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谈谈18650圆柱电池的工艺设计要点

来源: 电池招聘网      作者:batthr     发布时间:2018-10-11 09:20:41     浏览次数:89    

  众所周知,市场上主流的锂离子电池按照壳体类型和形状可分为三大类:软包、方形铝壳和圆柱。自从2015年国内新能源汽车开始火爆以来,动力锂离子电池也是迎来了少见的黄金期,当然这是和国家政策和补助直接关联的。

  究竟软包、方形铝壳和圆柱三种类型电池哪一种最适合动力汽车?事实上各有优点,且每家情况不一,所以是仁者见仁智者见智,讨论是没有结果和意义的。

  后续我会分别对三种电池的一些重要的设计要点进行分析论述。本期我谈谈18650圆柱电池的工艺设计要点。

  一注液量:

  一般来说,三元系18650 2.6-3.2Ah圆柱电池注液量在5-5.5g之间。具体注液量要看正负极材料的物理参数(比表面积、形貌、粒径分布)、卷绕松紧度、面密度、压实密度等。

  如果注液量不足,会造成内部无法完全浸润,内阻偏大,循环次数少等。严重的会导致析锂进而发生危险;如果注液量过大,会造成内部空间不足(内压大)、容量衰减快、增加成本等。

  这里说一下,注液量大会造成容量衰减快是因为负极,特别是温度高和在充电过程中的时候,富裕游离态电解液会和活性较大负极锂碳化合物反应,消耗有效物质。

  一般厂家确定注液量的方法是将卷绕好的电芯浸入电解液中,计算前后差重,再富余0.2-0.4g,最后即为最佳注液量。当然,此方法虽然简单可行,但严谨性不足。

  最好的方法是梯度注液量分别做电化学性能实验,最终兼顾倍率、高低温、循环等。

  具体的也要看电池的具体用途来确定合适注液量是比较科学的。

  锰锂、铁锂等电池原理基本类似。不赘述。

  二松紧度:

  松紧度的计算是正极、负极、隔膜和卷针空隙的底面积总和除以圆柱电池内底面积。一般为88%-93%。

  同样,具体松紧度要看电池的用途和你要求的最终电池的各项性能决定的。松紧度太低,会造成空间浪费成本增加、电解液难以浸润(耗液)、电芯晃动等;松紧度过高,会造成后续电芯膨胀导致的空间不足,影响电化学性能、内压大CID易断开等。

  一般来说,倍率电池松紧度低一些,一般在91%以下;容量电池松紧度高一些,有的甚至能超过95%。其中原因可以可以思考一下,很简单。

  需要说明的是,考虑到材料不同(如负极物性参数)、设计参数不同(如压实密度)等,后续电池膨胀系数也不同。我们设计的时候要实际综合考虑。

  三极耳数:

  极耳数增加只能有限的增加电池的交流内阻,和最终使用过程中的直流内阻没有直接关系。且增加极耳数会增加电池工艺设计难度,增加成本和最终使用风险。所以为了增加最终电池容量或者倍率性能而片面增加极耳数是否可行,设计时一定要慎重。

  原因大概说一下:增加极耳数意味着留白和极耳焊工序增加机器、材料和人工,成本自然增加;增加极耳数也会影响极片张力,造成张力不均,增加卷绕难度和风险;极耳处焊点包胶处理不当会刺穿隔莫;极耳处电流密度最大,电极电势最低,增加了析锂的概率。

  一般设计是,容量电池正负极各一个极耳足以;倍率电池可以考虑多加极耳,但最终决定性能的是直流内阻。

  举个例子:正常不含PTC电池正负极各一个极耳,交流内阻为30mΩ,1C放电直流内阻为50mΩ;现在负极增加一个极耳,交流内阻为20mΩ,但1C放电直流内阻可能为48mΩ。所以说,最终看的是电池的浓差极化和电化学极化带来的直流内阻。

  一句话,极耳数增加有利有弊,具体看要求。

  四中心针:

  有些圆柱电池厂家最后会在卷针中心放置不锈钢卷心针。

  基本参数(力神卷芯为例):

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  1、内部支撑作用:

  电池在使用过程中会发生很多次锂离子的脱嵌反应,同时内部材料也会随着时间发生老化现象。这就会造成电池在循环到一定次数的时候整个卷芯可能发生变形,由于卷芯内部存在空腔,就会无法阻止卷芯向内部形变的应力,轻则电池由于形变会导致电化学性能变差,重则可能发生内短路,继而发生安全威胁。

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  如上图所示,电池循环一定次数后,卷芯内部有塌陷现象,且整体电芯有轻微形变。而有中心针电芯不会出现此情况。

  2、应对电池喷射试验:

  锂离子测试UL1642中有喷射测试 (Projectile Test),即要求电池被高温加热时不能有电芯或电池的部分穿透筛网或整个电芯或电池突出筛网,即不能有异物喷出较大距离。有中心针可以增加一个气体喷出的通道,如此一来卷芯就不会喷出。如下图是有中心针的圆柱电池,燃烧后没有物质喷出。

  中心针有利有弊,具体是否需要要看具体要求和工艺控制等。以我来看,是没有必要的。

  五极片对应:

  极片对应分四种:

  1、正极粉料对应负极粉料;

  2、正极粉料对应负极箔材;

  3、正极箔材对应负极粉料;

  4、正极箔材对应负极箔材。

  其中2我们很好理解,如此设计会造成负极箔材析锂,后果很严重,故不可取。

  事实上3也同样严重,我们设计中一定要杜绝!原因如下:

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  上图是某博士所做的研究,也是行业普遍认可的。具体原因说的很清楚。所以我们在设计过程中一定要注意,这一点往往被部分企业忽略。

 (本文资料来源于网络,如有侵权请联系删除!)

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