第1个回答 2022-07-11
1.基本知识
在开始讨论电芯设计之初，要先了解以下几个基本概念：
1.1 锂电池基本工作原理
锂电池是由正极，负极，隔膜和电解液等组成。充电时， Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时正极处于贫锂态，同时电子的补偿从外电路供给到负极，保证负极的电荷平衡；放电时，Li+从负极脱出经过电解质嵌入正极，此时正极处于富锂态。在正常充放电过程中，Li+在材料层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距变化，不破坏晶体结构。从充放电反应的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。
正极上发生的反应为：
LiCoO2→Li1-xCoO2+xLi++xe
负极上发生的反应为：
6C+xLi++xe→LixC6
1.2 基本概念
容量能量：在一定的条件下，电芯内部的活性物质参加化学反应所放出的电能，单位一般用Ah或者mAh，这个条件是指在特定的温度，倍率和截止电压的，对于一颗确定的电芯来说，其发挥多少容量，是由正极来决定的。
工作电压：指电池在有负荷时正负极两端的电压，它是电池工作时实际输出的电压，其大小随电流大小和放电程度不同而变化。工作电压低于开路电压，因为电流流过电池内部时候，须克服极化内阻和欧姆内阻所造成的阻力。
截止电压：电芯在充电或放电时，所规定的最高充电电压或最低放电电压，终止电压同不同的材料关系很大；
电池内阻：分为交流内阻和直流内阻，交流内阻体现的是电芯的欧姆内阻，业内用的较多的是1kHz时测试的内阻；直流内阻包含欧姆内阻和极化内阻，欧姆内阻是由四大主材，集流体和机械件等产生的接触内阻，极化内阻是电化学极化和浓差极化引起的内阻；
充放电速率：充放电速率一般用倍率来表示，倍率指电池在规定时间内放出其额定容量所需要的电流，通常用字母C来表示。
2.设计目标明确
就是要设计什么样的电芯，在设计之初要分解清楚。因为需求大多来自主机厂，需要把整车的语言转化为电芯的语言，举例如下：
项目电芯目标备注
尺寸2614897对应Pack-X,Y,Z
容量51Ah可由续航里程，电机电压平台分解而来
能量189Wh
峰值功率≥900w由百公里加速，电机功率分解而来
循环寿命≥2000次设计寿命XX万公里
快充能力1.6C30min 0-80%
3.设计基础
电芯设计在于在能量密度，寿命，快充，成本等目标中找到一个平衡点，这是因为不同指标间如同拉锯，难以同时满足，这个时候，针对目标进行分类显得比较重要。就是说那些需求是客户必须要满足的，如容量，能量，安全等，那些是客户特殊需求要尽量满足的，如快充，功率等，那些是客户需求非必须要满足的。要识别这些，就需要跟客户进行多次和深入的沟通，避免设计走偏。
3.1 化学体系选择
正极的选择：正极材料的决定了电芯的能量密度，我们都知道三元和磷酸铁锂是目前动力电芯上用的比较多的正极材料。以方形动力电芯为例，如果我们的设计目标要做到210wh/kg，那么正常情况需要选择5系以上的三元材料，如果要做到240wh/kg以上，需要选择8系的三元材料，当然目前8系材料大家争议比较大，这时候我们也可以换个思路，选择低镍体系，提升材料的截止电压，比如从4.2V提升到4.35V。如果单靠电压提升还不能完全满足我们能量密度需求的话，其他材料和结构设计也需要作出优化。
负极的选择：负极材料多为人造石墨，也可以掺硅，或使用钛酸锂，硬碳等。对于搭配三元材料的人造石墨而言，其克容量发挥目前基本都已经在350mAh/g左右，对于已经确定的壳子来说，提升负极的克容量就能减少负极材料的用量，进而提升电芯的能量密度。这其中石墨负极掺硅是一种比较有效的手段，但是掺硅会导致负极膨胀增大大，首效也会降低，对快充能力和循环寿命都有一定的挑战，这个是其不足。故决定加硅之初，就要同步思考掺杂量和后续的补锂工艺。
石墨负极的形貌和寿命过程示意
隔膜不仅需要考虑其材质，厚度，成本，也需要考虑孔隙率，透气度，陶瓷涂重和是否涂PVDF等，陶瓷涂覆可以改善电芯安全性能，涂覆PVDF可以优化电芯界面的贴合，但也随之而来带来工艺和成本上的增加，也是需要设计人员根据需求考虑清楚的。
3.2 容量设计
电芯容量的简单的计算公式如下：
设计容量=正极材料克容量发挥*涂布重量*Loading*极片长度*极片宽度*2*卷心数量
正极材料克容量发挥材料厂家出厂时候会给出，当然电芯厂商自己也会检验，保证批次的稳定性，这样也可以提升后续配组的一致性，其测试方法一般是采用纽扣电池，对电极是锂。涂布重量单位为g/m2，涂布方式为转移和挤压涂布，由于挤压涂布在公差和精度上更有优势，故目前量产产线多为挤压涂布。Loading是指正极配方中，正极活性材料质量占比。
目前量产方形电芯卷心数量多为2个或4个，为什么较少厂家做到1个，工艺角度考虑可能原因有极片太长，模切容易断带，影响优率；层数过多，卷绕的错位也难以控制。
3.3 N/P设计
N/P= 负极克容量*负极活性物质质量/正极克容量*正极活性物质质量，
主要目的是保证同一时刻，同一位置的负极的嵌锂能力大于正极的脱锂能力，克容量的一般是扣电测试得到，故N/P一般有两个，首次充电和二次放电，首次充电N/P的设计主要是为了保证化成阶段电芯不析锂，二次放电阶段的N/P设计主要是为了保证后续的长循环寿命，故实际的N/P值的选取要综合考虑充电和放电，作出最优选择。
3.4 安全设计
在电芯内部设计时候，安全是我们需要重点考虑的，一般的策略如下：
Overhang设计：就是隔膜的长度和宽度要能包住负极，负极的长度和宽度要能包住正极，这样做有以下几个好处,一是能够防止充放电过程中极片膨胀导致内短路；二是防止隔膜下压，引发内短路。
正极边缘涂陶瓷：指的是在正极的边缘涂覆一层绝缘陶瓷，防止正负极搭接出现短路。
顶盖安全设计：主要是Fuse熔断设计，过充OSD翻转设计。设计需要考虑Fuse的过流能力，针对其持续过流和峰值过流，需要提前收集和测试相关的验证数据。OSD主要是为了防止过充，前面的一篇文章已经介绍了其机理，随着后续新国标的发布，三元体系不用OSD也能通过过充测试，故后续为了提升顶盖的可靠性和降低成本，OSD可能会逐步的取消。
3.5正负极配方设计
正极的配方一般都由三元材料，导电剂，粘结剂等组成，溶剂为NMP，导电剂常见有SP，KS-6和CNT等，粘结剂常见多为PVDF。为了尽可能的提升电芯的能量密度，NCM的Loading最少也要做到95%以上，之所以Loading不能做到100%，是因为辅材的作用也是非常重要的。导电剂和粘结剂的作用从字面上就可以明白，这里不过多解释。主要说一下SP是一种链状导电剂，起的是长程导电的作用，KS-6是一种片状片状，起的是短程导电的作用。实际的应用中，二者要搭配使用才能更好的提升导电能力。
负极的配方也是类似，主要为石墨/硅，导电剂，粘结剂，乳化剂（增稠剂）等组成，主材的含量也是要尽可能的提升，一般也要在96%以上。导电剂类型同正极相同，不同是粘结剂和乳化剂，粘结剂常见为SBR（丁苯橡胶），聚丙烯酸酯类材料，其作用不仅有提升粘接的能力，同时也有加速锂离子传输的的作用；
目前的石墨负极浆料溶剂多为去离子水，由于石墨为非极性物质，表面能低，但溶剂水是极性物质，乳化剂CMC-Na（羧甲基纤维素钠）的疏水键通过范德华力吸附在石墨表面，亲水基则同水结合提升石墨的亲水性能；同时包裹了CMC-Na后，石墨表面负电荷增加，颗粒之间排斥作用更大，浆料更加不容易发生沉降。所以CMC-Na起到了石墨亲水和提供空间位阻的作用。
本篇只是大致对电芯设计最为基础的部分做了个介绍，由于篇幅和精力有限，其余未尽部分，待后续更新。