卷绕式单体锂离子电池设计

1、卷绕式单体锂离子电池设计前言： 目前，电动车包括电动汽车（EV）、电动摩托和电动自行车三大类。在当前环保的倡导下，电动自行车无疑是社会的最佳选择。电动自行车以车载电池为动力源，可实现零排放，彻底解决尾气污染，而且动力要求也不错。铅酸电池技术成熟，成本低，性能稳定，原材料丰富，是目前电动车的的常用电池，但由于铅酸电池比容量不够大，体积较大，铅是污染性金属，较之锂离子电池，锂离子电池比容量高，是铅酸电池的三倍以上，自放电小，循环寿命长，一般在500-1000次，无记忆效应和污染较小等优点，所以锂离子电池在不久的将来必然会成为电动车的理想能源。1.0设计任务1 设计一种电动自行车用卷绕式单体锂离子电

2、池，额定容量10Ah；2 给出所设计的电池制造的工艺流程。 本设计的锂离子电池的电化学表达式为： 锂离子电池的成流反应 正极反应： LiCoO2 Li1-xCoO2 + xLi+ + xe 负极反应： 6C + xLi+ + xe LixC6 电池反应： LiCoO2 + 6C Li1-xCoO2 + LixC61.1正极材料正极活性物质选择LiCoO2，因为它制备工艺简单，开路电压高，比能量大，循环寿命长，能快速充放电，电化学性能稳定，现已商品化。LiCoO2合成方法（溶胶-凝胶法）将Li（Ac）2按一定配比加入溶有PAA（聚丙烯酸）的去离子水中，加热至95形成凝胶体，将凝胶在空气气氛下加热

3、至500分解，研磨，再将分解产物于700左右煅烧3h得到LiCoO2。正极片压实密度（g/cm3）材料实际比容量（mAh/g）材料理论比容量（mAh/g）活性物质利用率（%）LiCoO23.913827350.6正极集流体：铝箔 厚度18微米正极配方活性物质（LiCoO2）导电剂(石墨)粘结剂偏氟乙烯(PVDF)含量（%）90461.2负极材料负极活性物质选择中间相碳微球（MCMB），颗粒直径大小在10微米左右，这种颗粒放射状结构，从轴心向外的石墨晶面以之字形取向排列，外侧被一薄覆盖，该薄层的底晶面几乎覆盖了纤维柱的全部表面，纤维的机械结构坚固，即使经过1000次循环，结构也不会破坏。MCMB

4、制备方法焦油沥青在400500加热成熔融状态时沉淀出来的微球，再在7001000热处理后可用作电池的负极材料。若进一步提高热处理温度，可制备石墨化的MCMB，实际比容量为305mAh/g。负极片压实密度（g/cm3）实际比容量为（mAh/g）理论比容量为（mAh/g）活性物质利用率（%）MCMB1.7530532095.3负极集流体：铜箔 厚度9 微米负极配方中间相碳微球石墨偏氟乙烯（PVDF）含量（%）89471.3隔膜PE隔膜 厚度取20微米1.4电解液1mol/L LiPF6-EC-DEC-DMC(1:1:1)1.5电池活性物质用量额定容量10Ah设计容量为保证电池的可靠性和寿命，一般设

5、计容量应大于额定容量的10%20%。设计容量（Ah）=1.1额定容量=11Ah=11000mAh电化学当量q=M26.8n选正极为控制电极，负极为非控制电极。正极活性物质用量m1（g）：m1=（设计容量电化当量）活性物质利用率 =11000138 =79.71 (g)负极活性物质用量m2（g）：负极过剩，本设计中负极比正极过量10%，因此m2=11000（1+10%）305 =39.67（g）1.6极片总面积（S总）计算对于圆柱形锂离子电池来说，工作电流为10000mA，工作电流密度为i=110mAcm-2，在此取i=5mAcm-2，则正极片S总=10000/5=2000 cm-2负极片S总=

6、KS总=1.12000=2200 cm-2K为设计系数，这里取1.1。1.7极片几何尺寸和极片数量的确定电池高度设为100 mm，极片高度H取90 mm正负极片均为短形片，因为是双面涂覆，所以极片面积=长*高*2，因此，极片的长度为L+=S+/2H=2000/(29)= 111.11cmL-=S-/2H=2200/(29)= 122.22cm1.8电池正负极板平均厚度（D） MCMB/ LiCoO2圆柱形锂离子电池制造工艺的有关参数电池组分材料厚度/微米负极活性物质MCMB单面90负极集流体Cu9正极活性物质LiCoO2单面80正极集流体Al18电解液/隔膜LiPF6-EC-DEC-DMC/P

7、E20 锂离子电池的极片制作是在集流体的双层涂覆活性物质，其中正极活性物质涂覆在Al箔的两面，干燥、辊压定型后每片活性物质的厚度是80m；负极活性物质涂覆在Cu箔的两面，干燥、辊压定型后每片活性物质的厚度是90m。1.9电池隔膜（隔板）材料的选择及密度、层数的确定隔膜选择聚乙烯微孔膜（PE），厚度为20微米。隔膜长度为负极片长度的2倍，即122.222=244.44 cm隔膜宽度比负极片高度长24 mm，即93 mm隔膜的参数名称厚度（m）长度（cm）宽度（mm）层数PE20.0244.593.02.0 1.10电解液的浓度及用量 电解液为LiPF6-EC-DEC-DMC(1:1:1)，浓度为

8、1mol/L，用量为电池总重量的1015，本设计取13%。 电解液用量=170.2713%=22.14 g1.11电池的松紧度及单体电池的容量尺寸 松紧度85.7% V（极片）=正极片体积+负极片体积 =（802+18+20）10-4111.119.0+（902+9+20）10-4122.229.0 =42.793V = V（极片）/松紧度=42.790.857=49.933 V=d2h/4 d2= 4V/（h） d=2.658 cm=26.58 考虑到电池的装配比，外包装的厚度等一些因素，d应该比理论计算值大一些，这里取d=26.8。 M（质量）=负极质量+正极质量+外壳质量+电解液质量 负

9、极质量=39.67/0.89 =44.57 g正极质量=79.71/0.9 =88.57 g外壳质量设计为15 g电解液的质量为电池质量的13%M（质量）=170.27 g单体电池的尺寸单体电池直径（）高度（）容积（3）质量（g）数值26.810.056.38170.272.0圆柱形锂离子电池的结构2.1锂电池制造过程电池制造的工艺流程 LiCoO2 石墨 PVDF MCMB 石墨 PVDF N-二甲基吡咯 N-二甲基吡咯 混合 混合 集流体（铝箔） 涂覆 涂 覆 集流体 （铜箔） 干燥 干燥 压型 压型 切 条 裁剪 卷绕 底部点焊 插入 涂胶封口 顶盖点焊 注入 封口 洗净 外包装 轧边 出厂检查2.2制浆用粘结剂PVDF和溶剂N-二甲基吡咯烷酮分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。铜箔9m负极结构示意图2.3涂膜将制成的浆料涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正、负极极片。2.4装配正极片隔膜负极片隔膜（自上而下的顺序放好），经卷绕制成电池芯，再经注入电解液、封