一.鋰離子電池設(shè)計的基本原則

我們根據(jù)儀器設(shè)備的要求，為其供應(yīng)最匹配的工作電源或動力電源，這就是電池設(shè)計。基于此，電池設(shè)計首先考慮的是滿足用電器的用電需求，并進(jìn)行優(yōu)化，使其能發(fā)揮最佳的綜合性能。我們可以通過選擇電池的電極、電解液、隔膜、外殼以及其它零部件，并將它們合理搭配，來達(dá)到這個目的。

二.電池的設(shè)計要求

電池設(shè)計是為滿足用電設(shè)備的要求進(jìn)行的，有時還需考慮人的喜好問題。因此，在進(jìn)行電池設(shè)計前，首先必須詳盡地了解對象對鋰離子電池性能指標(biāo)及使用條件的要求，一般包括以下幾個方面：

•電池的工作電壓；

•電池的工作電流，即正常放電電流和峰值電流；

•電池的工作時間，包括持續(xù)放電時間，使用期限或循環(huán)壽命；

•電池的工作環(huán)境，包括電池工作時所處狀態(tài)及環(huán)境溫度；

•電池的最大允許體積。

•同時還應(yīng)考慮：材料來源；電池性能；電池特性的決定因素電池工藝；經(jīng)濟(jì)指標(biāo)；環(huán)境問題等方面的因素。

三.評價電池性能的重要指標(biāo)

（1）容量

電池容量是指在一定放電條件下，可以從電池獲得的電量，即電流對時間的積分，一般有Ah或mAh來表示，它直接影響到電池的最大工作電流和工作時間。

（2）放電特性和內(nèi)阻

電池的放電特性是批電池在一定的放電制度下，其工作電壓的平穩(wěn)性，電壓平臺的高低以及大電流放電性能等，它表示電池帶負(fù)載的能力。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和電化學(xué)極化內(nèi)阻，大電流放電時，內(nèi)阻對放電特性的影響尤為明顯。

（3）工作溫度范圍

有電器的工作環(huán)境和使用條件要求電池在特定的溫度范圍內(nèi)具有良好的性能.

（4）貯存性能

電池貯存一段時間后，會因某些因素的影響使性能發(fā)生變化，導(dǎo)致電池自放電；電解液泄漏；電池短路等。

（5）循環(huán)壽命（二次電池）

循環(huán)壽命是指二次電池按照一定的制度進(jìn)行充放電，其性能減到某一程度（例如，容量初始值的60%）時的循環(huán)次數(shù)。

（6）安全性能

關(guān)于電池的不當(dāng)使用，可能會造成電池的過熱和漏液，進(jìn)而損害身體或損壞其他設(shè)備。所以在電池設(shè)計時，安全性是一個非常重要的環(huán)節(jié)。電池的安全性考慮會在電池的理論設(shè)計之前進(jìn)行，包括了材料的選擇能否符合要求，安全功能的設(shè)計是否符合要求等等。

四.電池設(shè)計的思路及基本步驟

根據(jù)電池用戶要求，電池設(shè)計的思路有兩種：一種是為用電設(shè)備和儀器供應(yīng)額定容量的電源；另一種則只是給定電源的外形尺寸，研制開發(fā)性能優(yōu)良的新規(guī)格電池或異形電池。

1.確定容量電池設(shè)計步驟

2.確定組合電池中音體電池數(shù)目，單體電池工作電壓與工作電流密度。

3.根據(jù)用戶要求確定電池組的工作總電壓，工作電流等指標(biāo)，選定電池系列，參照該系列的伏安曲線（相關(guān)經(jīng)驗數(shù)據(jù)或通過實驗所得）確定單體電池的工作電壓與工作電流密度。

4.確定電池組中單電池數(shù)。

單體電池數(shù)目=電池工作總電壓單體電/電池工作電壓

5.計算電池容量

6.根據(jù)要求的工作電流和工作時間計算額定容量。

額定容量=工作電流×工作時間

7.確定設(shè)計容量

設(shè)計容量=額定容量*設(shè)計系數(shù)

其中設(shè)計系數(shù)是為保證電池的可靠性和使用壽命而設(shè)定的

五.鋰離子電芯(以鋁殼為例)設(shè)計的基本步驟

1.容量初步評估

有效體積*體積比容量

2.外型結(jié)構(gòu)設(shè)計

(1)殼體設(shè)計

圓角鋁殼厚度≤5.4mm采用平焊，圓角鋁殼厚度＞5.4mm采用立焊，方角采用平焊

殼體厚度：成品電池尺寸減至少0.25mm

殼體壁厚：0.2mm或0.25mm以上

(2)蓋板設(shè)計

(3)隔圈(絕緣片)設(shè)計

3.材料選擇

選擇合適的正負(fù)極/電解液體系進(jìn)行搭配，確定設(shè)計比容量

(1)正極材料體系

(2)負(fù)極材料體系

(3)隔膜紙

(4)電解液

(5)集流體規(guī)格

4、卷針設(shè)計

圓卷針直徑：2*（殼體寬度-殼體厚度-兩側(cè)設(shè)計預(yù)留空間）/∏

扁卷針寬度:鋁殼內(nèi)腔寬度-鋁殼內(nèi)腔厚度-2.8≤卷針寬度（舊卷針）≤鋁殼內(nèi)腔寬度-鋁殼內(nèi)腔厚度-2.1

5、設(shè)計容量

常規(guī)型號：設(shè)計容量≥A2等級容量下限值；

高容型號：設(shè)計容量≥標(biāo)稱容量(設(shè)計容量按敷料量下限值計算）

6、正極敷料量計算

正極敷料量：設(shè)計容量/正極混料比容量

負(fù)極敷料量：設(shè)計容量/負(fù)極混料比容量

7、根據(jù)該型號的設(shè)計開發(fā)難度，假設(shè)一個合適的正極面密度，正極面密度設(shè)計范圍為：40.00～45.99mg/cm2

8、極組單層厚度計算

正極單層厚度：面密度/正極壓實比+鋁箔厚

負(fù)極單層厚度：正極面密度/正負(fù)極面密度比/負(fù)極壓實比+銅箔厚

極組單層厚度：正極單層厚度+負(fù)極單層厚度+2*隔膜紙厚度

9、確定負(fù)極層數(shù)：（殼體厚度-壁厚-設(shè)計預(yù)留空間）/極組單層厚度

目前手工卷繞盡量使用單數(shù)層設(shè)計，以防止正負(fù)極一邊厚一邊薄。

設(shè)計預(yù)留空間：大于極組厚度的10%

10、確定正、負(fù)極片、隔膜寬度

負(fù)極寬度≥正極寬度+1mm；

隔膜寬度≥負(fù)極寬度+2.5mm；

鋁殼厚度＜8mm，隔膜寬度≤鋁殼高度-鋁殼底厚-蓋板嵌入鋁殼內(nèi)部高度-隔圈凹槽墊塊厚度（見示意圖）+0.85mm；

鋁殼厚度≥8mm，隔膜寬度≤鋁殼高度-鋁殼底厚-蓋板嵌入鋁殼內(nèi)部高度-隔圈凹槽墊塊厚度（見示意圖）+0.35mm

11、正極有效敷料長度的計算

正極有效敷料長度：正極敷料量/正極面密度/正極片寬度

12、正極片各段刮料長度設(shè)計

極組單數(shù)層：前端刮料區(qū)22mm；尾端刮料區(qū)：30寬度：25mm和85mm

13、正極片總長度計算

正極敷料長度+（各刮料區(qū)總長度/2）

14、確定負(fù)極總長度

負(fù)極敷料量/（正極面密度/正負(fù)極面密度之比）+負(fù)極刮料區(qū)長度

15、確定隔膜紙長度

手工卷繞隔膜長度=負(fù)極片總長*2+90mm；

半自動卷繞機(jī)隔膜長=負(fù)極片總長*2+20mm

16、試卷繞及極片長度的調(diào)整

極耳對位原則：正極耳位于隔圈凸臺與蓋板注液孔之間，負(fù)極耳能點焊在蓋板鎳片上，不能點焊在鎳釘上。

試卷繞，根據(jù)極耳對位原則和負(fù)極必須包住正極的原則，調(diào)整正負(fù)極片的總長度和各刮料區(qū)。

17、各個技術(shù)參數(shù)的最終確定

（1）根據(jù)試卷繞后確定的正負(fù)極片長度，在正負(fù)極敷料量不變的情況下，最終確定極片的面密度、極片的厚度、極組的厚度以及實際預(yù)留空間等技術(shù)參數(shù)。

（2）兩正面實際預(yù)留空間必須滿足：預(yù)留空間+0.02mm*負(fù)極層數(shù)+壁厚*2+卷芯厚度≤客戶要求尺寸-0.14mm

（3）兩側(cè)面實際預(yù)留空間必須滿足：鋁殼內(nèi)腔寬度-卷芯寬度≥0.7mm

18、正負(fù)極耳長度以及外露長度的確定

19、鋁鎳復(fù)合帶寬度的確定

20、注液量的確定

注液量：大于等于標(biāo)稱容量/335