电芯设计过程复杂？一文解析常见设计要素及尺寸设计要点

电芯的设计是一个系统性很强的过程，设计人员常常运用逆向思维方法，从外部条件开始向内部结构推进，具体来说，他们以客户提出的尺寸和性能要求为出发点，同时参考电化学体系的工艺范围，并将成本控制作为关键指标，从而完成开发工作。

要透彻探究电芯构造的深层意义，务必透彻掌握其构造原理。因此，本人归纳了常见的电芯构造要素，并对其进行分析，旨在提升对电芯构造流程的认识。

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Ǿ1：尺寸设计-厚度 Thickness

电芯厚度确定与客户指定的电芯交付时SOC紧密关联，就是说，在不一样SOC状况下，正极片和负极片的回弹现象有不同，正极片和负极片的回弹细节请参阅回弹设计那部分内容。

所以，制定厚度方案时，必须先清楚电池单元的初始荷电状态，这个状态一般设定为百分之六十或百分之三十，这是航空行业的规范，确定好荷电状态之后，才能进一步把电池单元的厚度进行详细规划。

以图示那种双重错落缠绕构造（层叠构造类似）为参照，依照设计图纸可知以下内容：

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）

厚度等于六十六加三乘以零点零三六再乘以一点零三，结果是二点五五九毫米；

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）

厚度等于七十七乘以零点零三九乘以一点一八，结果是三点一七五毫米；

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；

胶纸的层数总共是五层,其中包括两层用于极耳的部分,另外两层是用于极片的部分,最后还加了一层作为收尾的胶。

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=

两数相加为2.559，再添上0.432，合计为2.991，接着加上3.175，总和变为6.166，然后加入0.28，结果变成6.446，随后加上0.888，总和达到7.334，再添上0.1，合计为7.434，然后加上0.08，结果变为7.514，最后加上0.222，最终总和为7.736毫米。

如果电芯厚度历史变异系数水平能够达到1%的标准，那么电芯3σ性能（3σ被视为符合质量要求水平）

3σ=3*7.736*1%=0.232mm

电芯的最终厚度介于7.504毫米与7.969毫米之间，客户提出上限为8.0毫米，该规格符合规定。

Ǿ2：尺寸设计-宽度 Width

卷绕式电芯的宽度规划，跟它出厂时的电量状态关联紧密，而叠片式电芯的宽度规划，跟它出厂时的电量状态关联性不强。

确定电芯的折叠方法，需要先完成宽度设计，因为双折边和单折边对电芯的宽度造成的效果或许不一样。

另外，要明白铝塑包装壳的制造流程：明显地，电池宽度方向上设有凸模圆角和凹模圆角，这些圆角是为了防止应力过分集中，避免铝塑膜出现破裂。

防止电芯在弯曲时铝箔损坏，需要在宽度上留出未封区域，这个区域就是封边与电芯本体的距离，一般设定在1.0到1.5毫米之间，具体可以参考下图，倘若没有这个预留部分，PP材料溢出后，在弯曲过程中铝箔很容易被撕裂。

总而言之，电芯宽度设计要综合考量JR（卷芯）本体的尺寸，铝塑膜的厚度，铝塑膜凸模和凹模的R角设计，未封区的宽度，以及折边的方式等要素。

Ǿ3：尺寸设计-长度 Length

电芯的长度和宽度设计在推算方法上基本相同，不过具体实施时存在一些不同之处。

首先看一下电芯长度方向示意图，其组成包括：

狗耳，电芯顶部和侧面封合的接缝处有大量溢出的PP熔胶，露出了铝塑膜的边缘部分，顶部封合的外部未封区域，顶部封合的内部未封部分，铝塑膜本身，铝塑膜凸模和凹模的圆角处，JR（卷芯）本体的长度，狗腿，无底部封合的电芯双凹坑之间发生了过度拉伸，合盖时形成了尖锐的角状凸起。

在设计电池组长度时，需要全面权衡各项要素，这样做能够防止电芯过长造成客户无法安装的问题。

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。

Ǿ4：面密度设计 Coating Weight

减小极片厚度是打造高倍率电池组最便捷高效的途径，加大极片厚度是构筑高能量电池组最便捷高效的途径。

极片面密度降低时，对应的厚度也随之变薄，缩短了Li+的扩散路径，加快了扩散速率，能够有效减少浓差极化现象，并且Li+循环脱嵌对材料结构的损害程度也更轻微。

不同面密度下LCO电池的快充性能

从原则上讲，极片单位面积的质量越低越有助于提升电池的倍率特性，然而在极片的具体制备过程中，其质量存在一个最低限度要求（正极极片的质量至少为每平方厘米八毫克，负极极片的质量至少为每平方厘米四点五毫克），这是因为当单位面积的质量小到某个特定数值时，混合浆料中较大尺寸的颗粒会难以通过涂布设备的狭缝，从而引发诸如颗粒刮擦、极片在辊压时出现局部隆起等不良现象，这些现象会显著降低电芯的整体工作表现。

消费类电池面密度设计参考表——石墨

Ǿ5：压实设计 Press Density

涂覆后的极片要经过辊压加工使其变薄，这样能够显著提高电池的能量密度，而且普遍认为正负极材料都有一个最能发挥性能的压实密度。

不同负极片压实的循环曲线

（黑线1.6，红线1.7，绿线1.8）

颗粒排列过于紧密：材料内部各组成部分的间隙显著缩小，相互之间的接触变得非常紧密，这能够增强电子的传输效率，然而，电池片中的空隙会迅速减少，电解液难以充分浸润，从而阻碍了锂离子的高效脱出与嵌入，容易引发锂枝晶的形成。

颗粒间隙过大：物质构成单元彼此间隔更宽，离子传输路径增多，利于锂离子迅速脱出，然而单元间接触界面变窄，阻碍电子传输，导致极化效应增强。

常用材料体系的压实设计范围

针对储能单元（小于等于3倍倍率放电），多选用颗粒较大的活性物质，其压实参数设置也较为严苛，至于功率型储能单元（大于3倍倍率放电），则倾向于使用颗粒细小的活性物质，并且其压实参数设定也相对宽松。

消费类电池压实密度设计参考表——石墨

Ǿ6：压延设计 Extension

极片在经过辊压加工后，金属集流体部分的铝箔以及铜箔都会出现拉长现象，这就导致极片整体长度有所增加。

一般情况下，极片在MD方向，也就是垂直辊的方向上，会展现出比较明显的拉伸现象，而在TD方向，即平行辊的方向上，则几乎感受不到任何程度的延伸。

正、负极在不同压实下的延伸率

轧制过程造成压延效果，使得辊压完成后的密度同涂布层的面密度之间存在出入，这种出入或许会造成设计参数与产能指标发生调整。

根据容量不变原理：

所以，在开展NP规划跟容量规划这些工作时，必须调整面密度数值，通常借助辊压面密度来得出结果。

Ǿ7：反弹设计 Swelling

回弹参数对电池单体组装环节和最终产品厚度有决定性影响，组装环节回弹参数设置偏差会引发电池单体外观缺陷，造成产品作废，最终产品厚度回弹参数设置偏差，会导致电池单体厚度超出规格范围，无法达到用户标准。

极片的物理反作用力跟材料的属性、压延手法、紧实程度、片材的保存时长——通常在压延完成两天后开始稳固——关联性很强，一般可以参照下表来规划：

不同压实下极片物理反弹

充电时电池片会发生形变，这种形变程度和剩余电量紧密关联，剩余电量越高，碳负极的体积变化越显著，其膨胀幅度从百分之十一到百分之三十一不等，相比之下，正极材料的构造更为稳固，不论剩余电量如何变化，正极片的形变幅度都相对稳定。

不同压实和SOC下充电反弹

Ǿ8：NP比设计 Negative/Positive

NP比率亦称CB值，即细胞平衡值，通俗来讲就是负极材料超出比例，一般标准下NP比率需达到1以上，否则锂离子从正极分离出来后，负极无法完全吸收，过量的锂离子会在低电位时在负极表面结晶，这将显著降低电池性能并危及安全。

其计算公式为：

那个，公式里的克容量具体是指放电时的克容量还是充电时的克容量？现阶段，很多电芯生产商为了便于核算电芯的设计容量，大多依据放电时的克容量来计算NP比，所以产生了LCO、LFP、NCM体系需要依据不同NP比进行设计的说法，详见下表。

常用材料体系的NP比设计

（按首次放电克容量计算）

这种差异的形成源于三种材料的初次性能各异，具体表现为LCO的94%~96%，LFP的95%~97%，以及NCM的85%~88%不等，实际上，若依据初次充电的克容量来规划NP比，则能将NP比标准设定为统一值，即≥1.03，因此，在NP比规划过程中，必须将材料的初次效率纳入考量，以此避免锂析现象的发生

一般情况下，正负极材料的初次性能都不达到满值，这表明在充放电时会有电量损失，正极材料电量减少主要是因为内部构造发生改变，负极材料电量减少主要是因为生成了固体电解质界面膜。

如下图，揭示了正极首效和负极首效的三种相对情况：

正极初始容量小于负极初始容量，负极释放的锂离子不能被正极完全吸收，多余的锂离子留在负极上

正极初始效率等于负极初始效率，锂离子得到充分利用，这属于一种完美状况。

正极初始反应速率高于负极，负极释放的锂离子全部被正极容纳，并且正极尚有剩余的锂离子嵌入容量。

因此可以推导出一个结果：整个电池的初次性能表现，将与正极或负极材料中初次性能表现较差的那一方相同。

明确起始成效之后，我们通过一个案例阐释，即NCM+Gr体系

放电比率等于三百五十乘以九点六乘以九十四点八百分之百，除以一百九十乘以十五点零乘以九十七点八百分之百，计算结果为一点一四

充电比率等于三百五十五乘以九点六乘以九十四点八百分之九十二除以二百零四乘以十五点乘以九十七点八百分之八十九，结果是零点九七，再除以零点九四，最终得出答案为一点零四。

充电内阻比值达到百分之三以上可以视为设计得当，电池初次充电时发生锂析出的可能性较低，相应的放电内阻比值为一点一四。

上述内容指出，充电比率的确定仅考虑了初次锂析出现象，然而在多次充放电过程中，正负极材料的容量损失程度并不相同，因此，最终确定比率时必须兼顾正负极材料的损耗状况，具体表现如图所示

正极材料损耗速度较快时，循环过程中锂析出问题会逐渐减轻，需要相应减小初始的NP参数设定，以便让正极在轻微充电和放电的工况下运行。

负极材料损耗速度较快的情况：在循环过程中，锂析出问题会不断加剧，需要适当增强初始正极材料的配置，使负极维持在轻微充电和放电的阶段。

Ǿ9：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

以1Ah电芯为例，理想状态下，不同倍率下的极耳设计如下表：

值得留意的是，极耳在发热时同时也在散热，而且随着温度的升高，它的电阻率也会变动，因此上表所计算的Al、Ni、Cu极耳的横截面积是一个相对宽裕的参考，电芯在具体设计时，极耳的电流承载能力要远超上表计算出的数值。

通常可以参考如下经验值进行设计：

Ǿ10：熔胶设计 PP Melted

在阐述粘合剂配方细节之前，需先概述软包铝塑膜的两类封装技术：软性封装与刚性封装。

软封和硬封都是依靠熔胶来完成密封任务,熔胶的设计包含两种方案,一种是双层铝塑膜熔胶方案,另一种是针对极耳位置的熔胶方案。

双层铝塑膜熔胶设计涉及的工序包括：

侧面封口，预先抽真空封口，二次排气封口

极耳位置熔胶设计涉及的工序包括：

4、顶封Top sealing

一般情况下，铝塑膜中的PP层与极耳CPP层的熔胶配比在15%到55%之间比较合适，其中30%到40%是更理想的选择，这个熔胶的设计方案能够为封头的尺寸规划提供依据。

双层铝塑膜熔胶示意图

极耳位置熔胶示意图

注液体积与保液体积的规划，E.L. 注入量及留存量设计

电解液的填充量与留存量一般依据电池极片的空隙率来设定，先计算预期的留存量，即空隙率乘以电解液密度，然后依据预期的留存量来决定填充量，主要准则是在确保完全润湿的状况下尽量减少电解液的用量。

1）首先是理论保液量计算

测量电池内部液体容量关键在于确定电芯极组中空隙的大小。这些空隙由正极材料中的空隙、负极材料中的空隙、隔膜结构中的空隙以及边缘覆盖部分形成的空隙共同构成。

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

常规的液体储存容量区间介于1.0至5.0克每安时，这个数值与物质的物理特性以及制作流程的规划关联紧密，即便是相同的物质种类也不能简单类同。

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

初次验证采用经验公式，随后开展注液量逐步测试，用以确认化成后电芯界面状况，检查二封抽气时失液量是否达标，评估电芯循环是否满足标准，持续进行直至寻获最优注液量数值。

Ǿ12：容量设计 Capacity

容量规划工作开始前，必须确定容量检测的规范，电压区间、检测环境温度、放电速率都会改变电芯容量检测的成效，在掌握这些要素的作用之后，依照以下公式进行容量测算。

电池单元的存储能力等于正极材料的重量比能量乘以电极上的活性物质分布率，再乘以正极实际覆盖的区域大小，最后乘以正极材料在电极上的负载比例

电芯容量的大小，可以通过一个公式来确定，这个公式展示了哪些因素会改变电芯容量，对于理解电芯容量表现异常的情况，这个公式提供了重要的参考方向。

假设需要设计一款容量1510mAh电芯，已知如下信息：

第一种方法：按照理想情况计算理论容量

理论容量

等于一百八十二乘以七点三，再乘以五十五乘以二千一百七十八点五，然后乘以九十八百分之百，最后除以十万，结果是十五百六十点一毫安时

依据过往资料估算COV水平，即COV变异系数等于σ标准差除以μ均值，设定容量COV需达到≤1%标准，而一般情形下，3σ标准被视为达标品质要求，其不良率控制在0.03%以下

3σ=3×1560.1×1%=46.8mAh

容量散布区间为1560.1±3个标准差，即1513.3mAh至1606.9mAh，这大于1510mAh，符合容量设计标准。

第二种方法：模拟容量分布

依照精度规范要求，单独制作出正极单位重量含容量、正极单位面积负载量、正极极片横向尺寸、正极极片纵向尺寸（包含正反两面）、正极材料混合比例的随机高斯分布序列。

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：

图中清晰表明，电量最低为1517.5mAh，最高达到1596.9mAh，容量性能指标1.49超过1.33，符合容量设计规范。