卷绕式单体锂离子电池设计

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时间:2018-07-16

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1、卷绕式单体锂离子电池设计前言:目前,电动车包括电动汽车(EV)、电动摩托和电动自行车三大类。在当前环保的倡导下,电动自行车无疑是社会的最佳选择。电动自行车以车载电池为动力源,可实现零排放,彻底解决尾气污染,而且动力要求也不错。铅酸电池技术成熟,成本低,性能稳定,原材料丰富,是目前电动车的的常用电池,但由于铅酸电池比容量不够大,体积较大,铅是污染性金属,较之锂离子电池,锂离子电池比容量高,是铅酸电池的三倍以上,自放电小,循环寿命长,一般在500-1000次,无记忆效应和污染较小等优点,所以锂离子电池在不久的将来必然会成为电动车的理想能

2、源。1.0设计任务1.设计一种电动自行车用卷绕式单体锂离子电池,额定容量10Ah;2.给出所设计的电池制造的工艺流程。本设计的锂离子电池的电化学表达式为:锂离子电池的成流反应正极反应:LiCoO2←→Li1-xCoO2+xLi++xe负极反应:6C+xLi++xe←→LixC6电池反应:LiCoO2+6C←→Li1-xCoO2+LixC61.1正极材料正极活性物质选择LiCoO2,因为它制备工艺简单,开路电压高,比能量大,循环寿命长,能快速充放电,电化学性能稳定,现已商品化。LiCoO2合成方法(溶胶-凝胶法)将Li(Ac)2按一定

3、配比加入溶有PAA(聚丙烯酸)的去离子水中,加热至95℃形成凝胶体,将凝胶在空气气氛下加热至500℃分解,研磨,再将分解产物于700℃左右煅烧3h得到LiCoO2。正极片压实密度(g/cm3)材料实际比容量(mAh/g)材料理论比容量(mAh/g)活性物质利用率η(%)LiCoO23.913827350.6正极集流体:铝箔厚度18微米正极配方活性物质(LiCoO2)导电剂(石墨)粘结剂偏氟乙烯(PVDF)含量(%)90461.2负极材料负极活性物质选择中间相碳微球(MCMB),颗粒直径大小在10微米左右,这种颗粒放射状结构,从

4、轴心向外的石墨晶面以之字形取向排列,外侧被一薄覆盖,该薄层的底晶面几乎覆盖了纤维柱的全部表面,纤维的机械结构坚固,即使经过1000次循环,结构也不会破坏。MCMB制备方法焦油沥青在400~500℃加热成熔融状态时沉淀出来的微球,再在700~1000℃热处理后可用作电池的负极材料。若进一步提高热处理温度,可制备石墨化的MCMB,实际比容量为305mAh/g。负极片压实密度(g/cm3)实际比容量为(mAh/g)理论比容量为(mAh/g)活性物质利用率η(%)MCMB1.7530532095.3负极集流体:铜箔厚度9微米负极配方中间相碳

5、微球石墨偏氟乙烯(PVDF)含量(%)89471.3隔膜PE隔膜厚度取20微米1.4电解液1mol/LLiPF6-EC-DEC-DMC(1:1:1)1.5电池活性物质用量①额定容量10Ah②设计容量为保证电池的可靠性和寿命,一般设计容量应大于额定容量的10%~20%。设计容量(Ah)=1.1×额定容量=11Ah=11000mAh电化学当量q=M/26.8n选正极为控制电极,负极为非控制电极。正极活性物质用量m1(g):m1=(设计容量×电化当量)/活性物质利用率=11000/138=79.71(g)负极活性物质用量m2(g):负极过

6、剩,本设计中负极比正极过量10%,因此m2=11000×(1+10%)/305=39.67(g)1.6极片总面积(S总)计算对于圆柱形锂离子电池来说,工作电流为10000mA,工作电流密度为i=1~10mA·cm-2,在此取i=5mA·cm-2,则正极片S总=10000/5=2000cm-2负极片S总=K﹐S总=1.1×2000=2200cm-2K为设计系数,这里取1.1。1.7极片几何尺寸和极片数量的确定电池高度设为100mm,极片高度H取90mm正负极片均为短形片,因为是双面涂覆,所以极片面积=长*高*2,因此,极片的长度为L+

7、=S+/2H=2000/(2×9)=111.11cmL-=S-/2H=2200/(2×9)=122.22cm1.8电池正负极板平均厚度(D)MCMB/LiCoO2圆柱形锂离子电池制造工艺的有关参数电池组分材料厚度/微米负极活性物质MCMB单面90负极集流体Cu9正极活性物质LiCoO2单面80正极集流体Al18电解液/隔膜LiPF6-EC-DEC-DMC/PE20锂离子电池的极片制作是在集流体的双层涂覆活性物质,其中正极活性物质涂覆在Al箔的两面,干燥、辊压定型后每片活性物质的厚度是80μm;负极活性物质涂覆在Cu箔的两面,干燥、辊

8、压定型后每片活性物质的厚度是90μm。1.9电池隔膜(隔板)材料的选择及密度、层数的确定隔膜选择聚乙烯微孔膜(PE),厚度为20微米。隔膜长度为负极片长度的2倍,即122.22×2=244.44cm隔膜宽度比负极片高度长2~4mm,即

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