锂电池的设计与研发介绍

1、锂电池的设计与研发,主要内容,第一部分：基础篇 一 电池基本结构、原理 二 电池种类 三 电池功能特点 四 电池的用途 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 目前研发的主要方向 电池研发成果的必要条件 研发实验的设计 实验报告的书写,第一部分 基础篇,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,电池原理：,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

2、据形状分：方形 圆柱 其他：折叠 弯曲 异型,三 电池功能特点,一 比容量高 酸 镉 镍 锂 35 41 50-80 120-160 140-180 Wh/kg 二 电压高 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. ） 四 长循环 五 自放电小 六 无记忆效应 七 无污染 环保 八,四 电池的用途,移动电话、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,1 容量 （放电容量 充电容量 额定容量 设计容量 标称容

3、量 平台容量 ） 2 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） 3 内阻 （极化内阻 欧姆内阻 静态内阻 动态内阻 ）,4 恒流充电 5 恒流放电 6 搁置 7 循环 8 活化 9 化成 10 分容 11 自放电 12 放电率,13 荷保持 14 记忆效应 15 放电电流 16 贮存寿命 17 过充 18 过放 19 短路 20自放电 21 倍率,第二部分：设计篇,设计的目的：满足客户的要求！ 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 80

4、0 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,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,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、5 电位高 6 化学稳定性好， 7 环保 8 便宜,电解液,1 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; 2 比较宽的电化学稳定窗口（电压） 3 较高的离子电导率，较低的电子电导率; 4 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; 5 合适的温度范围(高沸点一低熔点); 6 安全低毒，无环境污染。 7 便宜,隔膜,1 化学、电化学稳定性 2 机械性能（刺穿 拉伸） 3 反复充放电过程中对电解液保持高度浸润性， 4 隔膜材料与电极之间的界面相容性、 5 隔膜对电解质的保持性 6 闭孔温度低（120-135） 7 熔点要高（大于165）,铝镍带,1 过流密度大

6、 2 不易氧化 3 与电池内部物质不发生化学反应,工艺设计思路,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 普通手机 3G手机 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： 1 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！ 。,2 容量（功率） 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。 3 平台要

7、求 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。 4 使用环境 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）,5 工作时峰值与持续电流 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。 6尺寸

8、要求 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。,7循环性能 长循环 8 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 ，一切都 是假的！,常见

9、锂电池的使用参数：,常见电池设计时不同的要求,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,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50mm,第 一步、列出相关的固定的参数： 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

10、、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

11、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：,5、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12um。7、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

12、片厚度=18.45/1.6+10=127um； 8、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，,9、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 mm 11、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+

13、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-10,13极耳宽度与厚度，小电池，极耳0.1*4mm基本就够了 14 极片刮粉位： A10 B卷针宽*2.7+3 C=D+4*2 D=极耳宽+（24） E卷针-C/2,A,C,B,D,15、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% 17、根据不同的情况，进行相应的调整，,电池

14、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。,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： 一 电池爆炸的原理是什么？ 二 引起电池爆炸的因素有哪些？ 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？,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

15、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。 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。 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。 1材料： 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 Li

16、Mn2O4 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,b 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，从而引起电池大

17、面积的短路，这就要求隔膜要有很高的熔点。 c 电解液：电解液在电池内即起到导电作用，同时又要能起到保护作用，当充电电压到一定值时，形成络合物，在电池内部形成大面积的断路，使正负极通过电流减小，电池温度降低。,d 极耳（铝镍带）：在设计时，可能大家都没有太多的去考虑这一因素，其实极耳是连接电池内外的桥梁，当短路时，会承受很大的电流，其通过的电流密度当超过极耳最大电流密度时，会产生大量的热，致电池内部温度升高，内压增大。 e 壳体:钢壳 铝壳 软包，材料储高压能力比较：钢壳铝壳软包，选用软包铝塑膜最为安全，这与它的封边有一定的关系 ，当压力超过最大内压值时，封口处破裂，气体排出，电池一般不会爆炸。

18、,2 设计,a 正负极容量比：电池在使用的过程中，在不同程度都会有所破坏，那就要求负极的嵌锂空间至始至终都要比正极的脱嵌的锂离子空间大。如在设计时，没有考虑负极余量的大小 ，会造成析锂，刺穿隔膜，造成短路。 b 尺寸：电池的隔膜收缩与极片的宽度，当隔膜收缩过大，极片会引起短路。 c 放电电流：在设计时根据产品的使用放电电流来设计极片的面密度 压实 极耳类型等。当面密度过大，压实过高，极耳截面较小时，大电流放电，会产生析锂，产生大量的热造成电池爆炸。,d 防爆结构：当电池内压达到一定的压力时，进行排气减压的功能防止电池壳体爆炸。目前采用的有刻痕防爆，排气阀部件。 e 保护系统：对电池进行保护 过

19、充 过放 过流 短路,3 使用：,a 过充电： 当电压超过4.2V以上时，电解液分解，产生大量气体，电池内压升高，过充负极表面析锂，电池爆炸。 b 高温环境：高温环境使用电池胀气，电解液分解。 c 保护系统失效 外线路短路：用户在使用时，外线路短路，造成电池爆炸。 d 机械性的：刺穿 碰撞 造成电池短路爆炸。,三 如何来保证电池的安全？,其实以上列举了引起爆炸的因素，那么我们在设计时，把这些因素都考虑进去，电池的安全性应该是没有问题了。做为电池公司，我们只是在做生产电池，主要的是在前面材料 和设计上两个方面的考虑，电池出厂前进行严格的安全测试，合格后才出厂。在使用上，不仅要公司出具完整的使用说

20、明书，还须客户认真的按说明书使用，才能真正的保证电池的安全！,第三部分：研发篇,一目前锂电池研发的主要方向： A 3G手机电池（高容量） B 锂电动车电池 C 其他：成本 新型号 新材料开发,前景（意义） 全局性（人 机 料 RMB） 时间性 可行性 实验的合理设计 其他,二 电池研发成果的必要条件,最重要的：老板坚定不移的支持！,三 研发实验的设计,1 对材料的取样 1.1 对材料的筛选要求（ 产品对材料的要求 价位 供应商资历 产量 批次稳定性 行业口碑 克比容量 平台 循环 其他公司对其材料的使用情况 相关的测试报告） 1.2 从中选取2-3款最具符合要求的材料进行取样。 2 实验的目的

21、：针对性的测试材料的某一或几个性能（比如：本次实验主要测试负极材料的压实情况）,3 实验方案的设计： 根据材料的配比，对比性实验主要以下几种设计思路： 3.1 只针对材料本身的性能的测试，在设计时用现有生产的正/负材料（或其他） 配比新的材料。不用做对比实验 ，直接测试新材料在现有材料的配比下发挥的性能即可（如：克比，首次库仑，加工性能，循环，等）此测试的材料有可能不用于生产。,3.2 主要用于替换生产现有的材料 针对电池本身的性能：在进行方案设计时，可用生产上固定型号电池，用生产的正负极材料（或其他）与新材料同时做电池进行对比测试，如新材料在同其他材料配比的情况下发挥的性能较生产的好，说明此材料有下一步的测试价值。如没有，可放弃测试或考虑能否在其他项目上推广。