锂离子电池电芯设计-08
锂离子电池原理图
所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。
人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。
锂离子电池的内部结构如下图所示：此主题相关图片如下：电池由正极锂化合物、中间的电解质膜及负极碳组成。
◎当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。
一般采用嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO2、LiNiO2、LiMn2O4。
◎做为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz等。
◎电解质采用LiPF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的高分子材料。
◎隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，采用PP/PE/PP三层隔膜优点是熔点较低，具有较高的抗穿刺强度，起到了过热保险作用。
◎外壳采用钢或铝材料，具有防爆的功能。
锂离子电池的额定电压为3.6V。
电池充满时的电压（称为终止充电电压）一般为4.2V；锂离子电池终止放电电压为2.75V。
如果锂离子电池在使用过程中电压已降到2.75V后还继续使用，则称为过放电，对电池有损害。
锂电池充电原理：锂离子电池充电原理图：此主题相关图片如下：其中：Iconst：恒流充电电流；Ipre：预充电电流；Ifull：充满判断电流；Vconst：恒压充电电压；＝Vmin：预充结束电压及短路判断电压锂离子电池比较骄贵。
如果不满足其充电及使用要求，很容易出现爆炸，寿命下降等现象。
因为锂离子电池对温度、过压、过流及过放电很敏感，所以所有的电池内部均集成了热敏电阻（监控充电温度）及防过压、过流、过放电保护电路。
图一为标准锂离子电池充电原理曲线，锂离子电池的充电过程分三个阶段：预充电阶段；恒流充电阶段；恒压充电阶段。
【干货】锂离子电池的的原理、配方和工艺流程,正极材料介绍
锂离子电池的的原理、配方和工艺流程，正极材料介绍锂离子电池的的原理、配方和工艺流程锂离子电池是一种二次电池（充电电池），它主要依靠Li+ 在两个电极之间往返嵌入和脱嵌来工作。
随着新能源汽车等下游产业不断发展，锂离子电池的生产规模正在不断扩大。
本文以钴酸锂为例，全面讲解锂离子电池的的原理、配方和工艺流程,锂电池的性能与测试、生产注意事项和设计原则。
一，锂离子电池的原理、配方和工艺流程；一、工作原理1、正极构造LiCoO2 + 导电剂 + 粘合剂 (PVDF) + 集流体（铝箔）2、负极构造石墨 + 导电剂 + 增稠剂 (CMC) + 粘结剂 (SBR) + 集流体（铜箔）3、工作原理3.1 充电过程一个电源给电池充电，此时正极上的电子e从通过外部电路跑到负极上，正锂离子Li+从正极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达负极，与早就跑过来的电子结合在一起。
正极上发生的反应为：负极上发生的反应为：3.2 电池放电过程放电有恒流放电和恒阻放电，恒流放电其实是在外电路加一个可以随电压变化而变化的可变电阻，恒阻放电的实质都是在电池正负极加一个电阻让电子通过。
由此可知，只要负极上的电子不能从负极跑到正极，电池就不会放电。
电子和Li+都是同时行动的，方向相同但路不同，放电时，电子从负极经过电子导体跑到正极，锂离子Li+从负极“跳进”电解液里，“爬过”隔膜上弯弯曲曲的小洞，“游泳”到达正极，与早就跑过来的电子结合在一起。
3.3 充放电特性电芯正极采用LiCoO2 、LiNiO2、LiMn2O2，其中LiCoO2本是一种层结构很稳定的晶型，但当从LiCoO2拿走x个Li离子后，其结构可能发生变化，但是否发生变化取决于x的大小。
通过研究发现当x >0.5时，Li1-xCoO2的结构表现为极其不稳定，会发生晶型瘫塌，其外部表现为电芯的压倒终结。
所以电芯在使用过程中应通过限制充电电压来控制Li1-xCoO2中的x值，一般充电电压不大于4.2V那么x小于0.5 ，这时Li1-xCoO2的晶型仍是稳定的。
锂离子动力电池设计步骤及要求
锂离子动力电池设计介绍摘要：本文简要介绍了锂离子动力电池设计的基本原则、设计要求、评价锂离子动力电池性能的主要指标和锂离子动力电池设计的基本步骤，并结合 8Ah锰酸锂动力电池的设计实例，详细介绍了锂离子动力电池设计过程中各主要参数的确定方法、计算过程以及设计过程中相关细节的注意事项，结合本公司实际生产能力和生产设备的实际工况，确定了正负极极片分段的设计思路，将正负极极片分别分为四段，卷成两个电芯，采用内部并联的方式与电池的极柱链接，成功的解决了生产中极片过长极片不易加工和卷绕不易对齐的难题，为动力电池的设计提供重要的参考依据。
1 锂离子动力电池的设计基础1.1 动力电池设计的基本原则动力电池设计，就是根据用电设备的要求，为设备提供工作电源或动力电源。
因此，动力电池设计首先必须根据用电设备需要及电池的特性，确定电池的电极、电解液、隔膜、外壳以及其他部件的参数，对工艺参数进行优化，并将它们组成有一定规格和指标(如电压、容量、体积和重量等)的电池组。
动力电池设计是否合理，关系到电池的使用性能，必须尽可能使其达到设计最优化。
1.2 动力电池的设计要求动力电池设计时，必须了解用电设备具对电池性能指标及电池使用条件，一般应考虑以下几个方面：1电池工作电压；2电池工作电流，即正常放电电流和峰值电流；3电池工作时间，包括连续放电时间、使用期限或循环寿命；4电池工作环境，包括电池工作环境及环境温度；5电池最大允许体积；锂离子动力电池由于其具有优良的性能，使用范围越来越广，有时要应用于一些特殊场合，因而还有一些特殊要求，如耐冲击、振动、耐高低温、低气压等。
在考虑上述基本要求时，同时还应考虑材料来源、电池特性的决定因素、电池性能、电池制造工艺、技术经济分析和环境温度。
1.3 评价动力电池性能的主要指标动力电池性能一般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，一般用Ah表示，它直接影响电池的最大工作电流和工作时间。
锂离子动力电池电芯生产工艺及设备
锂离子动力电池电芯项目生产工艺及设备一、技术方案（一）技术来源以磷酸铁锂为正极材料制造的锂离子动力电池，是目前国内外最先进的锂离子电池。
这种材料与以住的锂离子电池正极材料LicoO、2LiMn0和LiNiMO（钴酸锂和锰酸锂）相比，其安全性能与循环寿命是242其它材料所无法相比的。
产品的特点：1、髙能量密度。
其理论比容量为170mAh/g,产品实际比容量可超过140mAh/g。
2、超长寿命。
一般以LicoO、LiMnO和LiNiMO为正极材料的2242锂离子电池寿命最多为600次，而磷酸铁锂动力电池，循环寿命达到2000次以上。
3、使用安全。
磷酸铁锂完全解决了钴酸锂和锰酸锂的安全隐患问题，钴酸锂和锰酸锂在强烈的碰撞下会产生爆炸对消费者的生命安全构成威胁，而磷酸铁锂以经过严格的安全测试即使在最恶劣的交通事故中也不会产生爆炸堪为最特色的锂离子电池。
4、快速充电性能。
磷酸铁锂正极材料的锂电池，可以使用大倍率充电，最快可在1小时内将电池充满。
5、耐髙温。
磷酸铁锂电热峰值可达3501-―5001，而钴酸锂和锰酸锂只在2001左右。
锂离子动力电池电芯制造工艺是公司技术人员根据锂电池的工作原理，在消化、吸收国内成熟的锂电池制造技术的基础上，自主研发的生产工艺，经科技查新，属国内先进，该工艺已获得国家知识产权局专利申请受理，申请号为：200710163661.6。
（二）制备工艺1、将高分子聚合物、无机化合物与辅料在搅拌情况下进行充分混合均匀，经过筛，制得分散体。
2、按规定的量涂布在规定规格的模板上，辊压、分切、卷绕（叠片）、焊接等经老化性检验即得。
3、充电测试包装。
（三）主要工艺流程1、正极片的生产（1）将磷酸铁锂、聚四氟乙烯乳液、去离子水按一定的比例混合，经过真空搅拌机搅拌5小时，再经80目的过筛进行筛滤，制得正极涂料。
（2）用涂布机把涂料涂在铝箔上（涂布机温度为1101,速度为2米/分）。
（3）把涂过的极片分切后进行真空烘烤（1201,6h,电加热），再进行辊杂（辊成0.14-0.16mm）。
锂离子电池电芯设计-08
锂离子电池电解液组成示意图
电解液
溶剂
锂盐
EC、PC、EMC、DEC等 LiPF6、LiClO4、LiBF4等
添加剂
防过充添加剂
阻燃剂
抑制气体生成
改善SEI膜性能 控制水和酸含量
电解液常用溶剂物性参数及不同配比的分解电压
溶剂种类
EC PC DMC DEC EMC
组分 含量 分解电压
闪点
160℃ -----16℃ 33℃ 23℃
EC/DEC 1:1 4.25
沸点
238℃ 242℃ 90℃ 127℃ 108℃
EC/DMC 1:1 5.1
熔点
37℃ -49℃ 3℃ -43℃ -55℃
PC/DEC 1:1 4.35
锂离子二次电池电解液常用添加剂
防过充添加剂； 阻燃剂； 抑制气体生成添加剂； 改善电极SEI膜添加剂。
放过充添加剂作用原理
涂布量的设计。
Voltage/V
5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
0
半电池及三电极体系的概念
4.369
4.468
4.448
3.793
LiCoO2-Anode LiCoO2-Cathode LiCoO2-Cell
1.588
2.520
5000
0.610
0.249
10000
15000 20000 25000 T ime/min
30000
35000
40000
N/P的概念；
极组卷芯的不同设计方式
卷绕式； 叠片式； 另类方式。
失效位置分析: 负极片：
失效点集中区域
经过分析，失效点基本锁定在极组芯部，正极插入的位置附近。
锂离子电池设计总结
锂离子电池设计总结（一）液锂电池设计（1）根据壳子推算卷芯1、核算容量：（设计最低容量= average * ）2、极片宽度：隔膜宽度= 壳子高- - 2 - -图纸高壳子底厚盖板厚绝缘垫厚余量负极片宽度= 隔膜纸宽度- 2mm正极片宽度= 负极片宽度- （1~2mm）注：核算后正负极片宽度要去查找分切刀，最好有对应分切刀；箔材的选择也要依分切刀而定。
比如：40mm的分切刀，可以一次分裁8片，则箔材尺寸应该为40*8+(10~15余量)=330~335mm，若没有合适的也可以选择40*7+（10~15mm）的箔材。
3、卷芯宽度：卷芯设计宽度= 壳子宽度- -（～）图纸宽度两层壳壁厚余量4、卷芯厚度：（1）卷芯设计厚度= 壳子厚度- -图纸厚度两层壳壁厚余量（2）卷芯设计厚度= （规格厚度––）/规格书厚度max 余量两层壳壁厚膨胀系数5、卷尺宽度：卷尺= 卷芯宽–卷芯厚–卷尺厚（）–（～）余量6、最后根据（2、3、4）进行调整、确认。
7、估算卷芯/电芯最终尺寸卷芯厚度= 正极片厚+ 负极片厚+ （隔膜厚*2）卷芯宽度= 卷尺宽+ 卷尺厚+ 卷芯厚+（1～）余量最终电芯厚度= 卷芯厚度* + 壳子厚度+（～）层数单层厚度卷芯厚卷芯厚* +（～）≤规格要求（二）电池设计注意事项：1、极耳距极片底部≤极片宽度*1/42、极耳外露≥12mm~15mm 负极耳外露：6~10mm3、小隔膜= 加垫隔膜处光泊区尺寸+（2~3mm）4、壳子底部铝镍复合带尺寸：4mm * 13mm * （当壳子底部宽w ≥7mm时）3mm * 13mm * （当壳子底部宽w ＜7mm时）5、极片称重按涂布时箔材和敷料计算极片称重（正负极片相同）敷料量：M1 铝箔重：M2重片：M1 + M2 + ~ M1 * + M2轻片：M1 * + M2 ~ M1 + M26、胶纸贴法：负极耳上高温胶纸应超出负极片4 ~ 6 mm正极耳上透明胶纸应超出负极片2 ~ 4 mm7、面密度精确度：Eg：m±n 其中：n为m 的4% 。
磷酸铁锂锂离子电芯技术规格书说明书
电芯技术规格书280Ah磷酸铁锂锂离子电芯(储能型)产品型号：LFP71173207/280Ah版本：A/1厦门海辰新能源科技有限公司年月目录1. 术语定义 (4)2. 适用范围 (5)3. 规范性引用文件 (5)4. 测试条件 (5)4.1 测量设备及精度 (5)4.2 充放电模式 (6)4.3 极柱与Busbar焊接参数 (6)5. 电芯技术参数 (6)5.1 电芯基本参数 (6)5.2 电芯性能参数 (7)5.3 电芯寿命 (8)6. 电芯标识、包装、运输及存储要求 (8)7. 应用条件 (8)8. 注意事项 (11)9. 其他约定 (13)10. 电芯图纸 (15)1.术语定义2.适用范围本技术规格书规定了LFP71173207/280Ah型锂离子电芯（该规格书仅适用于B品）的性能要求、试验方法、运输、贮存要求和注意事项等。
3.规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的，凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T 36276-2018 电力储能用锂离子电池GB/T 31485-2015电动汽车用动力蓄电池安全要求及试验方法 6.2.84.测试条件若无特别说明，电芯的参数均为新电芯状态下的参数，测试对象为新电芯状态的电芯(除自放电测试外)。
除非有其他说明，实验和测量需在室温(25±2)℃、标准湿度（55±20）%以及大面夹具力为(3000±200)N条件下进行。
4.1 测量设备及精度(1) 测试设备精度：±0.1%(2) 电流测量精度: ≥0.5 级，电压测量精度: ≥0.5 级(3) 温度测量精度: ±0.5℃(4) 时间测量精度: ±0.1%(5) 尺寸测量精度: ±0.1%(6) 重量测量精度: ±0.1%4.2 充放电模式若无特别说明，充放电模式均应为标准充电/放电模式。
锂离子电池的设计和生产工艺
锂离子电池的设计和生产工艺锂离子电池是一种高效、轻便、环保的电池类型，已经广泛应用于电动车、智能手机、笔记本电脑、移动电源等领域。
其优点在于高能量密度、无记忆效应、低自放电率等特性，但锂离子电池的设计和生产工艺也是决定其性能的重要因素。
一、锂离子电池的设计锂离子电池的设计需要考虑电池的形状、电容量、工作电压等因素。
电池形状包括圆柱形、方形、软包等多种形式，电容量是指电池的存储电荷量，通常用毫安时（mAh）来表示。
工作电压则与电池的化学成分有关，一般为3.6V或3.7V。
锂离子电池的正极由锂离子嵌入材料形成，其材料种类很多，常见的有三元材料（LiCoO2）、钴酸铝材料（LiCoAlO2）、铁磷酸锂材料（LiFePO4）等。
这些材料的性能有所不同，因此需要根据具体使用场景进行选择。
锂离子电池还需要设计电解液和负极材料。
电解液作为阳离子导体，可以传递锂离子的移动，从而实现锂离子电池的充放电。
常用的电解液包括碳酸盐电解液、含有芳烃类溶剂的电解液、离子液体等。
负极材料一般采用石墨材料，也有一些新型材料如硅基复合材料正在被研究和开发。
二、锂离子电池的生产工艺锂离子电池的生产过程主要包括正负极材料的制备、电解液的制备、电池的装配等环节。
制备正负极材料时需要选用优质的原料，通过加热、反应、烘干、磨粉等一系列工艺步骤将材料制成要求的形状和性质。
电解液的制备需要选用优质的电解液原料，经过混合、恒温、搅拌等工艺步骤得到纯度高、稳定性能好的电解液。
在装配电池时，需要选用专用的机器设备将正、负极、电解液组装在一起，形成电池芯，并对电芯进行充放电测试、容量测试、内阻测试等。
锂离子电池的生产工艺非常重要，因为影响电池性能的因素非常多。
例如正极颗粒的复合度、电解液的纯度、负极材料的导电性能等都会对电池性能产生影响。
因此，生产厂家需要在每个环节上精益求精，保证电池的稳定性和安全性。
三、锂离子电池的质量控制为了保证锂离子电池的质量和安全性，生产厂家需要一个完善的质量控制体系。
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4
3.75 3.5
3.25
25℃/52Ah(20A) 55℃/48Ah(20A)
Voltage(V)
3
2.75 2.5
2.25
-40℃/46Ah(10A) -40℃/47Ah(20A)
2
0
5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60
Discharge Capacity(Ah)
一、基础材料介绍－正极材料
钴酸锂材料
充电约一半时锂离子脱嵌 （(x≈0.5)，构造上由六 方晶体向单斜晶体转化。 随着锂脱嵌反应的进行氧 的层间距扩大，当一半以 上脱嵌时结构有破坏的趋 势。
为了减少锂离子在材 料内部镶嵌与脱嵌时引 起晶格的变化，以及改 善循环性能和稳定性能 等，材料中部分钴用其 他元素代替，如Ni、B、 Al等。
锂离子电池电解液组成示意图
电解液
溶剂
锂盐
EC、PC、EMC、DEC等 LiPF6、LiClO4、LiBF4等
添加剂
防过充添加剂
阻燃剂
抑制气体生成
改善SEI膜性能 控制水和酸含量
电解液常用溶剂物性参数及不同配比的分解电压
溶剂种类
EC PC DMC DEC EMC
组分 含量 分解电压
闪点
160℃ -----16℃ 33℃ 23℃
涂布量的设计。
Voltage/V
5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0
0
半电池及三电极体系的概念
4.369
4.468
4.448
3.793
LiCoO2-Anode LiCoO2-Cathode LiCoO2-Cell
1.588
2.520
5000
0.610
0.249
10000
15000 20000 25000 T ime/min
30000
35000
40000
N/P的概念；
极组卷芯的不同设计方式
Heteroside Structure
2005-7-3
Olivine Structure
一、基础材料－负极材料
一、基础材料－电解液
锂离子电池电解液特性要求
• 能较好的溶解电解质盐，即有较高的介电常数；
• 应有较好的流动性，即低黏度； • 对电池的其他组件应该是惰性的，尤其是充电状 态下的正、负极表面； • 在很宽的温度范围内保持液态，熔点要低，沸点 要高； • 安全性要好，即闪点要高，无毒。
大粒径、高结晶度对于钴酸锂材料的影响
NCM三元材 料
锰酸锂材料
锰酸锂失效机理
结构不稳定
Jahn-Teller distortion
Mn3+ 的溶解
2Mn3+Mn2++Mn4+
Mn3+
正极
Mn2+
Mn2+ Mn
负极
磷酸铁锂材料
LiFePO4 Structure Charged and Discharged
Charge Curves at Different Rate of HEV-LP2770112AB Cell
1C
2C
3C
4C
5C
6C
7C
8C
9C
10C
12C 15C 18C 20C
10%
20%
30%
40% 50% SOC
60%
70%
80%
90%
三、极组卷芯设计
电极设计： 正负极材料的选择，导电剂比例，粘合剂比例，
不同材质隔膜的DSC测试数据
隔膜shutdown功能示意图常用隔膜基本参数指标源自电池性能与隔膜选取之间的关系
一、基础材料－锂离子电池导电剂
Super P； 石墨类导电剂； 纤维状导电剂。
二、电化学基础
Discharge Curves in Different Temperature for 50Ah Winding type Battery 4.25
EC/DEC 1:1 4.25
沸点
238℃ 242℃ 90℃ 127℃ 108℃
EC/DMC 1:1 5.1
熔点
37℃ -49℃ 3℃ -43℃ -55℃
PC/DEC 1:1 4.35
锂离子二次电池电解液常用添加剂
防过充添加剂； 阻燃剂； 抑制气体生成添加剂； 改善电极SEI膜添加剂。
放过充添加剂作用原理
在电解液中加入一些添加剂如炔衍生物、硅树脂、 磺酸基化合物、氟化芳香化合物等可抑制气体的生成。
SEI膜形成原理及添加剂作用
一、基础材料－锂离子电池隔膜
锂离子电池隔膜性能要求
电子绝缘； 较小的离子阻抗； 一定的机械强度； 耐受电液、电极材料的腐蚀； 阻止两电极间的杂质的迁移； 具有电液侵润性； 材料品质的稳定性。
锂离子电池电芯设计
主要内容
一、基础材料介绍：
1正极材料，2负极材料，3电解液，4隔膜，5导电剂。
二、电化学基础：
1电池原理，2界面概念，3等效电路概念，4内阻的概 念，5电化学原理的实际体现。
三、极组卷芯设计：
1电极设计，2半电池及三电极测试在材料体系设计中 的应用，3 N/P的影响，4极耳位置对于电池的影响，5 极组卷芯不同形式，6安全设计基础。
过充时,添加剂发生聚合,形成的聚合物增大电池 内阻，限制充电电流保护电池。典型实例:BP
阻燃添加剂作用原理
阻燃添加剂受热时释放出具有阻燃性能的自由基， 其可以捕获气相中的氢自由基或氢氧自由基，从而阻止 氢氧自由基的链式反应，使有机电解液的燃烧难以进行。
抑制气体生成添加剂
锂离子电池在充电过程中，由于溶剂、电解质锂 盐、杂质的还原分解会产生气体，电池在过充时也会 产生气体，锂离子电池在充放电循环过程中生成的气 体有CO2、CO、O2、CH4、C2H4、C3H6和C3H8。最 主要的产物是CO2，是由于正极活性物质分解和痕量 杂质的反应生成的 。
3.6
3.4
3.2
3.0
2.8
Voltage（V）
2.6
2.4
2.2
2.0
1.8
1.6
1C 3C 5C 10C
1.4
15C 18C 20C 25C
1.2
30C 35C 40C
1.0
0
1
2
Ca3pacity（Ah）4
5
6
7
Voltage(V)
4.2 4.0 3.8 3.6 3.4 3.2 3.0
0%
电压（V）
LiFePO4电池组－10度低温放电曲线区
43
41
39
37
35
33
常温
31
-10度4.5A放电
29
-10度9A放电
27
-10度18A放电
25
0
1
2
3
4
5
6
7
8
放电容量（Ah）
9
10
Discharge Curves at Different Rate of HEV-LP2770112AB Cell