方形大容量LiFePO4动力电池设计和工艺研究

摘要

目前随着工业文明的发展，城市大气污染程度越来越严重，电动汽车、新能源汽车的应用是解决城市汽车尾气污染的重要手段之一，动力电池是电动汽车的重要动力来源。汽车电池对高能量密度、高功率、长寿命、高安全性等性能的要求越来急迫，大容量磷酸铁锂(LiFePO4)电池以长寿命、安全性优异、能量密度高成为了纯电动大巴车、能储能电站、特种重型机械使用的动力电池系统的单体电池材料的首选。 本文实现了一款LiFePO4动力电池设计方案和工艺研究，具体内容如下： (1)对不同体系的材料进行分析，采用磷酸铁锂-石墨材料体系进行动力电池设计，正极采用台湾立凯公司LiFePO4，负极采用上海杉杉公司人工石墨，隔膜选用美国Celgard公司PP-PE-PP三层复合隔膜。电解液、电池壳、其他辅料采用常规电池材料。电池实际容量57A h，实现论文预期目标，完成了电池设计过程。 (2)论文研究过程中，采用有限元仿真手段，对比卷绕结构和叠片结构对极片内部电流密度、电势分布的影响，定性仿真表明，叠片设计优化了电流密度分布和电势分布，降低了欧姆极化，有利于电池性能的发挥。 (3)采用了单因子实验手段，对正极碾压密度、注液量、预化成参数进行了优化，实验结果表明，碾压密度为2.2g cm-3，注液量为300g，预化成采用0.1C~0.3C~0.5C阶梯充电技术，可以在保证电池放电容量、循环寿命的前提下降低电池成本，提高生产效率。研究过程中根据设计方案和工艺优化结果进行了小批量试生产，生产综合收率68.79%，后续通过优化生产过程中工艺参数和质量控制点，可以逐步在量产中提高生产收率。 (4)论文最后对单体电池性能指标进行了测试验证，验证结果为电池容量均值57A h，内阻1.4mΩ，高温存储容量恢复比例96.5%，低温-20℃、-40℃放电容量比例59.4%、49.5%，放电、充电峰值功率分别≥1200W、780W，2C持续放电容量比例98%，小批量样品电池充放电电流1C循环700次后剩余容量是初始容量的94.9%。过充电、150℃加热、常温短路、满电穿刺等安全测试结果符合国家强检标准。电池倍率测试、低温测试、功率测试、循环寿命等测试数据验证了叠片设计对电池内阻降低的贡献，同时验证了有限元分析的结果正确性，对后续在电池设计和优化中引入有限元分析手段有重要意义。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 论文的选题背景和研究意义

1.2 锂离子电池的研究进展

1.3 锂离子电池的工作原理

1.4 锂离子电池的组成

1.4.1 正极材料

1.4.2 负极材料

1.4.3 电解液

1.4.4 电池隔膜

1.5 锂离子动力电池结构设计

1.5.1 圆柱形设计

1.5.2 软包叠片设计

1.5.3 方形卷绕设计

1.5.4 方形叠片设计

1.6 锂离子电池工艺

1.6.1 匀浆

1.6.2 涂覆

1.6.3极片辊压

1.6.4 组装

1.6.5 注液

1.6.6 化成

1.7 有限元分析技术

1.8 论文研究内容

1.8.1 单体电池性能需求指标

1.8.2 单体电池设计方案和工艺优化实现

第2章 实验原料和设备

2.1 实验材料

2.2 实验设备

2.2.1 实验采用生产设备

2.2.2 实验采用的测试设备

2.3 实验采用的物理测试和表征方法

2.3.1 单体电池容量标定

2.3.2 单体电池半电交流内阻测试

2.3.3 单体电池满电开路电压测试

2.3.4 单体电池厚度的测试

2.3.5 首次库伦效率测试

2.3.6 常温倍率性能测试

2.3.7 脉冲功率测试

2.3.8 低温放电性能测试

2.3.9 高温存储测试

2.3.10 循环寿命测试

2.3.11电池安全性能测试

2.4 实验样品电池的制备

2.4.1 电极匀浆

2.4.2 极片涂布

2.4.3 碾压剪切

2.4.4 电极烘烤

2.4.5 极片成型

2.4.6 电池叠片

2.4.7 装配焊接

2.4.8 电池注液

2.4.9 电池预化成

2.4.10 电池分容

第3章 单体电池设计及工艺研究

3.1单体电池指标

3.2 电池材料选择方针

3.2.1 正极材料

3.2.2 负极材料

3.2.3 隔膜

3.2.4 导电剂

3.2.5 粘接剂

3.2.6 电解液

3.2.7 集流体

3.2.8 电池胶带

3.3 电池设计方案

3.3.1 正极片尺寸

3.3.2 负极片尺寸

3.3.3 极组叠片示意图

3.3.4 电池极组

3.3.5 电池壳体零部件示意图

3.3.6 电池成品示意图

3.4.1 工序流程确定

3.4.2 叠片结构与卷绕结构对比

3.4.3 正极碾压密度优化

3.4.4 注液量优化

3.4.5 预化成参数优化

3.5 过程数据

3.6 小结

第4章 单体电池性能测试

4.1 单体电池性能需求指标确认

4.2 测试结果

4.2.1 25℃放电容量

4.2.2 电池半电交流内阻测试

4.2.3 满电开路电压测试

4.2.4 电池厚度数据

4.2.5 首次库伦效率

4.2.6 循环寿命测试

4.2.7 倍率性能测试

4.2.8 脉冲功率测试

4.2.9 高温存储测试

4.2.10 低温放电性能测试

4.2.11 安全性能测试

4.3 测试指标确认

4.4 小结

第5章 结论

参考文献

致谢