移发泡技术，可制得孔径为50%、60%厚度约110m的微孔膜。在PE上，PP/PE/PP的基础上涂上一层Pvdf。隔膜在电解液中要稳定，又要求有一定的孔径和适当的锂子导电性。锂电池的化成：1、 对所有商品锂离子电池来说，控制充电过程非常重要，先是恒流，后是恒压。 CC：1C，OV：4.1V4.2V，整个充电过程可在3小时之内完成。化成时为了使负极碳材料表面形成均匀的SEI膜，通常采用阶梯式充放电的方法，在不同的阶段，充放电电流不同，陈化的间隔不同。CC，CV，陈化，放电，周期间隔。CC 4.2 CV 30mA 自放电间隔 放电 周期间隔 检测分选分容容量：放电电流与放电时间的乘积而得到的。SPE：固体聚合物电解质GPE：凝胶聚合物电解质。力神：卷绕式胶体聚合物锂离子电池，GPE引发剂，交连剂，单体PC含量高，则导电性高。EC碳酸乙烯酯 PC碳酸丙烯酯 DEC碳酸二乙酯DMC碳酸二甲酯 EMC碳酸甲乙酯 GBL-丁内酯凝胶聚合物电解质的制备1、 固体SPE是由聚合物和盐构成的，把聚合物和盐同时溶解在一种有机溶剂中，然后把所得的溶剂涂成薄层，再通过加热或减压的方式完全除去有机溶剂，即可得到固体SPE。对电解质膜的要求是离子电导率高，柔韧性好，能卷绕，孔率适当，有稳定的化学性能和电化学性能等。聚合物隔膜制备：Pvdf涂到（PE/PP/PE/PP）上的隔膜，然后在电池内部进行增塑剂及锂盐的后处理，即得到GPE（力神就是这样的） 增塑剂的作用是造孔，将其混入聚合物溶液中，成膜后将其除去，留下微孔用以吸附电解液。聚合所需要的能源：发射电子束，紫外线照射及加热法使电解质聚合电子束与紫外线照射有利于电解质溶液快速凝胶固化，大生产。加热凝固速度较慢，但操作简单，成本低。我们用Pvdf隔膜 制作过程：先把Pvdf和DBP混合成均匀的溶液，并加入一部分EC。另外将LiN(CF3SO2) 2溶于剩余的EC中，然后将两种溶液混合，并加热到6070，所得溶液倒入两块玻璃板中形成隔膜。Bellcore方法；须先制好正极膜、负极膜，GPE隔膜组成电池片，再将多块电池片叠加热压成电池组，然后用一种有机溶剂将增塑剂萃取排除，再将电池组装入铝塑膜盒中经升温、抽真空、干燥后注入电解液使其活化。内阻低、容量高、循环寿命长。正、负极电极膜的组成：正极： 15 78 7负极： 15 8082 35 聚合物基质材料 活性物质 导电剂 % % %聚合物基质材料百分比组成是骨架聚合物与DBP之比为60：40，负极为嵌锂碳材料，电解液为1mol/L,LipF6-EC+DML 体积比1：1电池性能评价指标：1、 容量：在一定的放电条件下，可以从电池获得的电量，即电流对时间的积分， mAh/Ah。2、 放电特性和内阻：电池在一定的放电制度下，其工作电压的平稳性，电压平 台的高低以及大电池放电性能，表明电池负载的能力，大电池放电时，内阻对放电特性的影响尤为明显。3、 工作温度范围：在特定的温度范围内有良好的性能。4、 储存性能；放置一段时间，会因某些因素的影响使性能发生变化，导致电池自放电，电解液泄漏，电池短路。5、 循环寿命：按照一定的制度进行充放电，其性能衰减到一定程度时的循环次数。6、 内压和耐过充电性能。决定电池性能的主要因素：1、 电极活性物质的选择：电极活性物质的选择决定了电极的理论容量和电极的平衡电位，从而决定了电池的容量和电动势，活性物质的化学当量越少，它的电化当量也越少，其理论比容量就越大。原子量 化学当量 电化当量 比容量 得失电子数化学当量=原子量/得失电子数电化当量=化学当量/26.8（g/Ah）比容量=1/电化当量（mAh/g）如；Al 原子量=26.98 得失电子数=3则：化学当量=26.98/3=8.99 电化当量=8.99/26.8=0.355 g/Ah 比容量=1/0.355=0.81 Ah/g如用金属锂做负极活性物质，理论比容量3862.5mAh/ g，大大高于锂嵌入式化合物LiC6最大容量372mAh/ g，但金属锂做负极的电池，充电时在负极上有金属锂沉淀，而沉淀的金属锂容量产生锂枝晶，将电池隔膜刺破，引起内部短路而发生安全事故。2、 电解液：稳定性、电导率、低温冰点、分解电压（电压高可选用有机溶液做电解液）3、 隔膜：稳定性、耐腐蚀、隔离性和电子绝缘性。电池设计； 18650例1、 容量设计；C设=C额*KC设：电池设计容量C额：电池额定容量K1：电池设计安全系数1.11.2。例：标称容量1600 mAh 标称电压3.7V 充电电压4.2V 标准充电电流1600mA 标准恒压充电时间2.5h工作温度范围：充电： 045 直径：18.2mm 放电： -3060 高度：65 mm 储存： 045 质量：约42 gC设=1600*1.1=176 mAh2、 极片高度设计：电池盖是一个组合件，既有过充电保护机构和内压过高时能自动打开的安全阀，同时还有一个降低或终止充放电的正温度系数的电阻元件。PTC 这些都需要空间，一般1015mm高，隔膜比极片高出24 mm，综合考虑，因电池高度为65mm，极片高度H级55mm（正极）3、 活性物质用量：活性物质用量=C设*q/q：活性物质电化当量 g/Ah ：活性物质利用率LiCoO2理论比容量：273 mAh/ g ：51.28%C ：372 mAh/ g ：97.2%或更低.锂电采用正极容量控制，负极过剩，过量10%因此，W+=1760/135=-13.04 g W-=1760*（1+10%）/300=6.45 g4、极片厚度：正、负极均采用双面涂敷，正极每面活性物质80m，负极每面活性物质是90m。5、极片面积计算：对于圆柱型锂离子电池来说，工作电流通常为160 mA，工作电流密度i，i=1-10 mA cm2，在此取i=3 mA cm2，则：S+=1600/3=533 cm2 S-=K 1S+=1.1*533=586 cm2 K 1为设计系数，这里取1.1。6、极片长度计算：正、负极片均为短极片，因为是双面涂敷，所以极片面积等于长*高的2倍，因此，极片的长度为：L+= S+/2H=533/2*5.5=49 cm L-= S-/2H=586/2*5.5=54 cm7、电解液的确定：通常用1mol/L LiPF6/PC-DEC(1:1)电解液，其用量通常为电池总重量的10%15%。8 、隔膜尺寸确定：隔膜长度是负极片长度的2倍，宽度比极片高度长24 cm。以上具体情况具体分析。电池的基本性能：1、 开路电压：开路电压接近电动势但总是小于电动势，外线路断路面极耳间的电位差。2、 电池的内阻：欧姆电阻和极化电阻。3、 电池的工作电压又称放电电压或负载电压：恒流放电，恒电阻放电。4、 充电电压：恒流放电，活性物质被恢复，电极反应面积不断缩小，电极的极化逐渐增高。恒压充电开始时，充电电流较大，随着充电反应的进行，电流逐渐减少，通过控制电压值减少充电时发生的副反应。缺点是充电时间长，设备利用率低。CC/CV。5、 储存性能和寿命：自放电率：x%=C前- C后/ C前*100% C前=储存前容量 =储存时间 C前=储存后容量连续两次放电时间小于36min，认为寿命终止，电池循环寿命应不小于300次。DBP：邻苯二甲酸二丁酯。增塑剂：造孔。充电参数：充电接受能力（充电效率）充电最高电压。充电效率：电池在充电时，用于活性物质转化的电能和充电时所消耗的总电能之比，以百分数表示。充电电流的大小、充电方法和充电时的温度直