电池设计要求和电池性能设计

电池设计要求

 

电池是为满足对象（用户或设备）的要求而设计的。因此，在进行电池设计之前，首先要详细了解对象对电池性能指标和使用条件的要求，一般包括以下几个方面：电池的工作电压和要求的电压精度；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、使用寿命或循环寿命；电池的工作环境，包括电池工作时的状态和环境温度；电池的最大允许体积和重量。

现以生产方形锂离子电池为例，说明确定采用所选电池材料组装的AA型锂离子电池的设计要求：电池在放电状态下的欧姆电阻不大于40Ω；电池在1C放电时，取决于不同的正极材料，例如LiCoO _{2 的比容量}不小于135mA·h/g；电池2C放电容量不低于1C放电容量的96%；在前30次1C充放电循环中，3.6V以上的容量不低于电池总容量的80%；在前100次1C充放电循环中，电池每次平均容量衰减不大于0.06%；电池充电后，放入135℃的电炉中不爆炸。

按照AA型锂离子电池的结构设计和组装工艺组装的电池，经过实验测试，如果结果满足上述要求，说明结构设计合理，组装工艺完善，当研究不同正极材料的电池性能，可按此结构设计和工艺组装电池；如果结果不满足上述要求，则说明结构设计不合理或工艺不完善，需要反复优化，直到实验结果满足上述要求。

由于其优异的性能，锂离子电池越来越多地应用于各个领域，尤其是在特殊场合和设备中。因此，有时对电池设计有特殊要求，如振动、碰撞、重物冲击、热冲击、过充、短路等。

同时，还需要考虑：电极材料的来源；电池性能；影响电池特性的因素；电池技术；经济指标；环境问题和其他因素。

 

电池性能设计

 

在明确了设计任务并做好相关准备工作后，就可以进行电池设计了。根据电池用户的要求，电池设计有两种思路：一是为电气设备和仪器提供额定容量的电源；二是针对给定的电源外形尺寸，开发性能优异的新型电池或异形电池。

电池设计主要包括参数计算和工艺制定。具体步骤如下。

(1)确定组合电池中单体电池的个数、单体电池的工作电压和工作电流密度。根据要求确定电池组的总工作电压、工作电流等指标，选择电池系列，并参考系列的“伏安曲线”（经验数据或通过实验获得）确定工作单体电池的电压和工作电流密度。

单体电池数量=电池总工作电压/单体电池工作电压

 

(2)计算电极总面积和电极根数根据所需工作电流和选定的工作电流密度，计算电极总面积(以对照电极为准)。

总电极积=工作电流（mA）/工作电流密度（mA/cm ²）

根据电池外形最大尺寸的要求，选择合适的电极尺寸，并计算电极数量。

电极数=电极总面积/极板面积

 

(3) 计算电池容量。根据需要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

 

(4)确定设计能力

设计容量=额定容量×设计系数

设计系数的设定是为了保证电池的可靠性和使用寿命，一般为1.1~1.2。

 

(5)计算电池正负极活性物质的用量。

①计算控制电极的活性物质消耗量，根据控制电极活性物质的电化学当量、设计容量和活性物质利用率计算出单体电池中控制电极的材料消耗量。

电极活性物质消耗量=设计容量×活性物质电化学当量/活性物质利用率

②计算非对照电极活性物质的量。单体电池中非控制电极活性物质的量应根据控制电极活性物质的量来确定。为了保证电池有更好的性能，一般应该偏大，系数通常为1~2。锂离子电池通常在负极使用过量的碳材料，系数为1.1。

 

(6)根据容量要求计算正负极板的平均厚度，确定单体电池中活性物质的用量。当电极物质为单一物质时，则：

单体电池材料消耗=电极片材料消耗/单体电池极板数

电极活性物质的平均厚度=每个电极的材料量/[材料密度×电极板面积×（1-孔隙率）]+集电器厚度

其中集电器厚度=板栅重量/（材料密度×板栅面积）
（或选定的厚度）

如果电极活性物质不是单一物质而是混合物，则该物质的量和密度应由混合物质的量和密度代替。

 

(7)隔膜材料的选择及厚度和层数的确定。隔膜的主要作用是将电池的正负极隔开，防止两极接触短路。此外，还应具有让电解质离子通过的作用。隔膜的材料是不导电的，其物理化学性能对电池的性能有很大的影响。锂离子电池常用的隔膜有聚丙烯和聚乙烯微孔膜。Celgard的系列隔膜已用于锂离子电池。隔膜的数量和厚度应根据隔膜本身的性能和具体设计电池的性能要求来确定。

 

(8) 确定电解液的浓度和用量 电解液的浓度和用量根据所选电池系统的特性，结合具体设计的电池使用条件（如工作电流、工作温度等）或根据关于经验数据。

常用锂离子电池的电解液体系有：1mol/L LiPF ₆ /PC-DEC（1:1）、PC-DMC（1:1）和PC-MEC（1:1）或1mol/L LiPF ₆ /EC-DEC (1:1)、EC-DMC (1:1) 和 EC-EMC (1:1)。

注：PC，碳酸亚丙酯；EC，碳酸亚乙酯；DEC，碳酸二乙酯；DMC，碳酸二甲酯；EMC，碳酸甲乙酯。

 

(9)确定电池组配比及单体电池容器尺寸。电池的组装比例是根据所选的电池特性和设计电池的电极厚度来确定的。一般控制在80%~90%。

根据电器对电池的要求选定电池后，根据电池外壳材料的物理机械性能确定电池容器的宽度、长度和壁厚。尤其是随着电子产品的轻薄化，电池的空间越来越小，这就需要选用先进的电极材料来制备比容量更高的电池。