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电池设计基础知识

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电池设计基础知识_第1页
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电池设计:(1) 正极参LiCoO2 活性物质比容量 140mAh/g活性物质含量0.96 正极基体厚度(Al) 15p( mg/cm2)35~45碾压密度 ( g/cm3) 3.66~3.68( 2) 负极参数 :活性物质比容量308mAh/g活性物质含量0.91 副负极基体厚度(Cu)10^负极涂敷量( mg/cm2) 10~30碾压密度 ( g/cm3) 1.66~1.68(3)设计 N/P(负正):1.03( 4)装配参:极耳处封装高度4mm极耳间距极耳上保护胶带层(5)辅助材料参数:隔膜厚度旳正、负极片宽度差( mm) 1~3负极同隔膜宽度差( mm) 21~2客户要求1保护胶带厚度P 100#终止胶带厚度# 80#铝塑袋厚度# 113#极耳厚度 # 100#极耳宽度 mm 3~4(6)设备公差:正极涂敷量公差 +/-(mg/cm2) 0.6(7)材料系负极涂敷量公差 +/-(mg/cm2)隔膜溶胀率0.020.3极组化成膨胀率 0.2极组满电膨胀率 0.1例:421270 280 mAh膜宽:70-7=63负极: 63-2=61正极 :卷针宽度:正极单面:A+B=28O+20/60*135*D/2*O・96*105 ——A-B=2*12+2电池厚度=极组厚度+极组厚度/10+0.2+0.1(修正)For Example:0520304・9=x+0・1x+0・3极组厚度为:4・2极组宽度=20-1・5=18・5注:1・5为两个折边+壳For Example : 441070 (采取651321 卷法) 250 mAh壳最长: 67隔膜宽: 60负极: 58正极: 56正极单边=2*10+2=22=A-BA+B=250+20/56*135*D/2*0.96得出 A、B负极片长=正极片长极组宽度=10-1.5=8.5 极组厚度=4.4-0.3/1.1=3.7如果正极极耳用镍,则会把镍电解正极: Co 酸锂 LiCoO2 粘接剂( PVDF1300,1700) 导电剂 导电剂:提高电极导电性 CB、KS、SS、SP、KB 和 LSTM。

粘接剂:把活性物质和导电剂粘在铝箔上负极:石墨活性材料石■: MCMB P15B-HG MCF (碳纤维)天然石墨CMS导电剂:SS、SP、LSTM (负极本身导电性很好,但颗粒小,SS能把颗粒连接 起来)粘接剂: PVDF1100, SBR、 CMC隔膜:电子绝缘,离子导通(要求强度好,多孔结构,在电池温度过高时,具有 闭孔特性)孔隙度40%好联苯4.7VPCS5.2V联苯:把隔膜孔堵住,切断电流电解液:电池内部电化学反映的环境,主要由溶剂:(EC、DEC、DML、EML、PC.内丁脂等)注:EC :碳酸二乙烯脂;PC :低温性能,电解质(LiPF6 "LiBF;,LiN( SO2CF3) 2、LiN ( SO2C2F5 ) 2和功能性添加剂,如:连苯(防过充)Vc(循环寿命)PCS (防过充)PS :加速形成SEILiN( SO2CF3) 2:金氟硫酸亚胺锂LiN( SO2C2F5) 2:能有效的抑制电极产生气体和提高温度循环等正极反应 :LiCoO2 - ~充电 * Li1-x CoO2+Xli++xeIF U=4.1v 时, x=0.5负极反应:6C+xLi++ xe ► Lix C6过充LiCoO2不稳定 k 分解 —k CO2O3 —► CO3O4容易发生爆炸C 的 1g 容量6个C带一个Li+72gC ► 1mol Li+72gC=1mol Li+=1.69*10-19*6.23*10231 gC=(1.69*10-19*6.23*1023)/72,形成固态电初次化成过程中:电池在 0-2.5V 左右时,电解液在负极表面还解质界面(SEI膜:烷基碳酸锂.氧化锂.碳酸锂.氟化锂等), 初次是不可逆的,如果容量占总容量的 10%左右, 对电池而 言产生气体:乙烯、丙烯、 CO2 等试剂还原产生的。

SEI膜:溶剂化分子离子化"让阳离子单过■阴离子挡住■正.负极表面都形成,对负极更需要,SEI膜对负极是保护,负极层状PC有个甲基是楔状, 没有膜会把负极翘起,负极失效由于电池初期的产生现象:处理方法:(1)开口排气( 2)新型电解液添加剂过充情况:产生氧气3CoO2=CO3 O4+注: 3COO2 不稳定注:2 HF:腐蚀性很强LiPF6+H2O ** 2 H^t +LiF+POF3设计:1、选用所用电池体系如果高容量则采用石墨体系负极,负极材料和电解液的匹配性,如果石墨体系中不能使用大量的PC, PC.V10%,而且要在电液中加 VC2、正、负极极片涂布参数的确定 1) 首先确定正负极可逆容量比 2) 根据电池容量、电池外形尺寸来计算极片的尺寸和涂布方式负极少,循环差应该0V4.2V-0=4.2V4.4V-02V=4.2V 造成正极过充 制胶:草酸使正极表面毛化 涂布敷和温度梯度设置(烘感区) 碾压:热压和冷压冷压:初始电压高,循环下降快,寿命一致性差热压:130°C (左右)毛刺控制:方型70p,型:30p ,聚合物正极:70p,负极:150险极片干燥: 130C 4 小时因: 1、去水。

2、除去 NMP3、PVDF卷绕注意问题:1、外形尺寸2、 居中对齐,正、负极活性物质对应良好,否则折锂3、 注意电极边缘是否有毛刺和掉粉,另外隔膜在空气中空气中长时间放置,需进行干燥处理4、 极组打开后,首极片是否断裂5、 铝壳电池的最外圈的铝箔和铝极耳,内部的对应位置上应没有:刁卷绕有三种方式:( 1)042025 式;( 2)651321 式;( 3)383562 式;(gma^v^B) (u^(bis) (脚鰹)4IS SW JUMIK^——晦钾ai(pire勘m)(职士)餵啊硼 (Z)wmiN,m^vm^aa(型型參)(册霧)wm餾瞬MU锡||咖<瞬 «satI趣壬&躍饭<1(啊)(MIIB£S)葩&申(I)谓晦呕甲鲫理y:,(S£ZltO ttt低巧9 £勒)圳奉胖H丽回團則陣刊W,: WW3I穆锡’OST '詔±«3»*: WaiMM邮傭丑(了)'邮hira (【):回土第却hLLTffit® :肇伽僦 1£)酗»3!沖紳,9H何闾B,9!彌紳:华低倒讥)禅茁昨”《B»r■f^MN :华鸵0即0")结构,然后,低温延伸再高温延伸,结晶晶面发生剥离,形成微孔PP/PE/PP , PE熔点较低,容易使隔膜产生闭孔;PP 熔点高,可以在隔膜 闭孔后,仍有良好的机械特性。

2、粘接剂:PVA (聚乙烯醇)(CH£HOH) 2CMC 羧甲基纤维素钠,白色粉末,易溶于水,良好的结合力,分 散能力锂离子电池电极制备是采用涂布工艺,一般采用刮刀或辊涂布的方式,通过 刀口间隙调节活性物质的厚度,刀口间隙很小PVDF粘接剂:PVDF(聚偏二氟乙烯),VF2(二氟乙烯)的均聚物和 VF2的共聚物 VF/HFD (六氟丙烯)是锂离子电池采用的粘接剂VF2 CH2=CF2 , HFP CF2=CF( CF3)正极活性物质真空密度反高p=3・5~~4・5g・cm-3,宜采用粘度较高的粘接剂, 这样可以避免在制浆过程中由于沉降引起的浆料不稳定,实际制浆时,选择质量 比为活性物质:粘解剂为96 : 4至 88: 1260C时初期容量迅速下降与PVDF粘接剂的过度膨胀有很大的关系 PVDF在一般的电解液体系中不膨胀,适合做粘接剂负:Pvdf : NMP=1 : 10 ( 60°C,恒温 2h )C: Pvdf=10: 1•Pvdf溶液中,调成浆料f 极片厚度V200pm,于150C 烘干 30min正:Pvdf : NMP=1 汁片 50C、恒温2h LiCoO2 45・5g 乙炔是 1.5 g、 3 g、 30 gNMP32g ―碳棒搅拌 15 min f 2000r/ min—120 匕干燥 一V 120pm 左右。

粘度小,汇算物质沉淀,粘度大,活性物质不分散浆料粘度的主要影响因素是:材料的配比和电极活性物质的性能(形态:粘度和比表面积等)隔膜:胶状隔膜选用Pvdf、气相二氧化硅、DBP作为造孔介质,采用相转移发泡技术,可制得孔径为50%、60%厚度约110pm的微孔膜在PE上,PP/PE/PP的基础上涂上一层Pvdf隔膜在电解液中要稳定,又要求有一定的孔径和适当的锂子导电性锂电池的化成:1、对所有商品锂离子电池来说,控制充电过程非常重要,先是恒流,后是恒压CC: 1C,OV : 4.1V~~4.2V,整个充电过程可在3小时之内完成化成时为了使负极碳材料表面形成均匀的 SEI,通常采用阶梯式充放电的方法,在不同的阶段,充放电电流不同,陈化的间隔不同cc,cv,陈化,放电,周期间隔CC —4・2 — CV f 30mA f 自放电间隔— 放电一周期间隔检测分选 分容容量:放电电流与放电时间的乘积而得到的SPE:体聚合物电解质GPE :凝胶聚合物电解质力神:卷绕式胶体聚合物锂离子电池,GPE引发剂,交连剂,单体PC 含量高,则导电性高EC碳酸乙烯酯 PC碳酸丙烯酯 DEC碳酸二乙酯DMC碳酸二甲酯 EMC碳酸甲乙酯 GBLy -丁内酯凝胶聚合物电解质的制备然后把所得的溶剂涂成薄层,再通过加热或减压的方式完全除去有机溶剂,即可得到体 SPE 。

对电解质膜的要求是离子电导率高,柔韧性好,能卷绕,孔率适当,有稳定的化学性能和电化学性能等聚合物隔膜制备:Pvdf涂到(PE/PP/PE/PP )上的隔膜塑剂及锂盐的后处理即得到GPE[力神就是这样的) 增留下微孔用以吸附电解液聚合所需要的能源:发射电子束,紫外线照射及加热法使电解质聚合电子束与紫外线照射有利于电解质溶液快速凝胶固化,大生产加热凝固速度较慢,但操作简单,成本低我们用Pvdf隔制作过程:先把Pvdf和DBP混合成均匀的溶液,并加入一部分EC另外将LiN(CF3SO2) 2溶于剩余的EC中”然后将两种溶液混合,并加热到60~~70匕,所得溶液倒入两块玻璃板中形成隔量高、循环寿命长Bellcore方法;须先制好正极膜、负极膜,GPE隔膜组成电池片,再将多块电池 片叠加热压成电池组,然后用一种有机溶剂将增塑剂萃取排除, 再将电池组装入铝塑膜盒中经升温、抽真空、干燥后注入电解正、负极电极膜的组成:正极: 15787负极: 1580~823~5聚合物基质材料活性物质导电剂%%%液使其活化内阻低、I — I聚合物基质材料百分比组成是骨架聚合物与 DBP 之比为 60: 40,负极为嵌锂碳材料,电解液为 1mol/L,LipF6-EC+DML 体积比1: 1电池性能评价指标:1、容量:在一定的放电条件下,可以从电池获得的电量,即电流对时间的积分,mAh/Ah。

2、放电特性和内阻:电池在一定的放电制度下,其工作电压的平稳性,电压平台的高低以及大电池放电性能,表明电池负载的能力,大电池放电时,内阻对放电特性的影响尤为明显3、工作温度范围:在特定的温度范围内有良好的性能4、储存性能;放置一段时间,会因某些因素的影响使性能发生变化,导致电池 自放电,电解液泄漏,电池短路5、循环寿命:按照一定的制度进行充放电,其性能衰减到一定程度时的循环次6、内压和耐过充电性能决定电池性能的主要因素:1、电极活性物质的选择:电极活性物质的选择决定了电极的理论容量和电极的平衡电位,从而决定了电池的容量和电动势,活性物质的化学当量越少,它的电化当量也越少,其理论比容量就越大子量化学当量电化当量 比容量 得失电子化学当量=原子量/得失电子 电化当量=化学当量26・8 ( g/Ah )比容量=1/电化当量( mAh/g)如; Al则:化学当量=26.98/3=8.99电化当量=8.99/26.8=0.355 g/Ah比容量=1/0.355=0.81 Ah/g如用金属锂做负极活性物质,理论比容量3862.5mAh/ g,大大高于锂嵌入式化 合物 LiC6最大容量372mAh/ g,但金属锂做负极的电池,充电时在负极上有金 属锂沉淀,而沉淀的金属锂容量产生锂枝晶,将电池隔膜刺破,引起内部短路而 发生安全事故。

2、电解液:稳定性、电导率、低温冰点、分解电压(电压高可选用有机溶液做电解液)隔膜:稳定性、耐腐蚀、隔离性和电子绝缘性电池设计; 18650 例1、容量设计;C严额* KC 设:电池设计容量C 额:电池额定容量笛:电池设计安全系数1・1~1・2例:标称容量 1600 mAh 标称电压 3.7V充电电压 4・2V标准充电电流1600mA 标准恒压充电时间2.5h工作温度范围:充电:0~~45°C直径18・2mm放电: -30~~60C高度: 65 mm储存: 0~~45C质量:约42 gC 设=1600*1・1=176 mAh 2、极片高度设计:电池盖是一个组合件,既有过充电保护机构和内压过高时能自动打开的安全阀,同时还有一个降低或终止充放电的正温度系数的电阻元,综合考件PTC这些都需要空间,一般10~~15mm高,隔膜比极片高岀2~~4 mm虑,因电池高度为65mm,极片高度H级55mm (正极)3、活性物质用量:活性物质用.=C设*q/nq :活性物质电化当量g/Ah n :活性物质利用率LiCoO2 理论比容量:273 mAh/ g n : 51.28%C : 372 mAh/ g n : 97.2%或更低.锂电采用正极容量控制,负极过剩,过量10%因此,W+=1760/135=-13.04 gW-=1760*(1+10%)/300=6.45 g4、极片厚度:正、负极均采用双面涂敷,正极每面活性物质80岬,负极每面 活性物质是90pm。

5、极片面积计算:对于圆柱型锂离子电池来说,工作电流通常为160 mA,工作电流密度 i, i=1-10 mA cm2,在此取 i=3 mA cmz,则:S+=1600/3=533 cm2S-=K 1S+=1.1*533=586 cm2K 1为设计系,这里取 1.16、 极片长度计算:正、负极片均为短极片,因为是双面涂敷,所以极片面积等于长*高的2倍,因此,极片的长度为: L+= S+/2H=533/2*5.5=49 cmL-= S-/2H=586/2*5.5=54 cm7、 电解液的确定:通常用1mol/L LPF/PC-DECa:])电解液,其用■通常为电池总重量的 10%~~15%8 、隔膜尺寸确定:隔膜长度是负极片长度的 2 倍,宽度比极片高度长2~~4 cm以上具体情况具体分析电池的基本性能:1、开路电压:开路电压接近电动势但总是小于电动势,外线路断路面极耳间的电位差2、电池的内阻:欧姆电阻和极化电阻电池的工作电压又称放电电压或负载电压:恒流放电,恒电阻放电4、充电电压:恒流放电,活性物质被恢复,电极反应面积不断缩小,电极的极 化逐渐增高恒压充电开始时,充电电流较大,随着充电反应的进行,电流 逐渐减少,通过控制电压值减少充电时发生的副反应。

缺点是充电时间长, 设备利用率低CC/CV5、储存性能和寿命:自放电率:x%=C前-C后C前*t*100%C前=储存前容量 T=ffi存C 前=储存后容量连续两次放电时间小于36min,认为寿命终止,电池循环寿命应不小于300次DBP :邻苯二甲酸二丁酯增塑剂:造孔充电参数:充电接受能力(充电效率)充电最高电压充电效率:电池在充电时,用于活性物质转化的电能和充电时所消耗的总电能之比,以百分数表示充电电流的大小、充电方法和充电时的温度直接 影响到充电效率充电过程中电池所达到最高电压是电池电池的另一个重要特性,充电电压越低,说明电池在充电过程中的极化就越少, 电池的充电效率就越高,电池的使用寿命就有可能更长良好的耐过充性能容量检测:恒电流法,优点是在放电过程中电流稳定,因而可方便的计算其容量电池组中,其整体性能一般是受性能最差的那只电池所决定的,对于一次电池来说,容量的检测是破坏性的因此只有通过干路的生产控制才能保证产品的一致性对于二次电池,除了严格的生产控制外,还应采用分选检测来保证电池容量的一致分选:将电池以一定的容量区间范围来进行区分容量分选和特性分选:对单体电池而言,一般容量越高,其内阻愈低。

自放电与温度有很大的关系,温度越高,自放电就越大安全保护措施:1、隔膜135C自动关断保护:PE-PP-PE三层复合膜,在电池生温到120C的情况下复合膜两侧的PE膜孔闭合,电池内阻增大,电池内部生温减缓"生到135°C时dP孔闭合,电池内部断路,电池不再生温,确保安全可靠2、电液中加入添加剂:过充电、电压高于 4.2V 的条件下,电液添加剂与电液 中其它物质聚合使电池内阻大幅度增加,电池内部形成大面积断路,电池不 再生温3、电池盖复合结构:采用刻痕防爆,电池生温时电池内部活化过程中所产生的气体膨胀,电池内压加大,压力达到一定程度刻痕破裂放气合格锂离子电池安全条件:1、短路:不起火,不爆炸2、过充:不起火,不爆炸3、 热箱:不起火,不爆炸(150C恒温lOmin)4、 针刺;不爆炸(用<p3mm针穿透电池)5、 平板冲击:不起火,不爆炸( 1Okg 重物自 1m 高处砸向电池)6、焚烧:不爆炸(煤气火焰烧烤电池)单体电池电压降至3V以下,即为过放电20%电容量为最佳保存状态,-2O°C~~-60°C之间。

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