电动汽车动力蓄电池及管理技术课件 第三章 锂离子电池电芯结构与材料基础

锂离子电池电芯结构与材料基础CONTENTSPartone电芯基础理论Parttwo正极材料Partthree负极材料Partfour电解液Partfive隔膜电芯基础理论01定义单体电池，又称为“电芯(Cell)”，是电池系统的最小单元。作用主要作用是将化学能转化为电能，并通过电池的放电过程将电能释放出来。电芯的定义与作用主要由正极(Cathode)、负极（Anode）、电解液（Electrolyte）、隔膜（Separator）以及外壳（Case）组成，如图1所示。组成部分电芯的基本组成图1电芯结构图正极材料02材料的化学稳定性要高，无毒、价廉且易于规模制备。良好的化学稳定性与实用性主体结构的锂离子的扩散和电子迁移速度必须快。高移动速度锂离子嵌入与脱出过程高度可逆，且材料结构在循环过程中保持稳定。长循环寿命材料基体应具有较低的分子量，同时能够可逆嵌入大量锂离子，以实现高质量比容量。高比容量放电反应应有较高的放电电压。高放电电压正极材料的基本要求目前锂离子电池正极材料研究最多的是具有固溶体反应行为的过渡金属氧化物和具有两相反应行为的磷酸盐。材料类型包括钴酸锂（LCO）、镍酸锂（LNO）、锰酸锂（LMO）、镍钴锰酸锂（NMC）和磷酸铁锂（LFP）等。常见生产用正极材料钴酸锂：具有放电平台高、比容量高、循环性能好、合成工艺简单等优点。镍酸锂：与钴酸锂具有相同的晶体结构，但镍酸锂的比容量更高，且镍资源丰富、成本低、毒性低。锰酸锂：具有较高的氧化电位，其热稳定性能比钴酸锂和镍酸锂好，耐过充。其尖晶石结构为锂离子的嵌入/脱出提供了良好的通道，有利于大电流充放电，同时具有工作电压高、安全性好、价格低廉和环境友好等优点。磷酸铁锂：磷酸铁锂中的阳离子排列不同于层状LiCoO₂和尖晶石LiMn₂O₄，其橄榄石晶体结构在充放电过程中体积变化小、热稳定性极高，有效抑制氧气释放，大幅降低了热失控风险。但其比容量较低（130~140mAh/g），能量密度逊于钴酸锂和三元材料。各材料性能特点常见正极材料及性能负极材料03高储锂容量具有高重量比容量和高体积比容量。低工作电位具有接近锂的氧化还原电位。高移动速度锂离子在固相中扩散系数大，在电极—电解液界面的移动阻抗小。高稳定性锂离子在电极材料中的存在状态稳定，其体积变化率低，在电解液中不溶解、不分解。高电子电导率电子的导电性高。负极材料的基本要求材料种类目前常见的负极材料有碳负极材料、锡基负极材料、含锂过渡金属氮化物负极材料和硅负极材料等。01商用负极材料目前真正商用的只有碳负极材料，可用作锂离子电池负极材料的碳负极材料有石墨、焦炭、中间相炭微球和硬炭等。02常见负极材料类型电解液04离子电导率高：保证锂离子在电解液中快速迁移，提升电池的充放电效率。电化学稳定的电位范围宽：适应电池在不同工作状态下的电位变化，保障电池的稳定性和安全性。热稳定好：使用温度范围宽，电池能够在各种环境温度下正常工作。化学性能稳定：不能与集流体和活性物质发生化学反应。安全低毒：确保在电池的生产、使用和回收过程中，对环境和人体健康的影响降到最低。基本要求锂离子电池的电解液是一种锂盐的有机溶液，在电池内部正负极之间起着输送和传导电流的作用，它在两个电极之间架起了一座锂离子专用的桥梁。正是由于电解液从传统的水溶液体系转变成有机体系，才使得锂离子电池的电压相对之前的其他电池有了大幅的提高。作用电解液的作用与基本要求不含氟锂盐（如LiClO₄）：虽具有良好电导率和热稳定性，但因其强氧化性存在安全隐患，难以实际应用。含氟锂盐（如LiBF₄、LiAsF₆、LiPF₆、LiCF₃SO₃）：LiBF₄的热稳定性差、易于水解且电导率低；LiAsF₆的综合性能优异但存在毒性问题；LiCF₃SO₃对正极铝集流体有腐蚀作用，影响电池的长期稳定性；LiPF₆因平衡了电导率、稳定性和成本，成为当前主流锂盐。新型锂盐研究：各国研究者仍在不断研究寻找综合性能更好的锂盐。一方面对LiPF₆进行改性，另一方面寻找替代LiPF₆的其他锂盐，如二草酸合硼酸锂（LiBOB）等。锂盐类型作用：为改善锂离子电池某些特性，而专门开发添加剂，添加少量的功能性添加剂能够显著改变电池的某些性能。常见添加剂：目前，研究开发比较多的有成膜添加剂（如VC，优化SEI膜稳定性）、导电添加剂（提升离子迁移率）、阻燃添加剂（增强安全性）以及耐过充添加剂（防止电池过充损坏）。添加剂类型及作用溶剂作用：作为锂离子电解液的主体成分，溶剂需满足高溶解度、离子解离度、电化学稳定性及安全性等要求。常用体系：目前多采用以碳酸乙烯酯（EC）为基础的多组分溶剂体系，辅以碳酸二甲酯（DMC）等共溶剂以优化性能。溶剂要求与常用体系组成部分锂离子电池的有机电解液通常由溶剂、锂盐和功能性添加剂组成。电解液体系优化意义通过优化上述组分，电解液体系可兼顾高能量密度、长循环寿命及安全性，是锂离子电池技术发展的核心环节之一。电解液的组成隔膜05作用隔膜是锂离子电池的关键组件，位于正负极之间，其核心功能包括电子绝缘与锂离子传导。材料组成通常由高分子树脂及辅助材料制成。特性影响其特性直接影响电池的倍率性能、循环寿命及安全性。隔膜的作用与特性商业化隔膜以聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）及其复合膜为主，具备良好的力学性能和热熔断特性。商用隔膜类型但普遍存在孔隙率不足、电解液浸润性差及热稳定性低等缺陷，制约了其在高能量密度电池中的应用。存在缺陷未来需通过材料改性或新型隔膜开发以突破现有瓶颈。未来发展方向商用隔膜类型与发展方向谢谢大家锂离子电池电芯构型与特性分析/CATALOGUE目录01电芯构型概述02圆柱电芯03方形电芯04软包电芯05电芯构型技术发展趋势电芯构型概述0101圆柱电芯圆柱形锂离子电池作为商业化最早、自动化程度高、工艺成熟且成本较低的动力蓄电池，在新能源汽车领域应用广泛。02方形电芯方形电芯因结构简单、工艺成熟，在我国制造的电动汽车领域应用广泛，但其定制化设计特点导致其生产工艺很难统一，标准化程度较低。03软包电芯软包电芯由正极、负极、隔膜及极耳等核心部件构成，采用铝塑复合膜作为封装材料，具有轻量化与高能量密度特性。电芯封装形式分类主要企业分布圆柱电芯主要企业有LG化学、松下、三星SDI、力神电池、亿纬锂能、比克电池等；方形电芯主要企业有宁德时代、比亚迪、三星SDI、国轩高科等；软包电芯主要企业有孚能科技、国能电池、万向A123、卡耐新能源等。应用领域差异圆柱电芯应用于电动汽车、电动轻型车、电动工具、消费电子、新型储能等；方形电芯应用于电动汽车、电动轻型车、新型储能等；软包电芯应用于电动汽车、消费电子等。生产与性能指标对比圆柱电芯生产良率高、电芯一致性高、机械强度高、生产自动化程度高；方形电芯上述指标为较高；软包电芯生产良率一般、机械强度一般、生产自动化程度一般。不同封装形式特性对比圆柱电芯02尺寸标识以直径和长度表示，如18650电池中，“18”代表直径18mm，“65”为长度65mm，“0”表示圆柱形。容量标识以毫安时（mAh）或安时（Ah）标注，反映电池的放电能力。化学成分标注通常标注为“Li-ion”（锂离子）或“Li-Polymer”（锂聚合物）。制造商与型号信息型号中常包含制造商代号以区分来源。命名规则主要由外壳、垫圈、排气孔、防爆阀、正极、负极、隔膜及电解液等构成。01核心部件早期多采用钢质，现主流为轻量化的铝质。02外壳材料演变正温度系数（Positivetemperaturecoefficient,PTC）热敏电阻：发生过流时电阻发热，温度升高使阻值剧增，进而切断回路，属于可恢复的安全装置。熔断装置：利用过流熔断机制实现不可恢复式永久保护。03过流保护装置结构组成空间利用效率低：形状可能导致在设备内部空间利用效率较低，堆叠时可能会留下较多的空隙，导致空间浪费。单体数量多：在电动汽车应用中，电池系统的圆柱单体数量多，使得电池系统复杂度大增，系统级别成本偏高。重量大：在相同容量下的重量较大，会增加车辆自重，影响续驶里程。缺点单体一致性较好能量密度高：一般单节圆柱锂离子电芯的额定能量密度在300~500Wh/kg之间，其比功率可达100W以上。散热性能好：圆柱电芯的表面积相对较大，有助于散热。技术成熟，寿命长：生产工艺成熟、成组成本低、电池良品率较高、使用寿命长。稳定性高：一般为密封蓄电池，使用过程中不存在维护问题，外壳一般耐高压，使用过程中一般不会出现电池鼓胀现象。优点性能特点典型型号参数14500：直径14mm，重量18-25g，标称容量700-1600mAh，标称电压3.2-3.7V，应用于消费电子等。16340：直径16mm，重量15-20g，标称容量600-1200mAh，标称电压3.6-3.7V，应用于特殊电子设备等。18650：直径18mm，重量42-55g，标称容量1500-3500mAh，标称电压3.6-3.7V，应用于电子领域、工业仪器等。21700：直径21mm，重量66-70g，标称容量3000-6000mAh，标称电压3.6-3.7V，应用于数码、电动汽车等。46800：直径46mm，重量335-355g，标称容量15000-26000mAh，标称电压3.2-3.7V，应用于特斯拉电动汽车。大圆柱电池发展趋势当电芯外径增至46mm时，整车续驶能力与降本效益均呈现边际递减趋势，46mm外径为当前技术条件下性能与经济性的最优解。主流高度为80mm与95mm，特斯拉采用80mm高度方案，宝马则倾向于95mm高度设计。常见型号与应用方形电芯03安全设计针刺安全装置（Nailsafetydevice,NSD）：在卷芯外层增设铜薄片等金属层，当针刺发生时，在针刺位置产生的局部大电流通过大面积的铜薄片迅速把单位面积的电流降低，防止针刺位置局部过热，缓减电池热失控发生。过充电保护装置（Overchargesafetydevice,OSD）：采用金属薄片与熔丝组合设计，过充电时电池内部产生的压力使得OSD触发内部短路，产生瞬间大电流，从而熔断熔丝，切断电池内部电流回路。核心部件由正极、负极、外壳、密封盖及安全阀等组成。结构组成可靠度高、系统能量效率高、重量轻、能量密度较高。结构简单，系统构成简化，单体容量大，稳定性良好，且扩容相对便捷。优点型号多样，工艺标准化程度低，生产自动化水平有限，导致单体一致性较差。在大规模应用中，系统寿命通常低于单体寿命。缺点性能特点01充放电过程中，电池内部压力（约0.3~0.6MPa）易导致壳体变形。主要原因包括：化成时形成SEI膜的过程中产气，内压升高；充电时电极材料晶格变化引发电极膨胀（主因）；高温存储时少量电解液分解及温度效应气体压力增大。侧面鼓胀问题02随着单体体积增大，内部热量传递路径延长，传导的介质与界面增多，散热效率降低，热量分布不均现象加剧。大型方形电池散热性能下降典型问题分析软包电芯04采用铝塑复合膜作为封装材料，铝塑膜为三层复合结构：外层阻（尼龙BOPA或PET材料，提供机械保护）、阻透层（铝箔，阻隔水氧）及内层（高阻粘合层，实现密封）。热封装工艺是其组成关键，铝塑膜特性使得电芯在热失控时多通过鼓胀泄压，降低爆炸风险。封装材料特性由正极、负极、隔膜及极耳等核心部件构成。核心部件结构组成优点安全性高：采用铝塑膜封装，热失控时可通过鼓气或封口开裂释放能量，安全性优于金属外壳电芯。比能量高：重量较同等容量的钢壳电芯轻40%，较铝壳电芯轻20%，具有较高的质量比能量；较同等规格尺寸的钢壳电池容量高10%~15%，较铝壳电池高5%~10%，体积比能量也较高。内阻小：内阻较其他形状锂离子电池小，中国最小可做到35mΩ以下，极大地降低了电池的自耗电。设计灵活：可根据客户需求定制外形，普通铝壳只能做到4mm，软包可以做到0.5mm，支持定制化外形，适配多样化需求。缺点成本高：型号繁杂导致自动化生产难度大，规模化程度低，单位成本居高不下。容易漏液和胀气：铝塑膜强度不足导致在成组时需额外支撑壳体，且易出现漏液、胀气问题。一致性较差：生产过程中自动化程度较低，造成电池的一致性较差，在充放电过程中安全性降低。性能特点目前主要应用于3C领域（笔记本电脑、手机电池）及储能市场。在动力蓄电池领域，因一致性问题应用较少。主要应用领域随着技术改进，其在新能源汽车中的渗透率逐步提升。技术改进与市场渗透应用领域与发展趋势谢谢大家动力电池电芯成组技术Catalogue目录01模块概述与定义02模组成组关键要求03模组构型设计04串并联方案设计与优化模组连接与设计05模块概述与定义01模组的核心概念电池模组（Batterymodule）是电池系统中的标准化组件，由多个电芯通过串并联组成，核心功能是通过串联提升系统电压或通过并联扩展容量，以满足不同应用场景的能源需求。01模组的定义典型模组结构组成典型模组结构包括电池单体、机械支撑组件（端板、侧板、固定螺钉、环氧树脂板）、模组和电极防护罩及连接片（图1）。02模组成组关键要求02结构设计要求足够的机械强度与稳定性：模组需承受振动、冲击、挤压等机械载荷，避免电芯因变形或移位导致性能下降或安全隐患。轻量化与高空间利用率：在保证强度的前提下，尽量减轻模组重量并优化电芯排布，提升能量密度。可维护性与扩展性：模组设计需便于电芯更换或梯次利用，同时支持灵活扩展以适应不同车型需求。热管理要求高效散热与温度均匀性：模组需配备液冷、风冷或相变材料等散热系统，确保电芯工作在15℃~45℃的最佳温度区间，并控制温差≤5℃。热失控防护：通过热隔离材料和防爆阀设计，延缓热失控蔓延，并为乘员争取逃生时间，例如模组间设置防火隔板，电芯顶部安装防爆阀。电气性能要求高一致性的电芯组合：电芯的容量、内阻、电压等参数需高度匹配，避免“短板效应”导致模组整体性能下降。低内阻与高效能：通过优化汇流排设计和焊接工艺（如激光焊接），降低接触电阻，减少能量损耗和发热。电压与电流管理：模组需支持高倍率充放电，并配备均衡电路以缓解电芯间的不一致性。安全防护要求绝缘与耐压性能：模组需满足高压绝缘要求（如绝缘电阻≥500Ω），并通过耐压测试。过流与短路保护：在模组输出端设置熔断器或继电器，防止过流或短路引发事故。IP防护等级：模组需达到IP67及以上防护等级，防止灰尘和水份侵入。制造与成本要求高自动化与一致性：模组生产需采用自动化设备，确保产品质量稳定。低成本与规模化：通过简化结构（如CTP技术）和优化材料，降低模组成本。环境与可靠性要求宽温域适应性：模组需在-30℃~60℃的环境温度下正常工作，并通过高低温循环测试验证可靠性。长寿命与耐久性：模组需满足8年以上使用寿命和2000次以上循环寿命要求，并通过盐雾、振动等环境测试。模组的成组要求模组构型设计03电池模组作为动力源，当需要较高电压或大电流时，需将若干个单体电池通过串联、并联或复联组成电池模组使用。开发前需优先确定模组中的电芯数量，通常根据整车给予电池系统的空间综合考虑，并根据单个模组的重量进行限制，具体分析见教材上表3-4。串联电池组中的每个单体电池的开路电压为U，内阻为Ri，n个单体电池串联组成的电池组的电压为nU，总内阻为nR。由n个单体电池串联，再将m个串联电池组并联组成复联电池组。并联的目的是增加电池容量，n个单体电池并联时，电池组电压仍等于单个电池电压。成组数量成组方式串联电池组并联电池组复联电池组模组构型串并联方案设计与优化04010203电池模组开发前需确定电芯串并联形式，串并联方案分为两种：方案一，电池模组中10支电芯采用2P5S的组合方式，系统中32个电池模组采用串联方式；方案二，电池模组中10支电芯采用1P10S的组合方式，系统中16个模组先串联再2个16S模组并联，两种方案优缺点对比见表3-5，设计优先采用2P5S方式。典型串并联方案目前动力蓄电池系统主要采用先并后串的成组方式，因先串后并方式存在明显缺陷：单个电芯损坏会导致整个串联回路失效，且串联回路间电压不一致易引发互充问题；先并后串方式具有容错优势，某电芯失效时，并联电芯仍可维持通流，尤其适用于18650等小电芯的成组需求。成组方式选择原则电芯尺寸与并联数量直接影响成组性能，大电芯并联数量少，成组结构简单，但电芯个体差异易放大；小电芯（如18650）并联数量多，成组复杂度高，但因并联基数大（如某系统采用74并96串结构，共7104节电芯），可通过概率均化效应提升单体一致性，当单体由数十个电芯并联构成时，各单体内部电芯性能差异趋于均衡，保障电池组整体一致性。电芯尺寸与并联数量影响串并联方案对比分析模组的成组结构由成组数量和方式决定，介绍一种2P5S模组结构：模组中若干只电芯排列组合，电芯与电芯/端板之间布置一片硅胶垫；电芯底部布置一片环氧树脂板；侧板与电芯之间布置一片绝缘片；电芯上部放置一个绝缘板；电芯之间的串并联采用连接片，连接片与电芯极柱之间采用激光焊接方式；模组上方安装一个模组防护罩；模组正/负极处安装防护盖。1.模组构型成组结构除上述所述，电池模组中还包含了温度采集线束（含温度传感器）和电压采集线束，采集线束最终集成在一个插件上。1.模组构型成组结构模组连接与设计05激光焊接的原理是利用激光束优异的方向性和高功率密度等特性进行工作，通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使被焊处形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝，如图所示。2.模组连接激光焊接目前激光焊接方式主要有穿透焊、缝焊，穿透焊是激光能量穿透上层连接与下层极柱使两个工作的材料熔合在一起的焊接方式，缝焊是激光能力通过连接片与电芯极柱之间的缝隙将两工件材料熔化后连接两个工作的焊接方式。穿透焊：当高功率激光聚集到金属外表时，热量来不及散失，焊接深度会急剧加深，故又称为深熔焊。深熔焊应用到模组焊接通常又称为穿透焊，连接片无需冲孔，加工相对简单。2.模组连接激光焊接缝焊的优点：相比于穿透焊（4kw），只需较小功率激光焊机（1kw），效率高；缝焊的熔深比穿透焊的熔深要高，可靠性相对较好。缝焊的缺点：对电芯有一定的影响，连接片需冲孔，加工相对困难。相比铜片同截面积的铝片，过流能力低，但可以通过增加铝片厚度到2mm，铝片将超过采用穿透焊铜片的过流能力，采用铜片的优势不存在。初步结论：采用铝片与缝焊的方式，无论是成本、效率以及焊接的可靠性，都较优。2.模组连接激光焊接螺栓连接，简称螺接，用防松螺钉固定电芯与母排之间的连接。这种形式，工艺上比较简单，但主要应用于单体容量比较大的电池系统中，尤其在方形电池螺接结构比较多时，见图。2.模组连接螺栓连接软包电芯机械压接方案，依靠狭缝式的弹性导电结构，把软包电池极耳直接夹持在模组导电件上获得稳定电气连接。省去焊接过程，同样拆卸方便。如图所示，小模组中用红色圈出来的位置，即为电气连接位置。2.模组连接机械压接（见教材）连接方式一：全螺丝连接的锂电池模块，即锂电池与长/短连接排、短连接排与极柱之间