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什么是電芯設(shè)計(jì)？
電芯設(shè)計(jì)是指將正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜、正負(fù)極集流體以一定的比例和工藝組裝而成能夠滿足某種對電性能需求的一種方法。要求設(shè)計(jì)者掌握正極材料、負(fù)極材料、電解液、隔膜、導(dǎo)電劑各自的特點(diǎn)，同時具有豐富的電化學(xué)的知識，具備統(tǒng)籌全局的思維邏輯。這是一項(xiàng)浩大的制造工程，需要涉及多種工序，每一步工序都有各自的工藝特點(diǎn)。
設(shè)計(jì)目標(biāo)明確
首先要明確需要設(shè)計(jì)電芯需滿足的需求是什么。目前對電芯的需求主要來源于兩個方面，一種是電池企業(yè)內(nèi)部自我技術(shù)的儲存，提前對市場需求的預(yù)判；另外一種就是來源于需求電芯的企8業(yè)，無論是消費(fèi)類電池還是動力電池，需要把企業(yè)需求語言轉(zhuǎn)化為電芯的語言，如下：
設(shè)計(jì)基礎(chǔ)
電芯設(shè)計(jì)的基本準(zhǔn)則在于將能量密度、壽命、倍率、成本等參數(shù)中找到一個相對平衡點(diǎn)，這是因?yàn)椴煌笜?biāo)難以同時滿足。因此，針對目標(biāo)的分類是非常重要的。根據(jù)客戶不同的需求進(jìn)行分類：（1）客戶必須要滿足的需求必須滿足，如容量，能量，安全等；（2）客戶特殊需求的要盡量滿足，如快充，功率等，（3）客戶需求非必須需求。要識別這些，就需要跟客戶進(jìn)行多次和深入的溝通，避免設(shè)計(jì)走偏。
化學(xué)體系選擇（以鋰電為例）
正極的選擇：正極材料的決定了電芯的能量密度，三元和磷酸鐵鋰是目前動力電芯上用的比較多的正極材料，鈷酸鋰是目前消費(fèi)類使用較多的正極材料。無論是消費(fèi)類還是動力類電池，其基本的設(shè)計(jì)理念基本上是相同的。本文以方形動力電芯為例，如果我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)要做到210 Wh/kg，那么正常情況需要使用5系及以上的三元材料；如果做到240 Wh/kg以上，需要使用8系及以上的三元材料。目前，行業(yè)內(nèi)對于是否使用8系材料存在分歧。因此，在選擇正極材料時需要換個思路。我們都知道能量密度主要是由容量（C）和電壓（V）共同決定的，在無法選擇高容量材料時，我們必須提升材料的截至電壓，如從4.2 V 提升到4.35 V。此外，如果容量和電壓的提升仍不能完全滿足能量密度的需求，則需要對電芯的結(jié)構(gòu)和工藝做進(jìn)一步的優(yōu)化。
負(fù)極的選擇：負(fù)極材料多為人造石墨，也可以摻硅，或使用鈦酸鋰，硬碳等。對于搭配三元材料的人造石墨而言，其克容量發(fā)揮目前基本都已經(jīng)在350 mAh/g左右，對于已經(jīng)確定的殼子來說，提升負(fù)極的克容量就能減少負(fù)極材料的用量，進(jìn)而提升電芯的能量密度。這其中石墨負(fù)極摻硅是一種比較有效的手段，但是摻硅會導(dǎo)致負(fù)極膨脹增大大，首效也會降低，對快充能力和循環(huán)壽命都有一定的挑戰(zhàn)，這個是其不足。故決定加硅之初，就要同步思考摻雜量和后續(xù)的補(bǔ)鋰工藝。
隔膜的選擇：隔膜不僅需要考慮其材質(zhì)，厚度，成本，也需要考慮孔隙率，透氣度，陶瓷涂重和是否涂PVDF等，陶瓷涂覆可以改善電芯安全性能，涂覆PVDF可以優(yōu)化電芯界面的貼合，但也隨之而來帶來工藝和成本上的增加，也是需要設(shè)計(jì)人員根據(jù)需求考慮清楚的。
電解液的選擇：電解質(zhì)在電池正負(fù)極間起著離子導(dǎo)電、電子絕緣的作用。二次鋰電池中，電解質(zhì)的性質(zhì)對電池的 循環(huán)壽命、工作溫度范圍、充放電效率、 電池的安全性及功率密度等性能有重要的影響。二次鋰電電解質(zhì)材料應(yīng)當(dāng)具備以下性能：（1）鋰離子電導(dǎo)率高；（2）電化學(xué)穩(wěn)定性高，在較寬的電位范圍內(nèi)保持溫度；（3）與電極的兼容性好，在負(fù)極上能有效地形成穩(wěn)定的SEI膜，在正極上，在高電位條件下有足夠的抗氧化分解能力；（4）與電極接觸良好，對于液體電解質(zhì)而言，能充分浸潤電極；（5）低溫性能良好，在較低的溫度范圍（-20~20 ℃）能保持較高的電導(dǎo)率和較低的黏度，以便在充放電過程中保持良好的電極表面浸潤性；（6）寬的電壓范圍；（7）熱穩(wěn)定性好，在較寬的溫度范圍內(nèi)不發(fā)生熱分解；（8）化學(xué)穩(wěn)定性好。在電池長期循環(huán)和儲備過程中，自身不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，也不與正極、負(fù)極、集流體、粘結(jié)劑、導(dǎo)電劑、隔膜、包裝材料、密封劑等材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；（9）無毒、無污染，使用安全，最好能生物降解；（10）制備容易，成本低。目前電解液添加劑主要有SO2/CO2/VC(亞乙烯碳酸酯)[改善SEI膜性能]、磷酸三甲酯（TMP）[改善電解液安全]、冠醚[提高電解液導(dǎo)電率]、Al2O2, MgO，鋰或鈣的碳酸鹽[控制水和酸的含量]。
因此，需要根據(jù)電芯所能達(dá)到的性能選擇合適的電解液。
集流體的選擇：集流體是鋰離子電池中不可或缺的組成部件之一，它不僅能承載活性物質(zhì)，而且還可以將電極活性物質(zhì)產(chǎn)生的電流匯集并輸出，有利于降低鋰離子電池的內(nèi)阻，提高電池的庫倫效率、循環(huán)穩(wěn)定性和倍率性能。鋰離子電池集流體原則上，理想的鋰離子電池集流體應(yīng)滿足以下幾個條件: (1) 電導(dǎo)率高; (2) 化學(xué)與電化學(xué)穩(wěn)定性好; (3)機(jī)械強(qiáng)度高; (4) 與電極活性物質(zhì)的兼容性和結(jié)合力好; (5) 廉價(jià)易得; (6) 質(zhì)量輕。但在實(shí)際應(yīng)用過程中，不同的集流體材料仍存在這樣那樣的問題，因而不能完全滿足上述多尺度需求。如銅在較高電位時易被氧化，適合用作負(fù)極集流體; 而鋁作為負(fù)極集流體時腐蝕問題則較為嚴(yán)重，適合用作正極的集流體。目前可用作鋰離子電池集流體的材料有銅、鋁、鎳和不銹鋼等金屬導(dǎo)體材料、碳等半導(dǎo)體材料以及復(fù)合材料。
1、銅集流體
銅是電導(dǎo)率僅次于銀的優(yōu)良金屬導(dǎo)體，具有資源豐富、廉價(jià)易得、延展性好等諸多優(yōu)點(diǎn)。但考慮到銅在較高電位下易被氧化，因此常被用作石墨、硅、錫以及鈷錫合金等負(fù)極活性物質(zhì)的集流體。常見的銅質(zhì)集流體有銅箔、泡沫銅和銅網(wǎng)以及三維納米銅陣列集流體。
（1）銅箔集流體。根據(jù)銅箔的生產(chǎn)工藝，可進(jìn)一步將銅箔分為壓延銅箔和電解銅箔。與電解銅箔相比，壓延銅箔的電導(dǎo)率更高，延伸效果更好，對彎曲度要求不高的鋰離子電池可以選擇電解銅箔作為負(fù)極集流體。研究表明，增加銅箔表面的粗糙程度有利于提高集流體與活性物質(zhì)之間的結(jié)合強(qiáng)度，降低活性物質(zhì)與集流體之間的接觸電阻，相應(yīng)地，電池的倍率放電性能及循環(huán)穩(wěn)定性也更好。
（2）泡沫銅集流體，泡沫銅是一種類似于海綿的三維網(wǎng)狀材料，具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度韌性高以及比表面積大等諸多優(yōu)點(diǎn)。雖然硅、錫負(fù)極活性材料具有很高的理論比容量，并被認(rèn)為是頗有發(fā)展前景的鋰離子電池負(fù)極活性材料之一，但在循環(huán)充/放電過程中也存在體積變化較大、粉化等缺點(diǎn)，嚴(yán)重影響電池性能。研究表明，泡沫銅集流體可以抑制硅、錫負(fù)極活性物質(zhì)在充放電過程中的體積變化，減緩其粉化現(xiàn)象，從而提高電池性能。
2、鋁集流體
雖然金屬鋁的導(dǎo)電性低于銅，但在輸送相同電量時，鋁線的質(zhì)量只需要銅線的一半，無疑，使用鋁集流體有助于提高鋰離子電池的能量密度。此外，與銅相比，鋁的價(jià)格更為低廉。在鋰離子電池充/放電過程中，鋁箔集流體表面會形成一層致密的氧化物薄膜，提高了鋁箔的抗腐蝕能力，常被用作鋰離子電池中正極的集流體。與銅箔集流體一樣，表面處理也能提高鋁箔的表面特性。經(jīng)直流刻蝕后，鋁箔表面會形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，與正極活性物質(zhì)的結(jié)合更加緊密，并改善鋰離子電池的電化學(xué)性能。然而，事實(shí)上，鋁集流體也常常因表面鈍化膜的破壞而腐蝕嚴(yán)重，鋰離子電池性能也隨之降低。因此，為了提高刻蝕后鋁箔的耐蝕性能，需要對其表面進(jìn)行優(yōu)化處理，形成更加穩(wěn)定的鈍化膜。
3、鎳集流體
相對而言，鎳屬于賤金屬，價(jià)格較為低廉，具有良好的導(dǎo)電性，且在酸、堿性溶液中較穩(wěn)定，因此，鎳既可以作為正極集流體，也可以作為負(fù)極集流體。與其匹配的既有正極活性物質(zhì)磷酸鐵鋰，也有氧化鎳、硫及碳硅復(fù)合材料等負(fù)極活性物質(zhì)。鎳集流體的形狀通常有泡沫鎳和鎳箔兩種類型。由于泡沫鎳的孔道發(fā)達(dá)，與活性物質(zhì)之間的接觸面積大，從而減小了活性物質(zhì)與集流體間的接觸電阻。而采用鎳箔作為電極集流體時，隨著充/放電次數(shù)增加，活性物質(zhì)易脫落，影響電池性能。同樣，表面預(yù)處理工藝也適用于鎳箔集流體。如對鎳箔集流體表面進(jìn)行刻蝕后，活性物質(zhì)與集流體的結(jié)合強(qiáng)度明顯增強(qiáng)。氧化鎳具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，且具有較高的理論比容量，是一種應(yīng)用廣泛的鋰離子電池負(fù)極活性物質(zhì)?；诖?，通過固相氧化法在泡沫鎳表面原位生長一層氧化鎳，制備以泡沫鎳為集流體的氧化鎳負(fù)極。與鎳箔/氧化鎳負(fù)極相比，泡沫鎳/氧化鎳負(fù)極的首次放電比容量大幅度增加。原因在于，與二維集流體相比，三維結(jié)構(gòu)的集流體減少了界面極化現(xiàn)象，提高了電池的充/放電循環(huán)穩(wěn)定性。磷酸鐵鋰因具有安全性好、原料來源廣泛等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是動力鋰離子電池理想的正極活性材料，將其涂覆在泡沫鎳集流體表面可以增加LiFePO4 與泡沫鎳的接觸面積，降低界面反應(yīng)的電流密度，進(jìn)而提高LiFePO4 的倍率放電性能。
4、不銹鋼集流體
不銹鋼是指含有鎳、鉬、鈦、鈮、銅、鐵等元素的合金鋼，具有良好的導(dǎo)電性和穩(wěn)定性，可以耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕介質(zhì)和酸、堿、鹽等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的化學(xué)侵蝕。不銹鋼表面也容易形成鈍化膜，可以保護(hù)其表面不被腐蝕，同時不銹鋼可以比銅加工得更薄，具有成本低、工藝簡單及大規(guī)模生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。不銹鋼可以作為正極或負(fù)極的集流體，常見的不銹鋼集流體有不銹鋼網(wǎng)和多孔不銹鋼兩種類型。
（1）不銹鋼網(wǎng)集流體，不銹鋼網(wǎng)的質(zhì)地致密，作為集流體時，其表面被電極活性物質(zhì)包裹，基本不與電解液直接接觸，不易發(fā)生副反應(yīng)，有利于提高電池的循環(huán)性能。
（2）多孔不銹鋼集流體，為了充分利用活性物質(zhì)、提高電極的放電比容量，一個簡單有效的方法便是采用多孔集流體。
5、碳集流體
以碳材料作為正極或負(fù)極集流體時，可以避免電解液對金屬集流體的腐蝕，且其具有資源豐富、易加工、低電阻率、對環(huán)境無危害、價(jià)格低廉等優(yōu)勢。碳纖維布以其自身良好的柔軟性、導(dǎo)電性以及電化學(xué)穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，可用作柔性鋰離子電池的集流體。碳納米管是另一種形貌的碳集流體，相對于金屬集流體而言，其明顯的優(yōu)勢在于質(zhì)量輕巧，且可以大幅度提高電池的能量密度。
6、復(fù)合集流體
除了單一集流體如銅集流體、鋁集流體、鎳集流體、不銹鋼集流及碳集流體等受到廣泛關(guān)注外，近年來，復(fù)合集流體也引起了學(xué)者們的研究興趣，如導(dǎo)電樹脂、覆碳鋁箔及鈦鎳形狀記憶合金等。
7、導(dǎo)電樹脂集流體
聚乙烯(PE) 和酚醛樹脂(PF) 集流體是將導(dǎo)電填料與高分子樹脂基體復(fù)合而成。以PE 和PF作為基體材料，與導(dǎo)電填料( 石墨、碳黑) 均勻混合，制備了復(fù)合集流體，并研究它們的物理化學(xué)性能。石墨烯是一種由碳原子經(jīng)sp2雜化而形成的獨(dú)特的新型二維碳功能材料，具有超高的電導(dǎo)率、比表面積及機(jī)械強(qiáng)度等諸多優(yōu)點(diǎn)，既可以替代石墨作為鋰離子電池的負(fù)極活性物質(zhì)，也可以作為集流體材料。
8、鈦鎳形狀記憶合金集流體
鈦鎳形狀記憶合金是由鎳和鈦組成的二元合金，隨著外界溫度或所受壓力的改變可以在兩種不同的晶相之間相互轉(zhuǎn)化。鈦鎳形狀記憶合金能通過改變自身相態(tài)來抑制活性物質(zhì)在充放電過程中的體積變化，提高電池的循環(huán)壽命。
9、覆碳鋁箔集流體
覆碳/鋁箔集流體即是將含碳復(fù)合層涂覆在鋁箔表面的復(fù)合集流體。其中，含碳層是由碳纖維與經(jīng)過分散劑處理后的導(dǎo)電碳黑顆粒而構(gòu)成，能夠與鋁箔緊密結(jié)合，提高電極的導(dǎo)電性和耐蝕性。
集流體是鋰離子電池中不可或缺的重要部件之一，具有承載電極活性物質(zhì)與匯集輸出電流的多重功能。由不同材料、不同生產(chǎn)工藝所制備的集流體的性能各有千秋，對鋰離子電池的影響也各不相同。
容量設(shè)計(jì)
電芯容量的簡單的計(jì)算公式如下：
設(shè)計(jì)容量=正極材料克容量發(fā)揮*涂布重量*Loading*極片長度*極片寬度*2*卷心數(shù)量
正極材料克容量發(fā)揮材料廠家出廠時候會給出，當(dāng)然電芯廠商自己也會檢驗(yàn)，保證批次的穩(wěn)定性，這樣也可以提升后續(xù)配組的一致性，其測試方法一般是采用紐扣電池，對電極是鋰。涂布重量單位為g/m2，涂布方式為轉(zhuǎn)移和擠壓涂布，由于擠壓涂布在公差和精度上更有優(yōu)勢，故目前量產(chǎn)產(chǎn)線多為擠壓涂布。Loading是指正極配方中，正極活性材料質(zhì)量占比。目前量產(chǎn)方形電芯卷心數(shù)量多為2個或4個，為什么較少廠家做到1個，工藝角度考慮可能原因有極片太長，模切容易斷帶，影響優(yōu)率；層數(shù)過多，卷繞的錯位也難以控制。
N/P設(shè)計(jì)
N/P= 負(fù)極克容量*負(fù)極活性物質(zhì)質(zhì)量/正極克容量*正極活性物質(zhì)質(zhì)量，主要目的是保證同一時刻，同一位置的負(fù)極的嵌鋰能力大于正極的脫鋰能力，克容量的一般是扣電測試得到，故N/P一般有兩個，首次充電和二次放電，首次充電N/P的設(shè)計(jì)主要是為了保證化成階段電芯不析鋰，二次放電階段的N/P設(shè)計(jì)主要是為了保證后續(xù)的長循環(huán)壽命，故實(shí)際的N/P值的選取要綜合考慮充電和放電，作出最優(yōu)選擇。
安全設(shè)計(jì)
在電芯內(nèi)部設(shè)計(jì)時候，安全是我們需要重點(diǎn)考慮的，一般的策略如下：
Overhang設(shè)計(jì)：就是隔膜的長度和寬度要能包住負(fù)極，負(fù)極的長度和寬度要能包住正極，這樣做有以下幾個好處,一是能夠防止充放電過程中極片膨脹導(dǎo)致內(nèi)短路；二是防止隔膜下壓，引發(fā)內(nèi)短路。
正極邊緣涂陶瓷：指的是在正極的邊緣涂覆一層絕緣陶瓷，防止正負(fù)極搭接出現(xiàn)短路。
頂蓋安全設(shè)計(jì)：主要是Fuse熔斷設(shè)計(jì)，過充OSD翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)需要考慮Fuse的過流能力，針對其持續(xù)過流和峰值過流，需要提前收集和測試相關(guān)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。OSD主要是為了防止過充，前面的一篇文章已經(jīng)介紹了其機(jī)理，隨著后續(xù)新國標(biāo)的發(fā)布，三元體系不用OSD也能通過過充測試，故后續(xù)為了提升頂蓋的可靠性和降低成本，OSD可能會逐步的取消。
正負(fù)極配方設(shè)計(jì)
正極的配方一般都由三元材料，導(dǎo)電劑，粘結(jié)劑等組成，溶劑為NMP，導(dǎo)電劑常見有SP，KS-6和CNT等，粘結(jié)劑常見多為PVDF。為了盡可能的提升電芯的能量密度，NCM的Loading最少也要做到95%以上，之所以Loading不能做到100%，是因?yàn)檩o材的作用也是非常重要的。導(dǎo)電劑和粘結(jié)劑的作用從字面上就可以明白，這里不過多解釋。主要說一下SP是一種鏈狀導(dǎo)電劑，起的是長程導(dǎo)電的作用，KS-6是一種片狀片狀，起的是短程導(dǎo)電的作用。實(shí)際的應(yīng)用中，二者要搭配使用才能更好的提升導(dǎo)電能力。
負(fù)極的配方也是類似，主要為石墨/硅，導(dǎo)電劑，粘結(jié)劑，乳化劑等組成，主材的含量也是要盡可能的提升，一般也要在96%以上。導(dǎo)電劑類型同正極相同，不同是粘結(jié)劑和乳化劑，粘結(jié)劑常見為SBR（丁苯橡膠），聚丙烯酸酯類材料，其作用不僅有提升粘接的能力，同時也有加速鋰離子傳輸?shù)牡淖饔茫荒壳暗氖?fù)極漿料溶劑多為去離子水，由于石墨為非極性物質(zhì)，表面能低，但溶劑水是極性物質(zhì)，乳化劑CMC-Na（羧甲基纖維素鈉）的疏水鍵通過范德華力吸附在石墨表面，親水基則同水結(jié)合提升石墨的親水性能；同時包裹了CMC-Na后，石墨表面負(fù)電荷增加，顆粒之間排斥作用更大，漿料更加不容易發(fā)生沉降。所以CMC-Na起到了石墨親水和提供空間位阻的作用。
