鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：2265次 | 2019年06月14日
簡(jiǎn)要介紹鋰離子動(dòng)力電池設(shè)計(jì)的基本原則、設(shè)計(jì)要求，鋰電池設(shè)計(jì)的基本步驟
導(dǎo)讀：本文簡(jiǎn)要介紹了鋰離子動(dòng)力電池設(shè)計(jì)的基本原則、設(shè)計(jì)要求、評(píng)價(jià)鋰離子動(dòng)力電池性能的主要指標(biāo)和鋰離子動(dòng)力電池設(shè)計(jì)的基本步驟，并結(jié)合8Ah錳酸鋰動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)實(shí)例，詳細(xì)介紹了鋰離子動(dòng)力電池設(shè)計(jì)過程中各主要參數(shù)的確定方法、計(jì)算過程以及設(shè)計(jì)過程中相關(guān)細(xì)節(jié)的注意事項(xiàng)，結(jié)合本公司實(shí)際生產(chǎn)能力和生產(chǎn)設(shè)備的實(shí)際工況，確定了正負(fù)極極片分段的設(shè)計(jì)思路，將正負(fù)極極片分別分為四段，卷成兩個(gè)電芯，采用內(nèi)部并聯(lián)的方式與電池的極柱鏈接，成功的解決了生產(chǎn)中極片過長(zhǎng)極片不易加工和卷繞不易對(duì)齊的難題，為動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)提供重要的參考依據(jù)。
1.鋰離子動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
1.1動(dòng)力電池設(shè)計(jì)的基本原則
動(dòng)力電池設(shè)計(jì)，就是根據(jù)用電設(shè)備的要求，為設(shè)備提供工作電源或動(dòng)力電源。因此，動(dòng)力電池設(shè)計(jì)首先必須根據(jù)用電設(shè)備需要及電池的特性，確定電池的電極、電解液、隔膜、外殼以及其他部件的參數(shù)，對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，并將它們組成有一定規(guī)格和指標(biāo)(如電壓、容量、體積和重量等)的電池組。動(dòng)力電池設(shè)計(jì)是否合理，關(guān)系到電池的使用性能，必須盡可能使其達(dá)到設(shè)計(jì)最優(yōu)化。
1.2動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)要求
符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
動(dòng)力電池設(shè)計(jì)時(shí)，必須了解用電設(shè)備具對(duì)電池性能指標(biāo)及電池使用條件，一般應(yīng)考慮以下幾個(gè)方面:
電池工作電壓；
電池工作電流，即正常放電電流和峰值電流；
電池工作時(shí)間，包括連續(xù)放電時(shí)間、使用期限或循環(huán)壽命；
電池工作環(huán)境，包括電池工作環(huán)境及環(huán)境溫度；
IP67防水，充放電分口 安全可靠
標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無人設(shè)備
電池最大允許體積。
鋰離子動(dòng)力電池由于其具有優(yōu)良的性能，使用范圍越來越廣，有時(shí)要應(yīng)用于一些特殊場(chǎng)合，因而還有一些特殊要求，如耐沖擊、振動(dòng)、耐高低溫、低氣壓等。在考慮上述基本要求時(shí)，同時(shí)還應(yīng)考慮材料來源、電池特性的決定因素、電池性能、電池制造工藝、技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析和環(huán)境溫度。
1.3評(píng)價(jià)動(dòng)力電池性能的主要指標(biāo)
動(dòng)力電池性能一般通過以下幾個(gè)方面來評(píng)價(jià):
容量。電池容量是指在一定放電條件下，可以從電池獲得的電量，即電流對(duì)時(shí)間的積分，一般用Ah表示，它直接影響電池的最大工作電流和工作時(shí)間。
放電特性和內(nèi)阻。電池放電特性是指電池在一定的放電制度下，其工作電壓的平穩(wěn)性，電壓平臺(tái)的高低以及大電流放電性能等，它表明電池帶負(fù)載的能力。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)電阻，大電流放電時(shí)，內(nèi)阻對(duì)放電特性的影響尤為明顯。
工作溫度范圍。用電設(shè)備的工作環(huán)境和使用條件要求電池在特定的溫度范圍內(nèi)有良好的性能。
儲(chǔ)存性能。電池儲(chǔ)存一段時(shí)間后，會(huì)因某些因素的影響使性能發(fā)生變化，導(dǎo)致電池自放電，電解液泄漏，電池短路等。
循環(huán)性能。循環(huán)壽命是指二次電池按照一定的制度進(jìn)行充放電，其性能衰減到某一程度時(shí)循環(huán)次數(shù)，它主要影響電池的使用壽命
安全性能。主要是指電池在濫用的條件下電池的安全性能如何，濫用條件主要包括過充電、短路、針刺、擠壓、熱箱、重物沖擊、振動(dòng)等，抗濫用性能的好壞是決定電池能否大量應(yīng)用的首要條件。
2.鋰離子動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)基本步驟
動(dòng)力電池設(shè)計(jì)主要包括參數(shù)計(jì)算和工藝指定，具體步驟如下：
2.1、確定組組合電池中單體數(shù)目，單體電池工作電壓與工作密度
單體電池?cái)?shù)目
確定單體電池工作電壓與工作電流密度
根據(jù)選定系列電池的伏安曲線，確定單電池的工作電壓與工作電流密度，同時(shí)應(yīng)考慮工藝的影響，如電極結(jié)構(gòu)型式的影響。
2.2、計(jì)算電極總面積和電極數(shù)目：
根據(jù)要求的工作電流和選定的工作電流密度，計(jì)算電極總面積
根據(jù)要求的電池外形最大尺寸，選擇合適的電極尺寸，計(jì)算電極數(shù)目.
2.3、計(jì)算電池容量
額定容量額定容量=工作電流*工作時(shí)間
設(shè)計(jì)容量
為了保證電池的可靠性和壽命，一般設(shè)計(jì)容量比額定容量高10%~20%。
設(shè)計(jì)容量(Ah)=(1.1~1.2)額定容量
2.4、計(jì)算電池正、負(fù)極活性物質(zhì)用量
計(jì)算控制電極的活性物質(zhì)用量
根據(jù)控制電極的活性物質(zhì)的電化當(dāng)量、設(shè)計(jì)容量以及活性物質(zhì)利用率來計(jì)算單體電池中控制電極的物質(zhì)用量。對(duì)于鋰離子動(dòng)力電池而言，從安全性能和成本等因素來考慮，一般均采用正極材料作為控制電極的活性物質(zhì)。
計(jì)算非控制電極的活性物質(zhì)用量
單體電池中非控制電極活性物質(zhì)的用量，應(yīng)根據(jù)控制電極活性物質(zhì)的用量來定，為了保證電池有較好的性能，一般應(yīng)過量，通常取過剩系數(shù)為1~2之間。鋰離子動(dòng)力電池通常采用碳負(fù)極材料過剩，過剩系數(shù)取1.1。
2.5、計(jì)算正、負(fù)極的平均厚度
計(jì)算每片電極物質(zhì)用量
每片電極厚度
2.6、隔膜的選擇
鋰離子電池經(jīng)常用的隔膜有單層PE、雙層PP/PE和三層PP/PE/PP等微孔膜，厚度有25μm、35μm和40μm等幾種規(guī)格，可根據(jù)電池的實(shí)際需要選擇。
2.7、確定電解液的濃度及用量
根據(jù)選定的電池系列特性，結(jié)合具體設(shè)計(jì)電池的使用條件(如工作電流、工作溫度等)或根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來確定電解液的組成、濃度和用量。
2.8、確定電池的裝配比及單體電池殼體尺寸
電池的裝配比根據(jù)所選定的電池特性及設(shè)計(jì)電池的極片材料、厚度等情況來確定，一般控制在80%~90%。根據(jù)用電設(shè)備對(duì)電池的要求選定電池后，再根據(jù)電池殼體材料的物理性能與機(jī)械性能，確定電池殼體的寬度、長(zhǎng)度及壁厚、有無安全保護(hù)裝置等。
3.鋰離子動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)舉例
本設(shè)計(jì)是根據(jù)公司市場(chǎng)部提出的要求，結(jié)合實(shí)際情況來做的。客戶具體要求為:要求提供8Ah25V鋰離子動(dòng)力電池組，有兩個(gè)體積相同的殼體，殼體內(nèi)部尺寸為:133mmX95mmX65mm，要求電池的用極柱連接，正常工作電流3A。具體設(shè)計(jì)步驟如下:
3.1單體電池?cái)?shù)目
錳酸鋰動(dòng)力電池工作電壓為3.7V，要組裝25V的電池組需要7塊單體電池。
3.2電池容量設(shè)計(jì)
C設(shè)=C額*k1
式中C設(shè)一一電池設(shè)計(jì)容量;
C額一一電池額定容量，8.0Ah;
k1一一電池設(shè)計(jì)安全系數(shù)，一般取1.1~1.2。
在此處取民為1.1，則C設(shè)=8.0X1.1=8.8Ah
3.3電池尺寸設(shè)計(jì)
根據(jù)電池組殼體的尺寸，結(jié)合所需電池的數(shù)目，采取一個(gè)殼體放4塊電池，另一個(gè)殼體放3塊電池，單體電池的外部尺寸為:130mmX60mmX22.5mm(含極柱)，電池殼體外部尺寸:120mmX60mmX22.5mm?？紤]動(dòng)力電池對(duì)安全性能的要求比較高，在蓋板上預(yù)留出一個(gè)防爆孔作為泄氣裝置，防止出現(xiàn)異常情況時(shí)電池爆炸。
3.4極片面密度設(shè)計(jì)
通常錳酸鋰正極活性物質(zhì)的比容量為90mAh/g，碳負(fù)極活性物質(zhì)的比容量330mAh/g，本設(shè)計(jì)按負(fù)極過量10%計(jì)算，因此正負(fù)極活性物質(zhì)用量分別為:
W+=8800/90=97.8W-=8800*(1+10%)/330=29.3g
結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在錳酸鋰動(dòng)力電池中，正極面密度一般為440g/m2，與之相應(yīng)的負(fù)極面密度為145g/m2。
3.5極片高度設(shè)計(jì)
在考慮極片高度時(shí)應(yīng)注意以下幾個(gè)方面:極片上部應(yīng)有一定的空間，以便防充電時(shí)電池內(nèi)壓的增高，同時(shí)也為栓接留出足夠的空間，通常負(fù)極高度比正極高2~4mm，隔膜高度比負(fù)極高2~4mm。綜合上述因素，結(jié)合電池殼體的尺寸，確定電池的正極極片高度為102mm，負(fù)極極片高度為106mm，隔膜高度為110mm。
3.6極片長(zhǎng)度的計(jì)算
正極活性物質(zhì)含量為92%，則極片長(zhǎng)度為:L=27.8/0.92/442/0.102=2.369m
結(jié)合實(shí)際操作需要，考慮將正極分成四段，每段料區(qū)長(zhǎng)度為600mm，為焊接極耳需要，還需留出一定的空白區(qū)域，此處選取空白區(qū)域?yàn)?5mm;考慮到負(fù)極極片要完全包裹正極，此處選定負(fù)極短片料區(qū)長(zhǎng)度為610mm，空白銅餡長(zhǎng)度需根據(jù)實(shí)際需要確定。
3.7極片厚度確定
結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)，錳酸鋰正極材料的壓實(shí)密度在2.6左右，石墨碳粉的壓實(shí)密度在1.5左右，則本設(shè)計(jì)中的正極極片厚度在185μm左右，負(fù)極極片厚度在110μm左右。
3.8卷針的設(shè)計(jì)
動(dòng)力電池的卷針根據(jù)電池的型狀不同可分為圓形卷針、方形卷針和橢圓形卷針。由于本設(shè)計(jì)的電池是方形電池，故采用方形卷針，根據(jù)電池具體尺，結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，確定卷針的寬度為40mm，厚度1mm。
3.9隔膜的尺寸確定
隔膜的長(zhǎng)度通常為負(fù)極的2倍，寬度比極片高度長(zhǎng)2~4mm，結(jié)合動(dòng)力電池對(duì)安全性能的要求，本設(shè)計(jì)選用厚度35μm的三層PP/PE/PP隔膜。
3.10電解液的確定
目前鋰離子動(dòng)力電池通常采用1mol/L的LiPF3/EC-DMC-EMC(1:1:1)，鈷酸鋰動(dòng)力電池用量為3.5~4g/Ah，而鏡酸鯉動(dòng)力電池用量5.5~6g/Ah。
應(yīng)用場(chǎng)景：我國(guó)電網(wǎng)儲(chǔ)能場(chǎng)景發(fā)展迅速，家庭和商業(yè)儲(chǔ)能等其它場(chǎng)景起步較晚。
目前，全球各國(guó)都在積極開展動(dòng)力電池綜合利用相關(guān)研究。美、日、德等國(guó)起步較早，并且已有成功的商業(yè)項(xiàng)目和應(yīng)用工程。
例如，美國(guó)的FreeWire公司、德國(guó)博世集團(tuán)等已成功開發(fā)出家庭和商業(yè)儲(chǔ)能、移動(dòng)電源以及電網(wǎng)儲(chǔ)能等梯次電池應(yīng)用場(chǎng)景。我國(guó)是近幾年才開始相關(guān)研究，探索實(shí)踐主要在電網(wǎng)儲(chǔ)能、低速電動(dòng)車等應(yīng)用場(chǎng)景方面。
商業(yè)模式：美、日商業(yè)模式已經(jīng)成熟，我國(guó)尚處于探索中。
目前，美國(guó)實(shí)行的是生產(chǎn)者責(zé)任延伸+消費(fèi)者押金制度，政府通過押金制度督促消費(fèi)者上交退役電池給汽車銷售企業(yè)。同時(shí)對(duì)電池生產(chǎn)企業(yè)收取回收費(fèi)、對(duì)消費(fèi)者收取部分手續(xù)費(fèi)，用于成立回收基金，以支持電池梯次利用和回收利用。
日本從2000年起即規(guī)定電池生產(chǎn)商負(fù)責(zé)鋰電池回收，退役電池通過逆向物流統(tǒng)一返回電池生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行評(píng)估、分選和重組，再流向梯次電池用戶。
相較于美、日成熟的電池綜合利用商業(yè)模式，我國(guó)尚未形成覆蓋面較廣且統(tǒng)一的回收網(wǎng)絡(luò)，而是處于多種模式并存狀態(tài)。
技術(shù)規(guī)范：性能評(píng)估、分選重組和壽命預(yù)測(cè)技術(shù)與國(guó)外仍有差距。
從技術(shù)角度看，綜合利用電池性能評(píng)估檢測(cè)、快速分選和重組、電池溯源和安全監(jiān)控是全球重點(diǎn)突破的方向。我國(guó)在動(dòng)力電池退役判定標(biāo)準(zhǔn)及性能評(píng)估技術(shù)、自動(dòng)化拆解和分選重組、電池壽命預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，與發(fā)達(dá)國(guó)家仍有差距。4.簡(jiǎn)單結(jié)論
以上是對(duì)本人四年來在鈷酸鋰動(dòng)力電池設(shè)計(jì)方面工作經(jīng)驗(yàn)的簡(jiǎn)單總結(jié)，簡(jiǎn)要介紹了鍵離子動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)基本原則、設(shè)計(jì)要求和主要性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，選取8Ah鈷酸鋰動(dòng)力電池為例，詳細(xì)介紹了組離子動(dòng)力電池設(shè)計(jì)具體步驟以及需要注意的事項(xiàng)，為鍵離子動(dòng)力電池的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。上述設(shè)計(jì)思路只是動(dòng)力電池設(shè)計(jì)中的一些基本思路，在工業(yè)上設(shè)計(jì)具體電池時(shí)，還應(yīng)根據(jù)用戶的具體要求和本單位的自身?xiàng)l件、原材料的狀況以及設(shè)備與原材料的配套情況等因素，對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，然后通過具體實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)一步優(yōu)化，提高動(dòng)力電池的綜合性能和降低生產(chǎn)成本，使設(shè)計(jì)生產(chǎn)的動(dòng)力電池在市場(chǎng)上具有很好的競(jìng)爭(zhēng)能力。
