锂离子电池设计流程

一路上

前言

电芯设计过程是一个复杂的系统化工程，设计工程师们通常采用自外而内的逆向设计思维，即以客户的尺寸需求和性能需求为导向，以电化学体系工艺窗口为基础，以成本控制为重要目标进行设计开发。

要想深入挖掘电芯设计的“核心价值”，则必须充分理解其设计逻辑。鉴于此，笔者整理了常见的电芯设计要素并对其进行解析，以加深对电芯设计过程的理解。

1：尺寸设计-厚度 Thickness

电芯厚度设计与客户要求的电芯出货态SOC密切相关，即不同SOC下正极片和负极片反弹存在差异（正极片和负极片反弹详见反弹设计章节）。
因此，在进行厚度设计时，首先要明确电芯出货态SOC（通常是60%SOC或30%SOC航空标准），确认SOC后再对电芯进行厚度分解。

以下图所示的双错位卷绕结构（叠片结构类似）为例，根据设计表已知如下信息：

对组成电芯最终厚度的各要素进行逐层分解：
①正极料区层数：负极层数+1=36层；（包括33层双面，3层单面）；厚度=（33*2+3）*0.036*1.03=2.559mm；
②铝箔层数：负极层数+1=36层；厚度=36*0.012=0.432mm；
③负极料区层数：35层（包括34层双面，1层单面）；厚度=（34*2+1）*0.039*1.18=3.175mm；
④铜箔层数：35层；厚度=35*0.008=0.28mm；
⑤极耳层数：1层；厚度=0.1mm；
⑥胶纸层数：2+2+1=5层（2层极耳胶，2层极片胶，1层收尾胶）；厚度=5*0.016=0.08mm；
⑦铝塑膜层数：2层；厚度=2*0.111=0.222mm。

电芯出货态厚度=2.559+0.432+3.175+0.28+0.888+0.1+0.08+0.222=7.736mm。

假设电芯厚度历史COV能力可以满足1%，则电芯3σ能力（3σ被认为是合格质量水平）：

3σ=3*7.736*1%=0.232mm

最终电芯厚度范围为：7.504~7.969mm，客户要求≤8.0mm，满足要求。


2：尺寸设计-宽度 Width

若电芯为卷绕结构，则其宽度设计与出货态SOC有一定关系，若电芯为叠片结构，则其宽度设计与出货态SOC关系不大。

在进行宽度设计前，还要确认电芯折边方式，双折边/单折边对电芯宽度影响可能不同。

双折边：通常是动力电池采用的折边方式，可以保留更多的有效封印区，封装更加可靠；

单折边：通常是3C电池采用的折边方式，更有利于节约宽度方向空间，提升体积能量密度。

除此之外，还需要了解铝塑包装壳成型过程：显然地，电芯宽度方向还包括一个凸模R角和一个凹模R角（R角主要是为了避免应力集中导致铝塑膜破损）。

为了避免电芯折边时铝层破损，宽度方向还需要预留未封区，即封印距电芯主体的距离（通常为1.0~1.5mm），如下图所示，如果没有预留未封区，PP溢胶后极易导致折边时铝层破裂。

综上所述，电芯宽度设计需要考虑的因素有JR（卷芯）本体宽度、铝塑膜厚度、铝塑膜凸模R角和凹模R角设计、未封区宽度、折边方式等。

3：尺寸设计-长度 Length

电芯长度设计与宽度设计推算逻辑类似，但细节方面存在一些差异性。

首先看一下电芯长度方向示意图，其组成包括：

• “狗耳”；——电芯顶封和侧封交界处溢胶严重，多余的PP熔胶露出铝塑膜边缘；
• 顶封外未封溢胶区；
• 顶封区；
• 顶封内未封区；
• 铝塑膜；
• 铝塑膜凸模和凹模R角；
• JR（卷芯）本体长度；
• “狗腿”；——无底封的电芯双坑间拉伸严重，合盖后形成尖角突起。
  

在长度设计过程中综合考虑以上因素，从而可以避免电芯超长导致客户无法进行装配的风险。

大致的推算逻辑为：

• 客户要求电芯长度；
• 确认顶封宽度；
• 确认铝塑膜厚度；
• 开模设计R角参数；
• 顶封内未封区宽度；
• “狗耳”和“狗腿”设计；
• 确认铝塑膜内腔可用长度；
• 确认隔膜宽度。
  

4：面密度设计 Coating Weight

降低面密度是设计高倍率电芯最快速有效的方法，增加面密度是设计高能量电芯最快速有效的方法。

极片面密度越小对应的厚度也更薄，减小了Li+的扩散距离，使扩散更快速，可以有效降低浓差极化，同时Li+循环脱嵌对材料结构的破坏也更小。

不同面密度下LCO电池的快充性能

理论上说，面密度越小越有利于倍率性能，但在面密度实际设计时通常有个下限值的约束（正极面密度≥8.0mg/cm2，负极面密度≥4.5mg/cm2），这是因为当面密度小到临界值时，浆料中的大粒径颗粒无法通过涂布机模头，导致产生颗粒划痕、极片辊压亮点等严重影响电芯性能的异常问题。

消费类电池面密度设计参考表——石墨

倍率	1C	2C	3C	5C	8C	10C
面密度	≤10	≤9	≤8.5	≤7	≤5.5	≤4.5

5：压实设计 Press Density

涂覆后的极片需要进行辊压处理减薄极片，从而大幅提升电池能量密度，并且通常认为正负极材料还具有一个最佳性能的压实密度。

不同负极片压实的循环曲线

（黑线1.6，红线1.7，绿线1.8）

压实过高：材料组分的粒子间距离更小，接触更紧密，有利于提升电子导电性，但极片孔隙率快速下降，吸收电解液困难，不利于Li+的快速脱嵌，容易析锂；

压实过低：材料组分的粒子间距离更大，离子通道增加，有利于Li+的快速脱嵌，但粒子间的接触面积变小，不利于电子导电，极化增大。

常用材料体系的压实设计范围

材料	LCO	LMO	LFP	NCM	C
体系
压实	3.8~	2.7~	2.0~	3.2~	1.3~
范围	4.2	3.1	2.4	3.6	1.8

对于能量型电芯（≤3C）通常采用大粒径材料，压实设计也相对更高，而对于功率型电芯（＞3C）一般采用小粒径材料，同时压实设计也相对更低。

消费类电池压实密度设计参考表——石墨

倍率	1C	2C	3C	5C	8C
压实密度	≤1.8	≤1.7‍	≤1.65‍	≤1.6‍	≤1.5

6：压延设计 Extension

极片辊压时，金属集流体铝箔和铜箔会发生延伸，即极片在辊压后会变长。

通常，极片MD方向（垂直辊）延伸率较大，而极片TD方向（平行辊）几乎没有延伸。

材料体系	NCM	LMO	LFP	C
TD方向	0.1~	0.2~	0.1~	0%
	0.20%	0.50%	0.30%
MD方向	0.4~	0.8~	0.2~	0~0.2%
	1.00%	2.00%	0.80%

正、负极在不同压实下的延伸率

由于压延的存在，辊压后面密度与涂布的面密度具有差异性，这种差异性可能导致设计NP和容量发生变化。

根据容量不变原理：

因此，进行NP设计和容量设计时，需要对面密度进行修正，一般采用辊压面密度来计算。

7：反弹设计 Swelling

反弹设计对电芯装配过程和成品厚度至关重要，如果装配过程反弹设计不准确可能导致电芯外观不良，产生报废品，如果成品厚度反弹设计不准确，可能导致电芯超厚或超薄，不满足客户要求。

极片物理反弹与材料物性、辊压方式、压实密度、极片存放时间（一般辊压后存放两天开始变得稳定）等有较大关系，通常可以参考下表设计：

材料	LCO	LMO	LFP	NCM	C
体系
物理	1~3%	3~5%	1~3%	2~4%	5~10%
反弹

不同压实下极片物理反弹

充电态极片反弹与SOC强烈相关，SOC越大，石墨负极片厚度膨胀越明显，反弹范围在11~31%，而正极材料结构相对较稳定，不同SOC下，正极片反弹变化相对较小。

不同压实和SOC下充电反弹

8：NP比设计 Negative/Positive

NP比又称CB值（Cell Balance），通俗的理解就是负极过量比例，通常要求理想状态下NP比≥1，否则Li+从正极脱出后无法全部被负极接纳，多余的Li+在低电位下析出在负极表面，会严重恶化电池性能和安全特性。

其计算公式为：

那么，公式中的克容量是指放电克容量还是充电克容量呢？目前多数电芯厂家为了更方便核算电芯设计容量，基本都是按照放电克容量计算NP比，因此出现了LCO、LFP、NCM体系需要按不同NP比设计的说法，如下表：

常用材料体系的NP比设计（按首次放电克容量计算）

材料体系	LCO	LFP	NCM
NP比设计	1.08~1.12	1.10~1.14	1.12~1.17

造成这种差异的原因是这三种材料的首次效率不同（LCO 94%~96%，LFP 95%~97%，NCM 85%~88%），实际上，如果按照首次充电克容量来设计NP比，则可以统一NP比标准≥1.03即可，因此，在进行NP比设计时必须要考虑材料首次效率以防止析锂。

通常，正负极材料首次效率均小于100%，即在嵌锂和脱锂过程中存在容量损失，正极材料的容量损失主要是结构变化导致，负极材料的容量损失主要是形成了SEI膜。

如下图，揭示了正极首效和负极首效的三种相对情况：
①正极首效＜负极首效，负极脱出的Li+无法被正极完全接收，余下的Li+保留在负极；
②正极首效=负极首效，Li+被完全利用，这是一种理想的情况；
③正极首效＞负极首效，负极脱出的Li+被正极完全接收，且正极还有多余的嵌锂空间。

由此得到一个结论：全电池首次效率与正极材料或负极材料首次效率较低者相等。

搞清楚首次效率之后，我们来举一个实例说明（NCM+Gr体系）：

项目	正极	负极
1C克容量	190mAh/g	350mAh/g
0.1C克容量	204mAh/g	355mAh/g
首次效率	89%	92%
面密度	15.0mg/cm2	9.6mg/cm2
Loading	97.80%	94.80%

放电NP=（350×9.6×94.8%）/（190×15.0×97.8%）=1.14
充电NP=（355×9.6×94.8%/92%）/（204×15.0×97.8%/89%）=1.04
充电NP比≥3%认为是合理的设计，电池在首次充电过程析锂的风险较小，对应的放电NP比为1.14。

以上，充电NP比只是考虑了首次析锂问题，但随着循环的进行，正负极材料容量衰减很难保持一致，所以，最终NP比的确定还需要考虑正负极材料的衰减情况，如下图：

①正极衰减更快的情况：随着循环进行，析锂风险持续降低，应适当降低初始NP设计，让正极处于浅充放状态；
②负极衰减更快的情况：随着循环进行，析锂风险持续增加，应适当提高初始NP设计，让负极处于浅充放状态。

9：极耳过流设计 Tab Design

锂电池极耳材质通常是Al、Ni、Cu（或在Cu表面镀镍）。

极耳过流设计通常是根据焦耳定律确定：

换算后，极耳横截面积：

式中：
S——极耳横截面积，单位mm2；   I——电流，单位A；   ρ——电阻率，单位Ω·mm；
t——持续通电时间，单位s；   C——极耳比热容，单位J/kg/℃；   ∆T——温升，单位℃；
R——电阻，单位Ω；  m——极耳质量，单位kg；   L——极耳长度，单位mm；   ω——极耳密度，单位kg/mm3。

常用极耳材质信息

极耳材质	密度	电阻率	比热容
	kg/mm3	Ω·mm	J/kg/℃
Al	2.70×10-6	2.83×10-5	880
Ni	8.90×10-6	6.84×10-5	460
Cu	8.96×10-6	1.75×10-5	390

以1Ah电芯为例，理想状态下，不同倍率下的极耳设计如下表：

需要注意的，极耳在产热的同时也在散热，并且随着温升增加，电阻率也会发生变化，所以上表计算的Al、Ni、Cu极耳横截面积是一个比较“宽松”的标准，电芯实际设计时，极耳的过流能力比上表计算值高得多。

通常可以参考如下经验值进行设计：

极耳设计载流值
Al极耳	Ni极耳	Cu（镀镍Cu）极耳
3~5  A/mm2	2~3 A/mm2	5~8 A/mm2

10：熔胶设计 PP Melted

在介绍熔胶设计之前，先简单介绍软包铝塑膜的两种封装方式：软封和硬封。

软封：在金属封头内部嵌入一根可变形的硅胶条，封装非常简单高效，整个封头是平直的，不用考虑槽位压极耳的问题，但这种封装方式容易熔胶不良导致漏液，且负极耳接触铝塑膜Al层导致腐蚀的风险也较高；

硬封：在金属封头表面开设极耳槽位，这种封装方式的熔胶非常均匀，漏液和腐蚀的风险较小，但对极耳相对位置的控制要求较高，且封头需要定制不具有普适性。

无论软封还是硬封都是通过熔胶实现密封功能，熔胶设计包括双层铝塑膜熔胶设计和极耳位置熔胶设计。

双层铝塑膜熔胶设计涉及的工序包括：
1、侧封Side sealing，2、预封Vacuum sealing，3、二封Degassing

极耳位置熔胶设计涉及的工序包括：
4、顶封Top sealing

通常而言，铝塑膜PP层和极耳CPP层熔胶比例为15%~55%为宜（优选30%~40%），熔胶设计结果将为封头尺寸设计提供参考。

双层铝塑膜熔胶示意图

极耳位置熔胶示意图

11：注液量和保液量设计 E.L. Injection and Retention

注液量和保液量通常是根据电芯极组孔隙确定的，首先确定理论保液量（电芯极组孔隙×电解液密度），再根据理论保液量确定注液量，基本原则是：在浸润充分的前提下尽可能降低电解液用量。

1）首先是理论保液量计算
计算理论保液量的本质就是计算电芯极组孔隙。电芯极组孔隙包括正极片孔隙、负极片孔隙、隔膜孔隙、Overhang孔隙等。

正极片孔隙和负极片孔隙与材料真密度和注液时的压实密度有关。

根据体积不变原理，首先计算涂层平均密度，计算公式为：

然后计算涂层孔隙率，计算公式为：

常用材料的真密度表

隔膜孔隙与隔膜体积、孔隙率有关；Overhang孔隙与S-A overhang，A-C overhang以及正极片、负极片、隔膜厚度有关，此处亦不再赘述。

通常保液量范围是1.0~5.0g/Ah，与材料物性和工艺设计关系较大，即使是相同的材料体系也不可一概而论。

2）根据理论保液量确定注液量

注液量通常按照以下经验公式确定：

注液量=理论保液量×1.06

根据经验公式进行首次验证后，需要进行注液量梯度实验，验证化成后电芯界面是否正常，二封抽气失液量是否达标，电芯循环是否满足要求等，直到探索出性价比最高的注液量值。

12：容量设计 Capacity

在进行容量设计之前首先要明确容量测试标准：电压范围、测试温度、放电倍率都会影响电芯容量测试结果。确认以上因素的影响后，根据如下公式计算容量：

电芯容量=正极克容量×涂覆面密度×正极有效涂覆面积×正极配方Loading

电芯容量计算公式揭示了影响电芯容量的因素，对分析电芯容量的异常发挥具有重要的指导意义。

假设需要设计一款容量1510mAh电芯，已知如下信息：

项目	数值	公差
正极克容量mAh/g	182	±1
正极面密度mg/cm2	7.3	±2.5%
正极片宽度mm	55	±0.3
正极片长度（双面）mm	2178.5	±3
正极配方Loading	98%	±0.2%

第一种方法：按照理想情况计算理论容量

理论容量=182×7.3×（55×2178.5）×98%/100000=1560.1mAh

根据历史数据推算COV能力（COV变异系数=σ标准差/μ均值），假设容量COV可以满足≤1%，并且通常3σ能力被认为是合格质量水平（不良率≤0.03%）

3σ=3×1560.1×1%=46.8mAh

容量分布范围1560.1±3σ=1513.3~1606.9mAh＞1510mAh，满足容量设计要求。

第二种方法：模拟容量分布

根据公差控制标准，分别生成正极克容量、正极面密度、正极片宽度、正极片长度（双面）、正极配方Loading的随机正态数列。
生成随机正态数列的公式为：

根据生成结果计算容量，然后绘制分布图：

从图中可以直观的看到，容量最小值1517.5mAh，最大值1596.9mAh，容量CPK能力1.49＞1.33，满足容量设计要求。