新能源材料与器件课程设计报告书

.专业整理.

.学习帮手.

1 锂离子动力电池设计的目的和任务

大功率动力电池设计的目的是运用本专业的基础知识，做相应的自主练习，消化课堂上所学习的容。进一步巩固、深化、扩展本专业课所学到的理论知识，培养综合运用已学的基础理论知识和专业知识来解决基本工艺设计问题的初步技能，全面分析考虑问题的思想方法、工作方法以及计算和编写设计文件的能力。

大功率动力电池设计的任务是从原料选择、设计原理、制备工艺、封装条件、工作情况等方面进行系统调研，并设计出相应的电池器件。从设计目的出发，通过查阅资 料、课题讨论、技术交流等方式，逐渐设计出合理、科学的新能源器件，培养初步的科研思维和科研能力；通过这一综合训练，使学生对实际的新能源产品有初步的、宏观的认识和理解，为的毕业设计乃至实际生产工艺设计奠定必要的基础。

2 电池正负极材料的选择

正极材料选用尖晶石材料LiNi 0.5Mn 1.5O 4。镍锰酸锂（化学式：LiNi 0.5Mn 1.5O 4），尖晶石结构正极材料，充放电电压区间为3.5V~5.2V ，理论克容量146.7mAh/g ，实际克容量≥130mAh/g，电压平台在4.7V ， 是新一代高能量密度锂离子电池正极材料。具体参数见表2.1：

表2.1 镍锰酸锂正极材料基本参数

类型 XNN22 XNN66 XNN79 粒径/um

1~2 4~6 10~15 振实密度/(g/cm 3

) ≥1.0 ≥1.4 ≥1.8 比表面积/(m 2

/g) ≤2 ≤2 ≤0.6 扣电容量/

（mA/g.0.2C.3.5~5.2V ） ≥130

≥125

≥115

2C/2C 扣电容量 ≥125 ≥120 ≥100 10C/10C 扣电容量

≥100

≥80

N/A

一般将充放电平台在4.5V 以上的锂离子电池正极材料称为高电位正极材料或5V

正极材料，根据目前的研究结果，这类高电位正极材料主要有尖晶石LiM X Mn 2-X O 4(这里0≤X ≤X ,M 为铁、铜、钴、镍及其同族的过度金属元素)、及其其他一些层状结构材料。其中具有4.7V 电压平台的尖晶石型锰酸锂材料，无论从理论计算还是实验室

.专业整理.

.学习帮手. 制备研究中均被证实具有优异的应用前景，是目前高电位开发的一个热点。具有5V 级充放电平台的高电位材料镍锰酸锂因比传统的的钴酸锂电压（3.7V ）高30%以上，适合大功率电池需要。经过多年的发展，随着高电位材料配套技术的发展，高电位材料镍锰酸锂逐渐从技术、基础化学性能研究等走向使用化开发。例如，日本大阪城市大学的Ohzuku 与SANYO 电子合作组装的“镍锰酸锂-石墨”电池在2C 下循环2000次后还有90%的容量保持率。

图2.1 天然石墨电极循环伏安曲线

图2.2 石墨烯循环伏安曲线

负极采用新型纳米材料石墨烯。它几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；导热系数高达5300 W/m·K，高于碳纳米管和金刚石，常温下其电子迁移率超过

15000

.专业整理.

.学习帮手. cm /V·s，又比纳米碳管或硅晶体高，而电阻率只约10-6 Ω·cm，比铜或银更低，为目前世上电阻率最小的材料。石墨烯在0.2 mA/cm2的电流密度下，经过30个循环后放电比容量保持在609mAh/g ，在大电流密度下放电容量仍然能保持576 mAh/g ，比表面积为2600m 2/g 。表明石墨烯负极材料具有优异的倍率性能。

图2.1和图2.2给出了天然石墨和石墨烯做锂离子电池负极材料在0.2 mA/cm2 和1 mA/cm 电流密度下的循环性能。由于石墨烯首次充放电形成稳定的SEI 膜，要消耗大量的能量，因此首次库伦效率低于天然石墨。石墨烯经过2个循环形成稳定的 SEI 膜后，库伦效率稳定在94%以上，实现高效率的充放电循环。经过30个循环，0.2 mA/cm2和1 mA/cm 电流密度下的比容量分别维持在609 mAh/g 和576 mAh/g ；这要远高天然石墨322mAh/g 和 75.4 mAh/g 。

3 镍锰酸锂正极石墨烯负极锂离子电池工作原理

一个锂离子电池主要由正极、负极、电解液及隔膜组成，外加正负极引线，安全阀，PTC （正温度控制端子），电池壳等。充电时，锂离子从正极材料中脱嵌，经过隔膜和电解液，嵌入到负极材料中，放电以相反过程进行。当以石墨烯为负极材料，以LiNi 0.5Mn 1.5O 4为正极材料时，其充放电原理为：

正极反应：LiNi 0.5Mn 1.5O 4 == Li 1-X Ni 0.5Mn 1.5O 4 + xLi+ + xe-

负极反应：6C + 2Li+ + 2e- == Li 2C6

电池总反应：2LiNi 0.5Mn 1.5O 4 + 6xC == 2Li 1-X Ni 0.5Mn 1.5O 4 + xLi 2C 6

放电为上述反应的逆反应

4 大功率动力电池生产工艺

从图3可以看出制造锂电子动力电池的关键装备有三类，一种用于制造电极材料，如涂布机、隔膜及极片分切、成型机等，这些智能化高精密度装备的应用，能够极大提升电极材料的物化性能以及外表质量，有利于实现电池能量存储性能和电池使用期限方面的突破；一种用于制造电池单元，中型、大型尺寸的卷绕机、叠片机、焊接机、注液机等，这些装备的自动化水平的提高有利于帮助锂离子动力电池产业突破发展瓶颈；一种用于动力电池的组装和测试，由于锂离子动力电池不同单元间的参数多少会存有一定的差别，所以，为了保证产品的一致性，配置智能化测试装备显得非常重要。

.专业整理.

.学习帮手.

图3 锂离子电池生产工艺流程图

4.1正负极活性物质的配料

按一定配恒定w 为5% 的粘结剂和1MPa 的制片压力, 称取质量百分含量分别为90% 、85% 、80% 、75% 、65% 、55% 、45% 的活性物质极片。固定w ( 导电剂) = 10% 和1MPa 的制片压力, 粘结剂的质量分数含量分别为10%、7%、5% 、3% , 制备正极片。恒定活性物质导电剂和粘结剂的质量配比85:10:5, 制片压力分别取25MPa 2MPa 、15MPa 、1MPa 、05MPa 。实验结果见表4.2.1。

表4.2.1 不同因素下LiNi 0.5Mn 1.5O 4容量

由表 1 知, 当正极片中粘结剂的含量不变时,随着活性物质的减少(导电剂的增加),锰酸锂的放电比容量有增加的趋势。正极片中的导电剂碳黑排列成较长而发达的主体链状结构, 交织成密集的网络, 形成四通八达的通路的立体结构,

能够降低活

.专业整理.

性物质锰酸锂的电阻,使电化学反应顺利进行。但活性物质的含量少于55%(导电剂的含量多于40%) 时,放电比容量突然下降。当正极片中导电剂碳黑的含量保持恒定, 粘结剂的含量从10% 减少到5% 时, 锰酸锂的放电比容量增加。粘结剂过多, 锂离子在正、负极之间迁移的阻力增大,不利于锂离子在尖晶石构型的锰酸锂中的脱出和嵌入。粘结剂过少, 使得锰酸锂颗粒与碳黑颗粒接触不充分, 导致锰酸锂的放电比容量过低。

选择镍锰酸锂：导电炭黑：粘结剂PVDF质量比为85:8:7制备的极片具有优异的性能。

由于石墨烯具有电阻率只约10-6 Ω·cm具有优异的导电性能，在负极浆料中不需要加入导电剂。选择石墨烯：粘结剂的质量比97.5：2.5粘结剂的减少有利于提高电极材料的导电性。

动力电池的制造，由于极片量大，需要搅制大量的电池正负极浆料，为了尽量保证电池的一致性，必须保证同一批次浆料的一致性，这就要求搅拌机向大容量型发展，同时解决以下关键技术：

△高速状态下，存在腐蚀性气体的真空密封技术；

△高速状态下，搅拌拐材料磨损对电池性能的影响；

△搅拌机上与电池浆料接触的材料必须具备耐蚀性、高耐磨性、化学与物理稳定性。△搅拌形式必须使整个搅拌过程无死点并尽量避免搅拌过程中产生局部温升，浆料粉料粒度分布要求均匀。

△搅拌拐的搅拌形式、搅拌速度以及与搅拌桶的间隙对浆料的影响，特别是对粘结剂分子链剪切的影响。

△搅拌机的设计中，应特别注重安全性和防爆性。

.学习帮手.

.专业整理.

.学习帮手. 图4.2.1 搅拌器示意图

选择鸿方化工生产专用设备有限公司生产的60L全自动双行星真空搅拌机。价格为108000.00/台。具体设备参数如下：

动力类型：电动应用领域：化工.化妆品.医药.食

品.能源.塑料橡胶. 适用物料：锡膏.油墨.化学品.粘胶.油漆涂料.干粉.药物.塑料.胶水.食品

料桶容量：60（L）搅拌机类型：真空搅拌机.行星搅拌

机

型号：60L

搅拌鼓形状：圆盘型规格：60A 转速围：0-100（r/min）

布局形式：立式物料类型：液-液,固-液.固体颗粒.

干粉.干粉-膏体.膏体

品牌：鸿方

生产能力：60（L）电机功率：5.5/7.5（Kw）作业方式：连续作业式

每次处理量围：全部（L）属性：属性值搅拌方式：行星搅拌

4.2正负极材料制片

在锂离子动力电池的生产工艺——极片制作之全部工序当中，极片的浆料涂布工艺及装备是极为关键的部分。首先，由于极片浆料的粘度远远高于普通的涂布液，而且该工艺浆料的标准量也非常大，根本无法以常规的方法实现均匀涂布，因此以该浆料的流动机理为依据，综合其流变特征以及涂布要求，通过多种方案进行试验，证实挤压涂布技术相对适合。挤压涂布技术是一种相对比较先进的工艺，适用于粘度较高的流体涂布，而且形成的涂层的精度也相对比较高。

那么怎么利用条缝挤压涂布以便获得相对均匀涂层呢？必须保证挤压涂布机挤

压嘴的设计参数和操作参数均在相对适合的围，即保证其在“涂布窗口”的临界区间之，才可以正常使用。由于挤压嘴的设计参数会直接影响到涂布的精度的高低，所以在设计时要提前搜集好与涂布浆料流变特性有关的所有数据信息，另外，如果挤压嘴按照提供相关数据设计加工完成之后，涂布浆料的流变性质又发生了变化，那也极有可能影响到极片涂布的精度。这种工艺的相关装备相对复杂，其操作运行的技术性要求比较高。

其次，涂布全过程中包括涂布、干燥、自动纠偏等多个环节，极点之间依靠多个传动点进行拖动，在涂布机的传动设计中可以采用直流电机自动化调速控制工艺，

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ojqe.html