电池设计基础

电池设计基础
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。

2 、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。

评价电池性能的主要指标
电池性能一般主要通过以下几个方面来评价。

（ 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 ）内压和耐过充性能（二次电池）
对于 Ni-Cd,MH-Ni 等密封型二次电池，大电流充电过程中电池内部压力能否达到平衡，平衡压力的高低，电池耐大电流过充性能等都是衡量电池性能优劣的重要指标，如果电池内部压力达不到平衡或平衡压力过高，就会使电池限压装置（如防爆球）开启而引起电池泄气或漏液，从而很快导致电池失效。

如果限压装置失效，则有可能会引起电池壳体开裂或爆炸。

电池设计的基本步骤
电池设计人员在明确设计任务和做好充分准备后，即可进行设计。

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
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。

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。

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
计算电池容量
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
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
电池设计、安排
1、
根据客户对安全性及容量的要求，选择相应的体系；客户对安全性要求较高时，可选择铁锂或锰酸锂体系，对容量要求较高时，可选择钴酸锂及三元体系。

2、
根据电池的厚度选择制作单芯或多芯电池，并选择内部或外部连接；较厚的电池在制作中不方便，应选择多芯以减短极片的长度，电池太厚内部连接后不容易L 型封口，因此要选择外部连接；
查看是否有此型号电池，如没有，打印一份与此型号电池相似的工艺（查找电池的宽度及厚度相似的型号，并查看此型号电池的卷芯宽度是否合适）：
1）
如果打印工艺与需设计电池的厚度及宽度相同，可以通过调整面密度计算容量是否能够满足，如能满足，可以直接试卷绕；
2）
如果卷芯宽度窄于电池宽度0.8～2mm（小型号电池可以是0.8～1mm，大型号电池必须在1mm 以上），此型号电池的厚度与需设计电池的厚度相近，则可以不必修改卷针的尺寸；
3）
如果卷芯宽度与电池宽度相差不足0.8mm（小型号电池），或者卷芯的宽度比电池宽度小1mm（大型号电池），电池的厚度与打印的工艺厚度相差较大时，则要更改卷针的尺寸。

4、
根据客户要求查找合适的模具：
1）
看是否有此型号模具，如果没有，是否可以选择其它的型号代替（选择模具宽度与卷芯高度相同的模具，封侧边；如没有，可选择宽度与卷芯宽度相同的模具，封底边）；
2）
模具的宽度比电池的宽度窄0.5～1mm左右，模具的高度根据电池的大小有所不同，比电池的高度小4～7mm；
5、
根据模具的尺寸修改隔膜及极片宽度：
1）
单芯电池隔膜宽度比模具窝的高度小1mm左右，多芯电池隔膜宽度比模具窝小2～3mm；
负极宽度比隔膜宽度小2mm；
3）
为了方便卷绕，正极的宽度根据电池的大小，一般比负极窄2～4mm；
6、
修改极片的长度：
1）
电池在充放电时厚度会增加，卷绕圈数越多的电池，厚度增加也会越大，因此电池的厚度比卷芯的厚度厚0.6～1.5 mm；
2）
先计算出半圈的厚度，为正极的压片厚度加负极的压片厚度加两层隔膜的厚度；
3）
查看卷芯厚度与宽度，如厚度比需设计电池的厚度厚时，则要减短极片。

需要减短极片的尺寸按每次减半圈（电池的宽度），直到能达到厚度要求为止；
4）
如厚度比需设计电池的厚度薄时，则要加长极片。

需要加长极片的尺寸按每次减半圈（电池的宽度），直到能达到厚度要求为止；
7、
根据电池修改后的尺寸计算面密度、敷料量及所能达到的容量：
1）
电池设计容量比实际的容量要高，根据电池的容量大小，实际容量比设计容量高10～50mAh；
（有料部分面积为极片的长度－刮料长度/2）×极片的宽度
极片敷料量为有料面积×极片面密度
电池容量为敷料量×正极材料的发挥量
2）
计算极片面密度为多少时，能够达到电池的容量，并将极片的面密度记录下来；
正极面密度×正极材料容量发挥×1.05/负极容量发挥得出负极面密度
4）
面密度/压实密度＋箔的厚度得出极片的压片厚度
8、
安排人员试卷绕
1）
安排实验员将试卷绕的极片制片，按照工艺中的压片厚度压片并将隔膜及卷针备好；
2）
将压好的极片测量极片的压延尺寸，并将极片的压延尺寸记录在工艺中；
3）
测量极片的厚度、卷针的宽度与工艺中的尺寸是否相同，如果相同，则安排此工序熟练工人卷绕；
4）
测量卷芯的宽度是否能够满足要求，如宽度达不到要求，则更改卷针的尺寸重新卷；
5）
测量卷芯的厚度能否达到要求，如厚度达不到要求，则选择加长或减短极片；
6）
看极片的甩尾是否能够甩到卷芯的侧边或者到达卷芯的边缘，如果不能到位，则根据卷芯的厚度选择加长或减短极片的长度。

9、
修改后的工艺重新计算极片的面密度、敷料量，看容量能否达到容量的要求，然后调整极片的面密度、敷料量并记录在工艺上。

10、
将修改后的工艺安排人员制作电子版工艺。

10、将修改后的工艺打印出来，然后根据原始的工艺对比新工艺中是否有错误的地方，如果无误，打印出样品制成表格，与工艺装钉在一起，并填写样品制作计划；
11、查看有无极片，如果有极片，将极片的编号写在制成表格中，安排实验员按照制成表格中的编号查找极片，如果没有，则安排人员领料，配料；
12、实验员根据工艺制作极片，。