电芯设计过程是一个繁芜的系统化工程，设计工程师们常日采取自外而内的逆向设计思维，即以客户的尺寸需求和性能需求为导向，以电化学体系工艺窗口为根本，以本钱掌握为主要目标进行设计开拓。

要想深入挖掘电芯设计的“核心代价”，则必须充分理解其设计逻辑。
鉴于此，笔者整理了常见的电芯设计要素并对其进行解析，以加深对电芯设计过程的理解。

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Ǿ1：尺寸设计-厚度 Thickness

电芯厚度设计与客户哀求的电芯出货态SOC密切干系，即不同SOC下正极片和负极片反弹存在差异（正极片和负极片反弹详见反弹设计章节）。

因此，在进行厚度设计时，首先要明确电芯出货态SOC（常日是60%SOC或30%SOC航空标准），确认SOC后再对电芯进行厚度分解。

以下图所示的双错位卷绕构造（叠片构造类似）为例，根据设计表已知如下信息：

对组成电芯终极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=（332+3）0.0361.03=2.559mm；

②铝箔层数：负极层数+1=36层

厚度=360.012=0.432mm；

③负极料区层数：35层（包括34层双面，1层单面）

厚度=（342+1）0.0391.18=3.175mm；

④铜箔层数：35层

厚度=350.008=0.28mm；

⑤极耳层数：1层

厚度=0.1mm；

⑥胶纸层数：2+2+1=5层（2层极耳胶，2层极片胶，1层扫尾胶）

厚度=50.016=0.08mm；

⑦铝塑膜层数：2层

厚度=20.111=0.222mm。

电芯出货态厚度=

2.559+0.432+3.175+0.28+0.888+0.1+0.08+0.222=7.736mm。

假设电芯厚度历史COV能力可以知足1%，则电芯3σ能力（3σ被认为是合格质量水平）：

3σ=37.7361%=0.232mm

终极电芯厚度范围为：7.504~7.969mm，客户哀求≤8.0mm，知足哀求。

Ǿ2：尺寸设计-宽度 Width

若电芯为卷绕构造，则其宽度设计与出货态SOC有一定关系，若电芯为叠片构造，则其宽度设计与出货态SOC关系不大。

在进行宽度设计前，还要确认电芯折边办法，双折边/单折边对电芯宽度影响可能不同。

双折边：常日是动力电池采取的折边办法，可以保留更多的有效封印区，封装更加可靠；单折边：常日是3C电池采取的折边办法，更有利于节约宽度方向空间，提升体积能量密度。

除此之外，还须要理解铝塑包装壳成型过程：显然地，电芯宽度方向还包括一个凸模R角和一个凹模R角（R角紧张是为了避免应力集中导致铝塑膜破损）。

为了避免电芯折边时铝层破损，宽度方向还须要预留未封区，即封印距电芯主体的间隔（常日为1.0~1.5mm），如下图所示，如果没有预留未封区，PP溢胶后极易导致折边时铝层分裂。

综上所述，电芯宽度设计须要考虑的成分有JR（卷芯）本体宽度、铝塑膜厚度、铝塑膜凸模R角和凹模R角设计、未封区宽度、折边办法等。

Ǿ3：尺寸设计-长度 Length

电芯长度设计与宽度设计推算逻辑类似，但细节方面存在一些差异性。

首先看一下电芯长度方向示意图，其组成包括：

在长度设计过程中综合考虑以上成分，从而可以避免电芯超长导致客户无法进行装置的风险。

大致的推算逻辑为：

→客户哀求电芯长度；

→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

降落面密度是设计高倍率电芯最快速有效的方法，增加面密度是设计高能量电芯最快速有效的方法。

极片面密度越小对应的厚度也更薄，减小了Li+的扩散间隔，使扩散更快速，可以有效降落浓差极化，同时Li+循环脱嵌对材料构造的毁坏也更小。

不同面密度下LCO电池的快充性能

理论上说，面密度越小越有利于倍率性能，但在面密度实际设计时常日有个下限值的约束（正极面密度≥8.0mg/cm2，负极面密度≥4.5mg/cm2），这是由于当面密度小到临界值时，浆估中的大粒径颗粒无法通过涂布机模头，导致产生颗粒划痕、极片辊压亮点等严重影响电芯性能的非常问题。

消费类电池面密度设计参考表——石墨

倍率

1C

2C

3C

5C

8C

10C

面密度

≤10

≤9

≤8.5

≤7

≤5.5

≤4.5

Ǿ5：压实设计 Press Density

涂覆后的极片须要进行辊压处理减薄极片，从而大幅提升电池能量密度，并且常日认为正负极材料还具有一个最佳性能的压实密度。

不同负极片压实的循环曲线

（黑线1.6，红线1.7，绿线1.8）

压实过高：材料组分的粒子间间隔更小，打仗更紧密，有利于提升电子导电性，但极片孔隙率快速低落，接管电解液困难，不利于Li+的快速脱嵌，随意马虎析锂；

压实过低：材料组分的粒子间间隔更大，离子通道增加，有利于Li+的快速脱嵌，但粒子间的打仗面积变小，不利于电子导电，极化增大。

常用材料体系的压实设计范围

材料

体系

LCO

LMO

LFP

NCM

C

压实

范围

3.8~

4.2

2.7~

3.1

2.0~

2.4

3.2~

3.6

1.3~

1.8

对付能量型电芯（≤3C）常日采取大粒径材料，压实设计也相对更高，而对付功率型电芯（＞3C）一样平常采取小粒径材料，同时压实设计也相对更低。

消费类电池压实密度设计参考表——石墨

倍率

1C

2C

3C

5C

8C

10C

压实密度

≤1.8

≤1.7‍

≤1.65‍

≤1.6‍

≤1.5

≤1.45

Ǿ6：压延设计 Extension

极片辊压时，金属集流体铝箔和铜箔会发生延伸，即极片在辊压后会变长。

常日，极片MD方向（垂直辊）延伸率较大，而极片TD方向（平行辊）险些没有延伸。

材料体系

NCM

LMO

LFP

C

TD方向

0.1~

0.2%

0.2~

0.5%

0.1~

0.3%

0%

MD方向

0.4~

1.0%

0.8~

2.0%

0.2~

0.8%

0~0.2%

正、负极在不同压实下的延伸率

由于压延的存在，辊压后面密度与涂布的面密度具有差异性，这种差异性可能导致设计NP和容量发生变革。

根据容量不变事理：

因此，进行NP设计和容量设计时，须要对面密度进行改动，一样平常采取辊压面密度来打算。

Ǿ7：反弹设计 Swelling

反弹设计对电芯装置过程和成品厚度至关主要，如果装置过程反弹设计不准确可能导致电芯外不雅观不良，产生报废品，如果成品厚度反弹设计不准确，可能导致电芯超厚或超薄，不知足客户哀求。

极片物理反弹与材料物性、辊压办法、压实密度、极片存放韶光（一样平常辊压后存放两天开始变得稳定）等有较大关系，常日可以参考下表设计：

材料

体系

LCO

LMO

LFP

NCM

C

物理

反弹

1~3%

3~5%

1~3%

2~4%

5~10%

不同压实下极片物理反弹

充电态极片反弹与SOC强烈干系，SOC越大，石墨负极片厚度膨胀越明显，反弹范围在11~31%，而正极材料构造相对较稳定，不同SOC下，正极片反弹变革相对较小。

不同压实和SOC下充电反弹

Ǿ8：NP比设计 Negative/Positive

NP比又称CB值（Cell Balance），普通的理解便是负极过量比例，常日哀求空想状态下NP比≥1，否则Li+从正极脱出后无法全部被负极收受接管，多余的Li+在低电位下析出在负极表面，会严重恶化电池性能和安全特性。

其打算公式为：

那么，公式中的克容量是指放电克容量还是充电克容量呢？目前多数电芯厂家为了更方便核算电芯设计容量，基本都是按照放电克容量打算NP比，因此涌现了LCO、LFP、NCM体系须要按不同NP比设计的说法，如下表：

常用材料体系的NP比设计

（按首次放电克容量打算）

材料体系

LCO

LFP

NCM

NP比设计

1.08~1.12

1.10~1.14

1.12~1.17

造成这种差异的缘故原由是这三种材料的首次效率不同（LCO 94%~96%，LFP 95%~97%，NCM 85%~88%），实际上，如果按照首次充电克容量来设计NP比，则可以统一NP比标准≥1.03即可，因此，在进行NP比设计时必须要考虑材料首次效率以防止析锂。

常日，正负极材料首次效率均小于100%，即在嵌锂和脱锂过程中存在容量丢失，正极材料的容量丢失紧张是构造变革导致，负极材料的容量丢失紧张是形成了SEI膜。

如下图，揭示了正极首效和负极首效的三种相对情形：

①正极首效＜负极首效，负极脱出的Li+无法被正极完备吸收，余下的Li+保留在负极；

②正极首效=负极首效，Li+被完备利用，这是一种空想的情形；

③正极首效＞负极首效，负极脱出的Li+被正极完备吸收，且正极还有多余的嵌锂空间。

由此得到一个结论：全电池首次效率与正极材料或负极材料首次效率较低者相等。

搞清楚首次效率之后，我们来举一个实例解释（NCM+Gr体系）：

项目

正极

负极

1C克容量

190mAh/g

350mAh/g

0.1C克容量

204mAh/g

355mAh/g

首次效率

89%

92%

面密度

15.0mg/cm2

9.6mg/cm2

Loading

97.8%

94.8%

放电NP=（350×9.6×94.8%）/（190×15.0×97.8%）=1.14

充电NP=（355×9.6×94.8%/92%）/（204×15.0×97.8%/89%）=1.04

充电NP比≥3%认为是合理的设计，电池在首次充电过程析锂的风险较小，对应的放电NP比为1.14。

以上，充电NP比只是考虑了首次析锂问题，但随着循环的进行，正负极材料容量衰减很难保持同等，以是，终极NP比的确定还须要考虑正负极材料的衰减情形，如下图：

①正极衰减更快的情形：随着循环进行，析锂风险持续降落，应适当降落初始NP设计，让正极处于浅充放状态；

②负极衰减更快的情形：随着循环进行，析锂风险持续增加，应适当提高初始NP设计，让负极处于浅充放状态。

Ǿ9：极耳过流设计 Tab Design

锂电池极耳材质常日是Al、Ni、Cu（或在Cu表面镀镍）。

极耳过流设计常日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——持续通电韶光，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

极耳材质

密度

kg/mm3

电阻率

Ω·mm

比热容

J/kg/℃

Al

2.70×10-6

2.83×10-5

880

Ni

8.90×10-6

6.84×10-5

460

Cu

8.96×10-6

1.75×10-5

390

以1Ah电芯为例，空想状态下，不同倍率下的极耳设计如下表：

须要把稳的，极耳在产热的同时也在散热，并且随着温升增加，电阻率也会发生变革，以是上表打算的Al、Ni、Cu极耳横截面积是一个比较“宽松”的标准，电芯实际设计时，极耳的过流能力比上表打算值高得多。

常日可以参考如下履历值进行设计：

极耳设计载流值

Al极耳

Ni极耳

Cu（镀镍Cu）

极耳

3~5 A/mm2

2~3 A/mm2

5~8 A/mm2

Ǿ10：熔胶设计 PP Melted

在先容熔胶设计之前，先大略先容软包铝塑膜的两种封装办法：软封和硬封。

软封：在金属封头内部嵌入一根可变形的硅胶条，封装非常大略高效，全体封头是平直的，不用考虑槽位压极耳的问题，但这种封装办法随意马虎熔胶不良导致漏液，且负极耳打仗铝塑膜Al层导致堕落的风险也较高；硬封：在金属封头表面开设极耳槽位，这种封装办法的熔胶非常均匀，漏液和堕落的风险较小，但对极耳相对位置的掌握哀求较高，且封头须要定制不具有普适性。

无论软封还是硬封都是通过熔胶实现密封功能，熔胶设计包括双层铝塑膜熔胶设计和极耳位置熔胶设计。

双层铝塑膜熔胶设计涉及的工序包括：

1、侧封Side sealing，2、预封Vacuum sealing，3、二封Degassing

极耳位置熔胶设计涉及的工序包括：

4、顶封Top sealing

常日而言，铝塑膜PP层和极耳CPP层熔胶比例为15%~55%为宜（优选30%~40%），熔胶设计结果将为封头尺寸设计供应参考。

双层铝塑膜熔胶示意图

极耳位置熔胶示意图

Ǿ11：注液量和保液量设计 E.L. Injection and Retention

注液量和保液量常日是根据电芯极组孔隙确定的，首先确定理论保液量（电芯极组孔隙×电解液密度），再根据理论保液量确定注液量，基本原则是：在浸润充分的条件下尽可能降落电解液用量。

1）首先是理论保液量打算

打算理论保液量的实质便是打算电芯极组孔隙。
电芯极组孔隙包括正极片孔隙、负极片孔隙、隔膜孔隙、Overhang孔隙等。

根据体积不变事理，首先打算涂层均匀密度，打算公式为：

然后打算涂层孔隙率，打算公式为：

常用材料的真密度表

隔膜孔隙与隔膜体积、孔隙率有关，此处不再赘述。
Overhang孔隙与S-A overhang，A-C overhang以及正极片、负极片、隔膜厚度有关，此处亦不再赘述。

常日保液量范围是1.0~5.0g/Ah，与材料物性和工艺设计关系较大，纵然是相同的材料体系也不可一概而论。

2）根据理论保液量确定注液量

注液量常日按照以下履历公式确定：

注液量=理论保液量×1.06

根据履历公式进行首次验证后，须要进行注液量梯度实验，验证化成后电芯界面是否正常，二封抽气失落液量是否达标，电芯循环是否知足哀求等，直到探索出性价比最高的注液量值。

Ǿ12：容量设计 Capacity

在进行容量设计之前首先要明确容量测试标准：电压范围、测试温度、放电倍率都会影响电芯容量测试结果。
确认以上成分的影响后，根据如下公式打算容量：

电芯容量=正极克容量×涂覆面密度×正极有效涂覆面积×正极配方Loading

电芯容量打算公式揭示了影响电芯容量的成分，对剖析电芯容量的非常发挥具有主要的辅导意义。

假设须要设计一款容量1510mAh电芯，已知如下信息：

项目

数值

公差

正极克容量mAh/g

182

±1

正极面密度mg/cm2

7.3

±2.5%

正极片宽度mm

55

±0.3

正极片长度（双面）mm

2178.5

±3

正极配方Loading

98%

±0.2%

第一种方法：按照空想情形打算理论容量

理论容量

=182×7.3×（55×2178.5）×98%/100000=1560.1mAh

根据历史数据推算COV能力（COV变异系数=σ标准差/μ均值），假设容量COV可以知足≤1%，并且常日3σ能力被认为是合格质量水平（不良率≤0.03%）

3σ=3×1560.1×1%=46.8mAh

容量分布范围1560.1±3σ=1513.3~1606.9mAh＞1510mAh，知足容量设计哀求。

第二种方法：仿照容量分布

根据公差掌握标准，分别天生正极克容量、正极面密度、正极片宽度、正极片长度（双面）、正极配方Loading的随机正态数列。

天生随机正态数列的公式为：

根据天生结果打算容量，然后绘制分布图：

从图中可以直不雅观的看到，容量最小值1517.5mAh，最大值1596.9mAh，容量CPK能力1.49＞1.33，知足容量设计哀求。

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