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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(duì)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(shí)具有豐富的電化學(xué)的知識(shí)，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(duì)電芯的需求主要來(lái)源于兩個(gè)方面，一種是電池企業(yè)內(nèi)部自我技術(shù)的儲(chǔ)存，提前對(duì)市場(chǎng)需求的預(yù)判；另外一種就是來(lái)源于需求電芯的企8業(yè)，無(wú)論是消費(fèi)類電池還是動(dòng)力電池，需要把企業(yè)需求語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為電芯的語(yǔ)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(gè)相對(duì)平衡點(diǎn)，這是因?yàn)椴煌笜?biāo)難以同時(shí)滿足。因此，針對(duì)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(shí)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(dòng)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(wú)論是消費(fèi)類還是動(dòng)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(dòng)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(duì)于是否使用8系材料存在分歧。因此，在選擇正極材料時(shí)需要換個(gè)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(wú)法選擇高容量材料時(shí)，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(duì)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(duì)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(duì)于已經(jīng)確定的殼子來(lái)說(shuō)，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(huì)導(dǎo)致負(fù)極膨脹增大大，首效也會(huì)降低，對(duì)快充能力和循環(huán)壽命都有一定的挑戰(zhàn)，這個(gè)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(lái)帶來(lái)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(duì)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(duì)于液體電解質(zhì)而言，能充分浸潤(rùn)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(guò)程中保持良好的電極表面浸潤(rùn)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(zhǎng)期循環(huán)和儲(chǔ)備過(guò)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(wú)毒、無(wú)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(kù)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(gè)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(guò)程中，不同的集流體材料仍存在這樣那樣的問(wèn)題，因而不能完全滿足上述多尺度需求。如銅在較高電位時(shí)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(shí)腐蝕問(wèn)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(jiàn)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(duì)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(guò)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(guò)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(shí)，鋁線的質(zhì)量只需要銅線的一半，無(wú)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(guò)程中，鋁箔集流體表面會(huì)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(huì)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(duì)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(duì)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(shí)，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(duì)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)。基于此，通過(guò)固相氧化法在泡沫鎳表面原位生長(zhǎng)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(lái)源廣泛等優(yōu)點(diǎn)而被認(rèn)為是動(dòng)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(shí)不銹鋼可以比銅加工得更薄，具有成本低、工藝簡(jiǎn)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(jiàn)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(shí)，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(gè)簡(jiǎn)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(shí)，可以避免電解液對(duì)金屬集流體的腐蝕，且其具有資源豐富、易加工、低電阻率、對(duì)環(huán)境無(wú)危害、價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)。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(duì)于金屬集流體而言，其明顯的優(yōu)勢(shì)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(lái)，復(fù)合集流體也引起了學(xué)者們的研究興趣，如導(dǎo)電樹(shù)脂、覆碳鋁箔及鈦鎳形狀記憶合金等。
7、導(dǎo)電樹(shù)脂集流體
聚乙烯(PE) 和酚醛樹(shù)脂(PF) 集流體是將導(dǎo)電填料與高分子樹(shù)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(guò)改變自身相態(tài)來(lái)抑制活性物質(zhì)在充放電過(guò)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(guò)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(duì)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(jiǎn)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(zhǎng)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(shí)候會(huì)給出，當(dāng)然電芯廠商自己也會(huì)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(cè)試方法一般是采用紐扣電池，對(duì)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(shì)，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(gè)或4個(gè)，為什么較少?gòu)S家做到1個(gè)，工藝角度考慮可能原因有極片太長(zhǎng)，模切容易斷帶，影響優(yōu)率；層數(shù)過(guò)多，卷繞的錯(cuò)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(shí)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(cè)試得到，故N/P一般有兩個(gè)，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(zhǎng)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(shí)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(zhǎng)度和寬度要能包住負(fù)極，負(fù)極的長(zhǎng)度和寬度要能包住正極，這樣做有以下幾個(gè)好處,一是能夠防止充放電過(guò)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(guò)充OSD翻轉(zhuǎn)設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)需要考慮Fuse的過(guò)流能力，針對(duì)其持續(xù)過(guò)流和峰值過(guò)流，需要提前收集和測(cè)試相關(guān)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。OSD主要是為了防止過(guò)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(guó)標(biāo)的發(fā)布，三元體系不用OSD也能通過(guò)過(guò)充測(cè)試，故后續(xù)為了提升頂蓋的可靠性和降低成本，OSD可能會(huì)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(jiàn)有SP，KS-6和CNT等，粘結(jié)劑常見(jiàn)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(guò)多解釋。主要說(shuō)一下SP是一種鏈狀導(dǎo)電劑，起的是長(zhǎng)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(jiàn)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(shí)也有加速鋰離子傳輸?shù)牡淖饔?；目前的石墨?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(guò)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(shí)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。
