锂离子电池电芯设计-08资料

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1、锂离子电池电芯设计锂离子电池电芯设计 特种电源部叶茂 主要内容主要内容 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。 一、基础材料介绍正极材料一、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 （(x0.5)，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

2、嵌时结构有破坏的趋 势。 充电约一半时锂离子脱嵌 （(x0.5)，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。 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。 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 锰酸锂失效机理锰酸锂失效机理 ?结构不稳定结构不稳定 Jahn

3、-Teller distortion ?Mn3+的溶解Mn3+的溶解 2Mn3+Mn2+Mn4+ 正极正极 Mn3+Mn2+ Mn 负极负极 Mn2+ 2005-7-3 LiFePO4 Structure Charged and Discharged Olivine StructureHeteroside Structure ?磷酸铁锂材料 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

4、态，熔点要低，沸点 要高； 安全性要好，即闪点要高，无毒。 电解液 溶 剂锂 盐 添加剂 EC、PC、EMC、DEC等LiPF6、LiClO4、LiBF4等 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 锂离子电池电解液组成示意图 溶剂种类溶剂种类闪点闪点沸点沸点熔 点熔 点 EC16023837 PC-242-49 DMC16903 DEC33127-43 EMC23108-55 组分EC/DECEC/DMCPC/DEC 含量1:11:11:1 分解电压4.255.14.35 电解液常用溶剂物性参数及不同配比的分解电压 锂离子二次电池电解液常用添加剂锂离子二次电池电解液常用添

5、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放过充添加剂作用原理 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:BPBP 阻燃添加剂作用原理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、

6、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 。 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。 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 电池性

7、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、电化学基础二、电化学基础 Discharge Curves in Different Temperature for 50Ah Winding type Battery 2 2.25 2.5 2.75 3 3.25 3.5 3.75 4 4.25 051015202530354045505560 Discharge Capacity(Ah) Voltage(V) Discharge Capacity(Ah) Voltage(V) 25/52Ah(20A) -40/46Ah(10A)

8、 55/48Ah(20A) -40/47Ah(20A) LiFePO4电池组10度低温放电曲线区 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 012345678910 放电容量（Ah） 电压（V） 放电容量（Ah） 电压（V） 常温常温 -10度度4.5A放电放电 -10度度9A放电放电 -10度度18A放电放电 Discharge Curves at Different Rate of HEV-LP2770112AB Cell 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 01234567 Capacity（A

9、h） Voltage（V） 1C3C5C10C 15C18C20C25C 30C35C40C Charge Curves at Different Rate of HEV-LP2770112AB Cell 3.0 3.2 3.4 3.6 3.8 4.0 4.2 0%10%20%30%40%50%60%70%80%90% SOC Voltage(V) 1C2C3C4C5C 6C7C8C9C10C 12C15C18C20C 三、极组卷芯设计三、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，涂布量的设计。 半电池及三电极体系的概念 0.249 2.520 1.588 0.6

10、10 4.369 4.4484.468 3.793 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 5.0 0500010000150002000025000300003500040000 Time/min Voltage/V LiCoO2-Anode LiCoO2-Cathode LiCoO2-Cell ?N/P的概念； 极组卷芯的不同设计方式极组卷芯的不同设计方式 ?卷绕式； ?叠片式； ?另类方式。 失效位置分析失效位置分析: 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。 负极片： 失效点集中区域 在之前在之前moto的的SCAR分析中，失效点

11、基本集中在极组侧面和极组芯部两 处。经过对极组入壳半自动工艺的改进，极组入壳挫伤导致电池安全失效的不 良在 分析中，失效点基本集中在极组侧面和极组芯部两 处。经过对极组入壳半自动工艺的改进，极组入壳挫伤导致电池安全失效的不 良在08年反馈中基本消失。但对极组芯部的失效所采取的措施较少。其中有年反馈中基本消失。但对极组芯部的失效所采取的措施较少。其中有 12个个SCAR反映了极组内部的问题。 在对失效分析中，从负极铜箔的分析来看，基本上都是极组内部的区域出 现事故。 反映了极组内部的问题。 在对失效分析中，从负极铜箔的分析来看，基本上都是极组内部的区域出 现事故。 1558/E12 1607/E

12、14 1614/E14 80961/E14 1559/E14/Al 1562/E14 1579/E14 1575/E12 1599/E14 1569/E09 1589/E09 97517 安全问题改善措施和工艺改进 极组芯部的安全失效原因为：极组芯部的安全失效原因为： 1. 涂敷突起影响极片性能涂敷突起影响极片性能 2. 极片不平整影响热压后隔膜性能极片不平整影响热压后隔膜性能 3. 正极片铝箔剪切毛刺正极片铝箔剪切毛刺 4. 极片掉粉极片掉粉 对于第对于第1和第和第2种失效，根据严重程度需要进行一定的充 放电循环后才能导致电池出现着火或爆炸，目前无法通过早 期检测手段剔除出来 种失效，根据严

13、重程度需要进行一定的充 放电循环后才能导致电池出现着火或爆炸，目前无法通过早 期检测手段剔除出来(诸如诸如Hipot，AC漏电仪或自放电筛选漏电仪或自放电筛选)。 安全问题改善措施和工艺改进 由于涂敷突起问题造成电池安全失效的事例在负极不齐头的设 计进行生产时 由于涂敷突起问题造成电池安全失效的事例在负极不齐头的设 计进行生产时,连续发生电池在化成时的爆喷事故连续发生电池在化成时的爆喷事故.在在SCAR分析中分析中, 也出现了相同的事例也出现了相同的事例 短 涂 敷 面 长 涂 敷 面 安全问题改善措施和工艺改进 对于采用对于采用COMMA辊涂敷方式生产的极片辊涂敷方式生产的极片,应关注涂敷起

14、始和末 端的突起的控制 应关注涂敷起始和末 端的突起的控制. 目前目前,公司工艺对于电极涂敷突起的规定如下公司工艺对于电极涂敷突起的规定如下: 安全问题改善措施和工艺改进 铝箔剪切毛刺对电池安全性能的影响铝箔剪切毛刺对电池安全性能的影响.是由于毛刺刺穿隔膜产生短路时是由于毛刺刺穿隔膜产生短路时, 热量使周遍隔膜收缩热量使周遍隔膜收缩,从而造成铝箔和负极涂敷区域的短路从而造成铝箔和负极涂敷区域的短路. 根据目前的资料和实验结果来看，电池发生内部短路的情况下。铝箔 与负极涂敷区域之间的短路最严重。 根据目前的资料和实验结果来看，电池发生内部短路的情况下。铝箔 与负极涂敷区域之间的短路最严重。 02

15、0406080100120140 0 100 200 300 400 500 Cathode-Cu Al-Cu Cathode-anode Al-anode LP463446RF cell inner short simulation test jelly roll temperature(? ) test time(S) 力神实验结果力神实验结果来自于：来自于：John Zhang的报告的报告 安全问题改善措施和工艺改进 根据分析结果，要避免电池在发生内部短路的情况下出现着火或爆炸根据分析结果，要避免电池在发生内部短路的情况下出现着火或爆炸,应尽 量避免产生铝箔和负极活性物质之间的接触短路。

16、 应尽 量避免产生铝箔和负极活性物质之间的接触短路。 极组展开图如下：极组展开图如下： Anode Sep Cathode 铝箔与负极活性物 质可能接触点 铝箔与负极活性物 质可能接触点 铝箔与负极活性物 质可能接触点 铝箔与负极活性物 质可能接触点 安全问题改善措施和工艺改进 根据根据Benchmark和现有的电池设计结构和现有的电池设计结构,在这两处所采用的措施为在这两处所采用的措施为: 1. 加加Lamination胶带胶带 2. 剪切位置处于涂敷区域剪切位置处于涂敷区域 Sanyo电池采用剪切涂敷区方式电池采用剪切涂敷区方式 BYD电池采用贴胶带方式电池采用贴胶带方式 安全设计的总结安全设计的总结 ?从材料入手提高热稳定性； ?阻断热量的持续产生； ?加速热量的扩散，防止电池热量过量蓄积。