[道贏·深度] | Q=I^2Rt => 鋰電池極耳設(shè)計

笑看春月秋風 2018-08-12

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當前鋰離子電池體系的發(fā)展主要分為兩種方向，一是以高鎳三元配硅碳為代表的高比能方向；另一種則是以快充為代表的高倍率方向。

為了實現(xiàn)高的質(zhì)量比能量目標，主要的方法包括：

（1）選擇高容量材料體系，正極采用高鎳三元，負極采用硅碳；

（2）設(shè)計高壓電解液，提高充電截止電壓；

（3）優(yōu)化正負極漿料的配方，增加活性物質(zhì)在電極中占比；

（4）采用更薄的銅箔、鋁箔，減少集流體的所占的比例；

（4）提高正負極的涂布量，增加活性物質(zhì)在電極中占比；

（5）控制電解液的數(shù)量，減少電解液的數(shù)量提高鋰離子電池比能量；

（6）優(yōu)化電池的結(jié)構(gòu)，降低極耳、封裝材料等在電池中所占的比例。

而高功率方面，根據(jù)多孔電極的電化學理論模型，為了減輕鋰離子電池在高倍率放電下的極化，可采取以下幾種措施:

（1）降低極片厚度，以改善液相的Li +濃度分布；

（2）增大電解液的電導率，以提高Li + 在液相的擴散速率；

（3）增大正極、負極、隔膜的孔隙率，以提高固相、液相的電導率；

（4）提高正極、負極材料的電導率或增加導電劑，以降低電荷在顆粒間的傳導電阻；

（5）提高正極、負極材料的固相擴散系數(shù)，以提高固相的Li + 擴散速率；

（6）選擇合適的電解液添加劑，避免過高的固體電解質(zhì)相界面( SEI) 膜阻抗。

（7）極耳位置的設(shè)計優(yōu)化，合適的極耳位置能降低電池的歐姆內(nèi)阻，并降低電池大倍率放電時的溫升。

因此，極耳的設(shè)計也是很關(guān)鍵的一個方面。鋰離子電池電芯結(jié)構(gòu)中，極耳就是從電芯中將正負極引出來的金屬導電體，完整的極耳主要由絕緣密封膠與金屬導電基體組成。膠片是極耳上絕緣的部分，它的作用是電池封裝時防止金屬帶與鋁塑膜之間發(fā)生短路，并且封裝時通過加熱與鋁塑膜熱熔密封粘合在一起防止漏液，極耳導體分為三種材料，電池的正極使用鋁（Al）材料，負極使用鎳（Ni）材料，負極也有銅鍍鎳（Ni—Cu）材料。常規(guī)的鋰離子電池負極耳采用鎳極耳，其電導率較差，正極耳采用鋁極耳。在高倍率放電時，由于負極耳的電導率較低，導致電池表面溫度過高，從而影響電池的高倍率放電性能。而鍍鎳銅負極耳具有優(yōu)良的導電性能，其電導率接近純銅的電導率。極耳是電池與外界能量傳遞的載體，所以電池大倍率放電時，提高極耳的電導率能夠在放電初期有效改善電池的倍率放電性能。另外，極耳材質(zhì)、尺寸大小及極耳引出方式對鋰離子電池的倍率放電性能和倍率循環(huán)性能的影響。一般而言，通電電流大小與導線的截面成正比關(guān)系，即導線截面積越大允許通過的電流也就越大。極耳尺寸的選擇不僅由電池的型號決定，而且也取決于電池的最大放電電流。

1、極耳尺寸規(guī)格選擇原則

（1）將極耳視作輸出導線，依據(jù)電力工程上導線載流量計算。

根據(jù)電力工程手冊資料中電線電纜的橫截面積與載流量的關(guān)系，得到銅和鋁導體截面與載流量關(guān)系見表1。

表1 銅和鋁金屬導體截面與載流量關(guān)系

根據(jù)表1所示，假定用于EV 汽車的10Ah電池需要滿足3C（30A）放電條件，需要使用橫截面積4mm2的鋁極耳和2.5mm2的鍍鎳銅極耳。

假定用于HEV的5Ah電池需要滿足30C（150A）放電條件，需要使用橫截面積34mm2的鋁極耳和25mm2的銅極耳。

（2）根據(jù)焦耳定律產(chǎn)生的熱量計算極耳尺寸規(guī)格。

電池在大倍率放電時，極耳發(fā)熱嚴重。當極耳溫度上升到60℃時，對于鋁塑膜封裝的軟包裝電池，可能造成密封不良。鋁的電阻率為2.65×10^－8 Ω·m，鎳的電阻率為6.99×10^－8 Ω·m。電池在20 ℃環(huán)境中正常放電時，電流通過正、負極極耳產(chǎn)生熱量，隨著熱量的累積，極耳溫度逐漸上升。

根據(jù)焦耳定律，公示（1）：

Q=I²Rt=mCΔT, R=ρL/S，m=ω*LS（1）

計算極耳橫截面積S為公式（2）：

S²=I²ρt/(C*ω*ΔT) （2）

Q為時間t 內(nèi)極耳產(chǎn)生的熱量；R為極耳電阻；ΔT為極耳溫度；I為通過極耳的電流；ρ 為極耳電阻率；L 為極耳的長度；S 為極耳的橫截面積；ω為極耳密度。

極耳的尺寸是影響產(chǎn)生熱量的主要因素，通過計算可以得到了極耳溫度從20℃上升到60 ℃時，負極極耳允許通過的電流（一定的時間內(nèi)，比如1200s，或120s）。一般受到鋁塑膜封裝密封性要求，極耳厚度不能太厚，一般為0.1-0.2mm，為了滿足電流要求，不同規(guī)格的鍍鎳銅負極極耳允許通過的電流見表2。

表2 不同規(guī)格的極耳允許通過的電流

依據(jù)電池使用要求，根據(jù)需求的電流大小，選擇合適的極耳。

2、卷繞式電池極耳數(shù)量和引出位置設(shè)計

在高倍率放電條件下，不同的電池結(jié)構(gòu)，極耳的設(shè)計方法也不同。卷繞結(jié)構(gòu)的鋰離子電池可在電極極片上多焊接幾個極耳，這樣在高倍率放電初期，電池內(nèi)部就會有多個區(qū)域內(nèi)阻較小，電流密度較大，反應速度較快，從而緩解單極耳情況下的劇烈反應。但是，采用多極耳會降低電池的額定容量，而且極耳數(shù)量增加的話，會增加鋁塑膜的熱封難度，鋁塑膜與極耳之間容易出現(xiàn)預封不良現(xiàn)象，從而導致電池產(chǎn)生短路、脹氣和漏液的隱患。

圖1 極耳位置對電流分布的影響

極耳在一側(cè)時，電流在集流體上的分布見圖1a。離極耳最遠端的xn處流出的電流，需要經(jīng)過前面的x1 - xn段，x3段流出的電量需要經(jīng)過x1 - x2 - x3段……，外部放電電流為I，每一段的反應電流為Ia，則流經(jīng)x1段集流體的電流為n·Ia，流經(jīng)x2段集流體的電流為( n - 1)·Ia，流經(jīng)x3段集流體的電流為( n - 2)·Ia，流經(jīng)xn段的集流體的電流為Ia。

對集流體的每一段，計算電流經(jīng)過集流體的歐姆熱量

式中：ρ 為集流體的電阻率，dx 為每一段的長度，A 為集流體的橫截面積?？捎上率接嬎阍诩黧w上的總熱量Q，計算在集流體上的熱等效內(nèi)阻Ｒ

極耳在極片中間時，電流在集流體上的分布見圖1b。同樣，利用熱量積分計算集流體等效熱內(nèi)阻。

對比極耳兩種位置可知，極耳位于中間時，集流體的內(nèi)阻僅為在一側(cè)時的1 /4，在電極寬度一定時，集流體內(nèi)阻與長度成正比。

傳統(tǒng)的極耳結(jié)構(gòu)多采用等間距間隙涂布極片，即極耳等間距分布在極片(集流體)一側(cè)，采用間歇涂布機留出等間距的極耳位，這種設(shè)計簡單、易操作，但在后續(xù)卷繞制作工序，隨著卷芯直徑的增大，極耳在卷芯端部呈現(xiàn)越來越密集的分布度。對于卷繞電池，有一種全極耳極片設(shè)計，從極耳角度提高了電池功率特性，在大倍率下電流密度分布均勻，具體的極片設(shè)計如圖2所示。正極極片在涂敷正極材料(30)時一側(cè)邊緣不涂布的側(cè)面(15)和負極極片涂覆負極材料(40)時留白的一側(cè)面(14)都作為極耳分別焊接在正負極導流體上，正負極極片之間通過隔膜（170）隔離開，這樣電流流經(jīng)的距離短，可以實現(xiàn)高功率密度，極片發(fā)熱量也小。

圖2 全極耳卷繞方形電池

3、疊片式電池極耳數(shù)量和引出位置設(shè)計

疊片方式相當于幾十片小電池并聯(lián)，極大地降低了電池的歐姆內(nèi)阻，其倍率性能遠遠好于卷繞方式。對于疊片結(jié)構(gòu)鋰離子電池，在電池極耳設(shè)計時，一般采用正負極耳同側(cè)的設(shè)計方法，然而對于長寬比例大的電池型號，如果采用同側(cè)出極耳的方式，極耳的寬度尺寸將會受到很大的限制，從而不能滿足電池最大放電電流的要求，此時極耳的引出方式，可采用正、負極耳反向引出，達到大電流放電時，電流分布均勻的目的，如圖3所示6種極耳引出方式的鋰離子電池在2C倍率下放電時20s和1140 s對應的溫度分布情況如圖4所示，兩側(cè)出極耳，溫度分布更加均勻，兩側(cè)斜對角引出極耳，最高溫度也更低。

圖3 疊片電池不同極耳引出方式的電流方向示意圖

圖4 6種極耳引出方式電池在2C放電時20s和1140s的溫度分布

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