锂离子电池原理及设计教材

1、锂离子电池原理及设计教材原理篇电池原材料化工类材料：正极：钴酸锂、锰酸锂、镍酸锂、磷酸铁锂、三元材料负极：人造石墨、中间相碳微球（沥青基）、针状焦、改性天然石墨其他：隔膜、电解液、导电剂、PVDF 、NMP 、草酸、SBR 、CMC 、高温胶纸、铜箔、铝箔等五金类材料：钢壳、铝壳、盖帽、隔圈、铝带、镍带、铝镍复合带等、铝塑膜等电池原材料是决定电池性能的最重要的因素，电池性能的提升归根结底来自于电池材料的优化及更新 。锂离子电池反应机理锂离子电芯的反应机理是随着充放电的进行，锂离子在正负极之间嵌入脱出，往返穿梭电芯内部而没有金属锂的存在，因此锂离子电芯更加安全稳其反应示意图如下所示： 电芯的正极

2、是LiCoO2加导电剂和粘合剂，涂在铝箔上形成正极板，负极是层状石墨加导电剂及粘合剂涂在铜箔基带上，目前比较先进的负极层状石墨颗粒已采用纳米碳。 根据上述的反应机理，正极采用LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O2等，其中LiCoO2是一种层状结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走XLi 后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于X 的大小。通过研究发现当X>0.5时Li(1-XCoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的电压及安全性能。所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-XCoO2中的X 值，一般充电电压不大于4.2V 。那么X 小于0.5

3、，这时Li1-XCoO2的晶型仍是稳定的。负极C6其本身有自己的特点，当第一次化成后，正极LiCoO2中的Li 被充到负极C6中，当放电时Li 回到正极LiCoO2中，但化成之后必须有一部分Li 留在负极C6中，以保证下次充放电Li 的正常嵌入，否则电芯的寿命很短，为了保证有一部分Li 留在负极C6中，一般通过限制放电下限电压来实现。所以锂电芯的安全充电上限电压4 .2V，放电下限电压2.5V 。锂离子电池的主要制造过程Li-ion 电池的工艺技术比较严格、复杂，这里只能简单介绍一下其中的几个主要工序。 1 配料正极：钴酸锂9494.5% 负极：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 或水为溶剂，采用真空搅拌方式，将电极活性物质、导电剂、胶进行充分的物理混合，形成成分均匀的浆料。2 涂布(拉浆目的：将电极浆料均匀地涂敷在基体（集流体）的表面并经过烘箱干燥，形成干燥、均匀的电极极片。3 制片目的：将涂布后的电极大片经过对辊、裁切，形成工艺标准所要求的电极小片（长度、宽度、厚度、刮粉位尺寸），将极耳焊接上去并进行相应的安全保护（贴胶纸）。 4 装配目的：将制备好的极片与隔膜卷绕成型、压扁后套入/甩入壳体内，然后将极耳通过焊接与盖板连接起来并压合盖版。5 激光焊目的：通过激光将电池壳体与盖帽进

5、行熔融焊接为一个整体，并形成一个密闭空间（除注夜孔处）。6 注液目的：将电解液通过真空注液机从注夜孔注入到电池内部。7 预充目的：用小电流对电池进行第一次充电，激活电池活性物质，释放第一次充电产生的废气；8 化成目的：用小电流进一步对电池充电，完成电极活化过程.9 分容目的：将老化后的电池进行第一次放电，根据电池放出容量进行等级划分。设计篇锂离子电池的标识和含义:标识由三部分组成:例如 383562 3.7V 800mAh电池规格表示： 厚度为3.8mm 宽度35mm 长度为62 mm额定容量 800mAh又如 5048168 3.7V 3600mAh电池规格表示： 厚度为5.0mm 宽度48

6、mm 长度为168 mm额定容量 3600mAh电池结构 锂离子电池设计的基本原则容量过量由于生产因素等各种原因，可能导致电池实际容量达不到标称容量的要求，因此电池设计时，设计容量必须高出电池标称容量3%5%（甚至7%）负极过量锂离子电池的基本原理为锂离子电池在正负极材料间的可逆嵌入和脱嵌，且材料克容量随着电池循环次数的增加而降低。若负极容量低于正极容量，当电池充电时，从正极过来的锂离子不能全部嵌入到负极材料中，便会在负极表面堆积形成不可逆容量，造成电池容量的急剧下降，且容易形成锂枝晶引起电池安全隐患，因此电池设计时，单位面积上的负极容量需高出正极容量3%5%。负极包住正极同原则二，电池设计时

7、必须保证有正极敷料的地方对应有负极敷料。正、负极隔离电池内部正、负极若直接接触，则在电池内部形成了一个无负载的回路，电池形成短路状态，若为微短路则引起自放电等现象，若短路情况严重，则引起爆炸等安全问题，因此电池设计时须保证正、负极的完全隔离。a 隔离膜比负极片宽，卷绕时有重叠b 容易引起短路或隔离膜损坏的地方用胶纸等进行保护铝壳锂离子电池设计的内容一、 电池设计需确定的参数：标称容量、设计容量、外壳、帽盖尺寸、正/负极片长度（宽度/厚度），隔膜长度（宽度/厚度）、注液量、极片刮粉位尺寸、卷针尺寸、正/负极耳长度、制片胶纸规格等二、 电池设计原则及步骤：1、确定容量（即确定了正极附料量）设计容量

8、/标称容量=1.031.08(过量系数），过量系数一般根据材料稳定性、制程能力及电池实际空间来稍作调整。如材料稳定性较好、制程能力较高、电池空间隔 较小的话过量系数可以稍小一些。根据设计容量、配比及材料克容量算出附料量。2、确定极片/隔膜纸宽度隔膜宽度=电池标称高度-3mm （盖帽厚度+立体隔圈厚度+壳底板厚度）负极片宽度=隔膜宽度-2mm正极片宽度=负极片宽度-1（2）mm3、确定正/负极片长度、面密度（以铝壳电池为例）卷针宽度(方=铝壳内宽-铝壳内厚-2倍卷针厚度-C （系数）卷针直径(圆=卷针宽度（方）/1.57正极片长度=（卷针宽度+铝壳内宽）×折数/2负极片长度=正极片长度

9、-铝壳内宽隔膜长度=负极片长度×2 + 1518mm刮粉位尺寸：其中A 、E 、F 是极耳位，因此宽度就等于极耳宽度C 位也是为负极耳位预留的位置，根据实际结构及考虑偏差，一般C=34倍A ，A+B+C/2=卷针宽度。实际上E 不等于F ，是由于刮粉工艺需要，若负极用涂布的话E 就可以等于F 了。 极片示意图 正极片 负极片 现在就开始确定面密度了，首先将正极片的有效活性物质面积算出来， S=L-（3A+C+D）/2×H面密度=附料量/S算出来面密度应该在4046之间，如果面密度偏大或偏小，则通过调整折数来获得最佳面密度正极面密度出来了，接着负极面密度也出来了，一般按照负极容量与正极容量过量系数为1.031.08的原则：负极面密度×负极活性物质含量×负极克容量 =正极面密度×正极活性物质含量×正极克容量×容量过量系数极片厚度=面密度/材料压实密度+铜（铝）箔厚度注液量设计有两种计算方法：一种是空间系数法，另外一种是容量法，一般来说按容量来算是比较合理的。根据电解液厂家不同注液量会有一些不同，但设计中也可不考虑此因素。一般1g 电解液=300330mAh 容量，可根据电池的循环性能及工序能力