鋰電設計概述

Posted 2022-12-25 厚度

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鋰電設計概述

鋰電設計概述
在鋰電設計過程中，最常見的是已知電池的尺寸、充放電制度以及放電環境等參數，來設計電池的容量、內阻以及相關工藝參數;或者已知容量、充放電制度以及放電環境等參數，來設計電池的尺寸及相關部件參數。
影響鋰離子電池設計的相關因素
1.原材料的影響
材料的選擇是電池設計的關鍵部分。材料的特性決定了電池的性能。
2.活性物質的影響
正負極活性物質的質量比容量決定了電池的容量。
活性物質的顆粒度、比表面積及表面形態決定了電池的內阻、放電倍率等性能
3.集流體的影響
集流體的厚度及表面形態決定了電池最終的尺寸、內阻及倍率性能等。
4.隔離膜影響
隔離膜的厚度同樣影響電池的尺寸。其厚度、孔隙率也影響了電池的內阻及放電倍率。
5.電解液影響
電解液電導率、粘度、組分及添加劑影響到電池內阻、放電倍率及安全性能。
6.殼體的影響
封裝電芯的殼體厚度將影響電池的尺寸，殼體材料特性影響電芯結構。例如鋼殼電池採用負極包尾結構。鋁殼採用正極包尾結構。
其他材料如正負極導電劑、粘結劑以及極耳都會不同程度影響電池性能。
電池結構對電池設計影響
1.按殼體結構：可分為鋼殼、鋁殼以及鋁塑膜電池，因三種不同結構殼體的內部空間利用率不同，導致設計有差異。
2.按裸電芯結構：可分為疊片、卷繞。不同裸電芯的結構在空間利用率上也不一樣。對於卷繞結構的，不同卷繞方式對電芯尺寸容量有一定影響。不同卷繞方式包括正極包尾、負極包尾，極耳在外，極耳在內等。
3.按形狀：分為圓柱形、方形。不同裸電芯結構在不同形狀殼體內，其空間利用率也存在明顯差異。
工藝參數對電池設計的影響
1.正負極配方
配方中各活性物質百分比影響電池容量。各材料的配比影響極片的厚度。
2.正負極面密度的匹配
在一定範圍內，正負極面密度的匹配對電池尺寸有影響。
3.正負極塗布的面密度
塗布面密度影響電池尺寸及倍率放電性能。
4.正負極冷壓密度
冷壓密度影響極片的厚度以及孔隙率，分別影響極片的尺寸及放電倍率等性能。特別是負極的壓實密度大，將導致極片利用率下降。充電過程可能導致析鋰，使電池性能惡化。
5.群裕度設計
群裕度主要影響電池的尺寸，以及電池內阻和性能，主要是厚度方向的群裕度。
6.電液量設計
電解液不足將導致電池性能的惡化。電解液過多又會導致生產中的困難等。
其他工藝設計參數也會影響電池的最終結果。包括隔離膜設計餘量，負極相對正極的設計餘量等。
工藝能力對電池設計的影響
在設計過程中需要考慮工藝能力。工藝的偏差大，設計的餘量需要增大。工藝能力的概念將會貫穿整個設計過程。包括正負極容量匹配、冷壓厚度的範圍，容量的範圍等。一般用統計學方法來確認一定工藝能力條件下的設計偏差範圍。
例如電池標稱容量是2mAh。在無異常情況下要求容量合格率為=標稱容量=106mAh，最終電池容量100-112mAh。
製程過程中半成品變化對設計的影響
在鋰離子電池製作過程中，材料的狀態一直處在變化之中。主要是正負極片厚度在過程中變化。導致電池尺寸發生變化。這也是考慮電池裝配空間的重要因素。
通常出現半成品尺寸變化的工序及原因：
1.輥壓工序：輥壓作用導致極片延伸，極片長度發生變化。極片的延伸率主要與材料特性和壓實密度有關。
2.乾燥工序：極片乾燥後由於子內應力的釋放，導致極片厚度發生變化。
3.注液工序：注液後材料吸收電解液膨脹(特別是極片上粘結劑的吸液)，導致極片厚度也也發生變化。
4.化成分容工序：鋰離子的脫嵌作用導致材料結構變化，最終體現在厚度變化上。
以上就是鋰電設計的大體思路。後續我將會對每個設計因素的影響進行細化分析，同時以實例佐證。