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电池设计基本知识

时间 :2016-12-15    来源:驰普科达    

浏览次数 :5120

一.电池设计的目的和基本原则

电池设计就是根据仪器设备的要求,为其提供具有最佳使用性能的工作电源或动力电源。因此,电池设计首先必须满足用电器的使用要求,并进行优化,使其具有最佳的综合性能,以此来确定电池的电极、电解液、隔膜、外壳和其它零部件的参数,并将它们合理搭配,制成具有一定规格和指标的电池或电池组。

二.电池的设计要求

电池设计是为满足对象(用户或仪器设备)的要求进行的。因此,在进行电池设计前,首先必须详尽地了解对象对电池性能指标及使用条件的要求,一般包括以下几个方面:

   •  电池的工作电压;

   •  电池的工作电流,即正常放电电流和峰值电流;

   •  电池的工作时间,包括连续放电时间,使用期限或循环寿命;

   •  电池的工作环境,包括电池工作时所处状态及环境温度;

   •  电池的最大允许体积。

•  同时还应考虑:材料来源;电池性能;电池特性的决定因素电池工艺;经济指标;环境问题等方面的因素。

三. 评价电池性能的主要指标

( 1 )容量    

          电池容量是指在一定放电条件下,可以从电池获得的电量,即电流对时间的积分,一般有 Ah 或 mAh 来表示,它直接影响到电池的最大工作电流和工作时间。

( 2 )放电特性和内阻  

          电池的放电特性是批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流放电性能等,它表示电池带负载的能力。电池内阻包括欧姆内阻和电化学极化内阻,大电流放电时,内阻对放电特性的影响尤为明显。

( 3 )工作温度范围

          有电器的工作环境和使用条件要求电池在特定的温度范围内具有良好的性能.

( 4 )贮存性能

         电池贮存一段时间后,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;电池短路等。

( 5 )循环寿命(二次电池)

          循环寿命是指二次电池按照一定的制度进行充放电,其性能减到某一程度(例如,容量初始值的 60% )时的循环次数。

( 6 )安全性能

          对于电池的不当使用,可能会造成电池的过热和漏液,进而损害身体或损坏其他设备。所以在电池设计时,安全性是一个非常重要的环节。电池的安全性考虑会在电池的理论设计之前进行,包括了材料的选择能否符合要求,安全功能的设计是否符合要求等等。

四.电池设计的思路及基本步骤

根据电池用户要求,电池设计的思路有两种:一种是为用电设备和仪器提供额定容量的电源;另一种则只是给定电源的外形尺寸,研制开发性能优良的新规格电池或异形电池。

   1 .  确定容量电池设计步骤

   2.  确定组合电池中音体电池数目,单体电池工作电压与工作电流密度。

   3.  根据用户要求确定电池组的工作总电压,工作电流等指标,选定电池系列,参照该系列的“伏安曲线”(经验数据或通过实验所得)确定单体电池的工作电压与工作电流密度。

   4.  确定电池组中单电池数。

      单体电池数目 = 电池工作总电压单体电 / 电池  工作电压  

   5.  计算电池容量

   6.  根据要求的工作电流和工作时间计算额定容量。

      额定容量 = 工作电流 × 工作时间

   7.  确定设计容量

      设计容量 = 额定容量 * 设计系数

      其中设计系数是为保证电池的可靠性和使用寿命而设定的

五.锂离子电芯(以铝壳为例)设计的基本步骤

1. 容量初步评估

  有效体积*体积比容量

2. 外型结构设计

   (1) 壳体设计

     圆角铝壳厚度≤5.4mm采用平焊,圆角铝壳厚度>5.4mm采用立焊,方角采用平焊

     壳体厚度:成品电池尺寸减至少0.25mm

     壳体壁厚:0.2mm或0.25mm以上

   (2) 盖板设计

   (3) 隔圈(绝缘片)设计

3. 材料选择

   选择合适的正负极/电解液体系进行搭配,确定设计比容量

   (1) 正极材料体系

   (2) 负极材料体系

   (3) 隔膜纸

   (4) 电解液

(5) 集流体规格

4、卷针设计

    圆卷针直径:2*(壳体宽度-壳体厚度-两侧设计预留空间)/ ∏

    扁卷针宽度: 铝壳内腔宽度-铝壳内腔厚度-2.8≤卷针宽度(旧卷针)≤铝壳内腔宽度-铝壳 内腔厚度-2.1

5、设计容量

    常规型号:设计容量≥A2等级容量下限值;

    高容型号:设计容量≥标称容量(设计容量按敷料量下限值计算)

6、正极敷料量计算

     正极敷料量:设计容量/正极混料比容量

     负极敷料量:设计容量/负极混料比容量

7、根据该型号的设计开发难度,假设一个合适的正极面密度,正极面密度设计范围为:40.00~45.99mg/cm2

8、极组单层厚度计算

     正极单层厚度:面密度/正极压实比+铝箔厚

     负极单层厚度:正极面密度/正负极面密度比/负极压实比+铜箔厚

     极组单层厚度:正极单层厚度+负极单层厚度+2*隔膜纸厚度

9、确定负极层数:(壳体厚度-壁厚-设计预留空间)/极组单层厚度

       目前手工卷绕尽量使用单数层设计,以避免正负极一边厚一边薄。

       设计预留空间:大于极组厚度的10%

10、确定正、负极片、隔膜 宽度

       负极宽度≥正极宽度+1mm;

       隔膜宽度≥负极宽度+2.5mm;

       铝壳厚度<8mm,隔膜宽度≤ 铝壳高度-铝壳底厚-盖板嵌入铝壳内部高度- 隔圈凹槽垫块厚度(见示意图)+0.85mm;

       铝壳厚度≥8mm,隔膜宽度≤铝壳高度-铝壳底厚-盖板嵌入铝壳内部高度-隔 圈凹槽垫块厚度(见示意图)+0.35mm

   

          凹槽护翼

                    凹槽

11、正极有效敷料长度的计算

       正极有效敷料长度:正极敷料量/正极面密度/正极片宽度

12、正极片各段刮料长度设计

       极组单数层:前端刮料区22mm;尾端刮料区:30宽度:25mm和85mm

                                                                                  34宽度:25mm和95mm

       

13、正极片总长度计算

       正极敷料长度+(各刮料区总长度/2)

14、确定负极总长度

        负极敷料量/(正极面密度/正负极面密度之比)+负极刮料区长度

15、确定隔膜纸长度

       手工卷绕隔膜长度=负极片总长*2+90mm;

      半自动卷绕机隔膜长=负极片总长*2+20mm

16、试卷绕及极片长度的调整

       极耳对位原则 :正极耳位于隔圈凸台与盖板注液孔之间,负极耳能点焊在盖板镍片上,不能点 焊在镍钉上。

       试卷绕,根据极耳对位原则 和负极必须包住正极的原则,调整正负极片的总长度和各刮料区。

17、各个技术参数的最终确定

      (1) 根据试卷绕后确定的正负极片长度,在正负极敷料量不变的情况下,最终确定极片的面密度、极片的厚度、极组的厚度以及实际预留空间等技术参数。

      (2)两正面实际预留空间必须满足:预留空间+0.02mm*负极层数+壁厚*2+卷芯厚度≤客户要求 尺寸-0.14mm

      (3)两侧面实际预留空间必须满足:铝壳内腔宽度-卷芯宽度≥0.7mm

18、正负极耳长度以及外露长度的确定

19、铝镍复合带宽度的确定

20、注液量的确定

       注液量:大于等于  标称容量/335

六.安全设计原则

1、使超出卷芯的所有暴露在外的极耳所有的面绝缘

2、为每个电池建立最优的暴露在卷芯之上的极耳长度并控制具体的公差

3、在突起物下面的垫圈必须充分阻隔中间的极耳与顶部盖板之间的短路

4、保护超焊花纹避免极片间的短路

5、正极极片开始端需有绝缘保护来避免与负极短路

6、涂料边缘的绝缘

7、极组的任何一个位置,正极的对应位置都有负极,正负间都被隔膜纸搁开

8、没有伸出的或卷曲的极耳:极耳不能延伸出卷芯底部以避免与壳短路

9、胶纸粘贴:卷芯底部贴高温胶纸,包住边角,避免边角挤坏;两个侧面贴透明胶纸,防止入壳时卷芯被卡坏

10、隔膜纸在90℃下烘烤1h,其收缩率TD﹤1%,MD﹤5%.

      隔膜纸的闭合温度<130 ℃

      正极材料要保证电池在130℃下恒温1h不爆炸

      材料体系搭配要保证3C4.6V或1C4.8V过充不爆炸

      正负极配方基本要求:180度折叠后,极片不掉料,无露箔现象。

11、铝壳防爆线:控制防爆刻线厚度,防止电芯爆炸或泄露,7KG<防爆刻线压力<13KG

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