锂电池4角 锂离子电池基础问题——设计篇

锂离子电池基础问题——设计篇

电芯设计过程是一个复杂的系统化工程，设计工程师们通常采用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基础，以成本控制为重要目标进行设计开发。

要想深入挖掘电芯设计的“核心价值”，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。

Ǿ1：尺寸设计-厚度 Thickness

电芯厚度设计与客户要求的电芯出货态SOC密切相关，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（通常是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结构（叠片结构类似）为例，根据设计表已知如下信息：

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=（33*2+3）*0.036*1.03=2.559mm；

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=（34*2+1）*0.039*1.18=3.175mm；

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；

⑥胶纸层数：2+2+1=5层（2层极耳胶，2层极片胶，1层收尾胶）

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=

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能力可以满足1%，则电芯3σ能力（3σ被认为是合格质量水平）：

3σ=3*7.736*1%=0.232mm

最终电芯厚度范围为：7.504~7.969mm，客户要求≤8.0mm，满足要求。

Ǿ2：尺寸设计-宽度 Width

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

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

除此之外，还需要了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角主要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，宽度方向还需要预留未封区，即封印距电芯主体的距离（通常为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破裂。

综上所述，电芯宽度设计需要考虑的因素有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、折边方式等。

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因素，从而可以避免电芯超长导致客户无法进行装配的风险。

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

降低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+的扩散距离，使扩散更快速，可以有效降低浓差极化，同时Li+循环脱嵌对材料结构的破坏也更小。

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通常有个下限值的约束（正极面密度≥8.0mg/cm2，负极面密度≥4.5mg/cm2），这是因为当面密度小到临界值时，浆料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异常问题。

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

涂覆后的极片需要进行辊压处理减薄极片，从而大幅提升电池能量密度，并且通常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： 材料组分的粒子间距离更小，接触更紧密，有利于提升电子导电性，但极片孔隙率快速下降，吸收电解液困难，不利于Li+的快速脱嵌，容易析锂；

压实过低： 材料组分的粒子间距离更大，离子通道增加，有利于Li+的快速脱嵌，但粒子间的接触面积变小，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

对于能量型电芯（≤3C）通常采用大粒径材料，压实设计也相对更高，而对于功率型电芯（＞3C）一般采用小粒径材料，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。

通常，极片MD方向（垂直辊）延伸率较大，而极片TD方向（平行辊）几乎没有延伸。

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和容量发生变化。

根据容量不变原理：

因此，进行NP设计和容量设计时，需要对面密度进行修正，一般采用辊压面密度来计算。

Ǿ7：反弹设计 Swelling

反弹设计对电芯装配过程和成品厚度至关重要，如果装配过程反弹设计不准确可能导致电芯外观不良，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，不满足客户要求。

极片物理反弹与材料物性、辊压方式、压实密度、极片存放时间（一般辊压后存放两天开始变得稳定）等有较大关系，通常可以参考下表设计：

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强烈相关，SOC越大，石墨负极片厚度膨胀越明显，反弹范围在11~31%，而正极材料结构相对较稳定，不同SOC下，正极片反弹变化相对较小。

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），通俗的理解就是负极过量比例，通常要求理想状态下NP比≥1，否则Li+从正极脱出后无法全部被负极接纳，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。

其计算公式为：

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计算NP比，因此出现了LCO、LFP、NCM体系需要按不同NP比设计的说法，如下表：

常用材料体系的NP比设计

（按首次放电克容量计算）

材料体系

LCO

LFP

NCM

NP比设计

1.08~1.12

1.10~1.14

1.12~1.17

造成这种差异的原因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。

通常，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损失，正极材料的容量损失主要是结构变化导致，负极材料的容量损失主要是形成了SEI膜。

如下图，揭示了正极首效和负极首效的三种相对情况：

①正极首效＜负极首效，负极脱出的Li+无法被正极完全接收，余下的Li+保留在负极；

②正极首效=负极首效，Li+被完全利用，这是一种理想的情况；

③正极首效＞负极首效，负极脱出的Li+被正极完全接收，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，我们来举一个实例说明（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一致，所以，最终NP比的确定还需要考虑正负极材料的衰减情况，如下图：

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

②负极衰减更快的情况：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

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，理想状态下，不同倍率下的极耳设计如下表：

需要注意的，极耳在产热的同时也在散热，并且随着温升增加，电阻率也会发生变化，所以上表计算的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计算值高得多。

通常可以参考如下经验值进行设计：

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

在介绍熔胶设计之前，先简单介绍软包铝塑膜的两种封装方式：软封和硬封。

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

通常而言，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提供参考。

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

注液量和保液量通常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：在浸润充分的前提下尽可能降低电解液用量。

1）首先是理论保液量计算

计算理论保液量的本质就是计算电芯极组孔隙。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

通常保液量范围是1.0~5.0g/Ah，与材料物性和工艺设计关系较大，即使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

注液量通常按照以下经验公式确定：

注液量=理论保液量×1.06

根据经验公式进行首次验证后，需要进行注液量梯度实验，验证化成后电芯界面是否正常，二封抽气失液量是否达标，电芯循环是否满足要求等，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。确认以上因素的影响后，根据如下公式计算容量：

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

电芯容量计算公式揭示了影响电芯容量的因素，对分析电芯容量的异常发挥具有重要的指导意义。

假设需要设计一款容量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：按照理想情况计算理论容量

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可以满足≤1%，并且通常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，满足容量设计要求。

第二种方法：模拟容量分布

根据公差控制标准，分别生成正极克容量、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。

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：

从图中可以直观的看到，容量最小值1517.5mAh，最大值1596.9mAh，容量CPK能力1.49＞1.33，满足容量设计要求。

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鱼与熊掌如何兼得？蔚来75kWh三元铁锂电池包解析

在磷酸铁锂电池又开始大行其道之际，蔚来也发布了一款主要采用磷酸铁锂电芯的75kWh电池包，不过，这个电池包内还加入了少量的三元锂电芯，以提高其整体低温性能和SoC估算的精确度，从而提升用户体验。目前，这款电池包已经上线接受预定，搭载这款电池包的新车将于今年11月开始交付。

9月23日上线的这款75kWh的三元铁锂电池包将替换原来的70kWh三元锂电池包，届时，用户购买蔚来电动车时可以选择两种电池，除了75kWh的三元铁锂电池包外，还可以选择100kWh的三元锂电池包，前者对应的是标准续航，后者对应长续航。

电量增加将提升续航里程。如上图所示，从续航里程来看，将原来的70kWh三元锂电池包更换为75kWh三元铁锂电池包后，蔚来三款车型的NEDC续航里程提升了30-35km。

不过，将三元锂电池包更换为以磷酸铁锂电池为主的电池包之后，冬季低温环境将是个考验。蔚来官方提供的信息表示，这款电池包拥有完整的热管理软硬件体系，相比磷酸铁锂电池包低温续航损失降低25%，但蔚来没有提供相比三元锂电池包的低温续航损失数据。

根据电动汽车用户的使用经验，车企宣布的NEDC续航里程往往与实际使用里程存在差异，尤其是在低温、高速等环境下。因此，这款三元铁锂混装电池包实际的冬季续航表现还有待进一步观察，即将到来的冬天将是个考验。

在蔚来App中，相关工作人员在留言中对用户关心的新电池包冬季续航问题进行了进一步说明，“根据我们目前测试，在-10度的情况下，综合了高速、城市及郊区工况，75kWh相比70kWh大概会多出20km左右，当然根据车速，空调使用和驾驶习惯会有差异。”

另外，对用户而言，使用新电池包有一个显而易见的好处就是磷酸铁锂电池相对三元锂电池的安全性能更好。蔚来的三元铁锂电池包总共有118颗电芯，其中，磷酸铁锂电芯104颗。三元锂电芯只有14颗，分布在电池包的四个角，并且采取了多重安全措施，比如每个三元锂电芯上面都覆盖了阻燃的云母片，电池包的四个角都加装了泄压阀。

总体来说，只要新的电池包的冬季续航能力有保证，用户价值就将得到提升，因为电量增加了，NEDC续航里程也增加了30-35km，并且安全性能得到提升。但其售价、BaaS价格等与原三元锂70kWh电池包车型相同，按蔚来的说法就是“加量不加价”。

对于蔚来而言，此方案可以在一定程度上降低电池成本，从而提升其整体毛利水平。磷酸铁锂电池的价格低于三元锂电池。真理研究墨柯表示，目前磷酸铁锂电芯的市场价格大约是0.5-0.6元/Wh，523三元大约是0.6-07元/Wh（蔚来三元铁锂电池包采用的是Ni55三元电芯），整包价格在此基础上再高20%。不过，墨柯也表示，蔚来这款新电池包的电芯成本虽然较低，但初期的系统成本可能会比较高。

对于成本问题，蔚来方面不愿多谈。蔚来电池系统副总裁曾士哲表示，为了提高新电池包的低温性能和SoC估算的精确度，在电池系统层面做了大量的设计，也新增了很多部件。因此，新款电池包的成本变化不大。

可以肯定的是，随着新款三元铁锂混装电池包技术的逐渐成熟和规模增加，其成本下降是确定的。

当然，作为一家用户企业，蔚来必须要在降成本和用户体验之间求得一个平衡，这也是本文标题中所提到的鱼与熊掌如何兼得另一个层面的问题。从这款电池包的研发过程来看，蔚来确实充分考虑了用户体验。据曾士哲介绍，早在两年前，蔚来就开发了一款68kWh的磷酸铁锂电池包，但被李斌（蔚来创始人、董事长）否决了，因为电量比原来的70kWh三元锂电池包少，而且低温性能和SoC不精准的问题没有解决，会影响用户使用体验。所以，蔚来电池团队又经过了一年左右的研发，最终才拿出了这款三元铁锂混装电池包。

磷酸铁锂和三元锂是两种完全不同类型的电池，各有其优缺点。前者电压低、能量密度低、低温性能差、SoC估算精确度不高，但循环寿命长，价格便宜；后者电压高、能量密度高、低温性能好、SoC估算更精准，但循环寿命相对较短，价格高，而且依赖稀有金属。这两种差异非常明显的电池如何集成在一起，并且都能扬长避短呢？蔚来的工程师是如何做到的？

首先，从结构上来说，如何在同样大小的体积中放进足够多的电池，将电量从最初的68kWh提升至75kWh呢？这主要依赖于宁德时代第二代的CTP结构，也就是CTP-S。相比第一代的CTP-0的结构，第二代结构的制造装配简化10% ，体积利用率提升5%，系统能量密度提升14%达到142Wh/kg。

75kWh三元铁锂混装电池包共有118颗电芯，其中104颗是磷酸铁锂电芯，14颗是三元电芯，分布在电池包的四个角。整个电池包的绝大部分电量来自于磷酸铁锂电池，14颗三元电芯增加的电量不足一度。这些三元电芯的主要功能是提高整个电池包的SoC估算精度，以及提升整包的低温性能。

据曾士哲介绍，75度电接近目前情况下采用方壳磷酸铁锂电芯的这款电池包的容量上限。蔚来电池团队也做过测算，如果采用比亚迪的磷酸铁锂刀片电池，最大可以装载90度电。蔚来App上一些用户留言既然将三元锂换成磷酸铁锂，就应该增加更多的电量，而不是只增加5度电。其实，不是不想，而是不能。另外还有一点，如果增加太大电量，整个电池包的重量也会明显增加，影响整车性能。目前的方案下，电池包增重了15公斤，对车辆性能几乎没有影响。

其次，在提高低温性能方面，蔚来采取了一套组合拳。具体来说包括以下几个方面：

1、全散热路径物理阻隔：针对极冷环境下的热量损失来源，运用了低导热材料及创新的结构设计，有效提升被动保温性能，这就好像给电池包穿上了一个外套，同时把漏风散热的地方堵上。

2、耦合电池产热智能热管理：结合电池产热动态调整热控制目标，平衡驾驶体验和能耗。这样做的目的是充分利用电池在运行中自身产生的热量来帮助电池保持自身温度，减少为电池保温额外消耗的电量。

3、辐射式主动热补偿：均匀加热电芯，确保电池包工作温度的同时兼顾能耗。

4、三元锂和磷酸铁锂电芯的布局：基于蔚来大数据分析，充分利用了三元锂电芯的低温性能优势，将其布置在电池包热量最容易散失的四个角，以实现整包低温性能提升；

5、双体系控制算法：实现了对三元锂和磷酸铁锂电芯低温性能的精准控制，提高了电池系统低温能量效率。

第三，就是这两种不同类型的电池放在一起如何进行能量管理、尤其是提高SoC估算精度的问题。从结果来看，蔚来表示新款电池包的SoC估算误差从10%降低至3%，接近三元锂电池包的精度。

主要的方法是两方面，一是采取双体系电量估算法，充分利用三元锂和磷酸铁锂双体系的优势，实现电量估算的常时校准，保证估算精度。这里面涉及大量复杂的算法，这耗费了蔚来电池团队7、8个月的时间。简单来说，就是用三元锂电芯作为“标尺”去衡量整个电池包的电量，然后通过电池包内设置的大功率DCDC进行修正，这个大功率DCDC的主要作用就是进行实时的电量均衡。

为了解决三元锂电池和磷酸铁锂电池循环寿命不同的问题，蔚来的做法是只使用三元锂电池中间10%-90%的容量区间，上下各保留10%的冗余容量，“用得少就寿命长”。

总结： 400km-500km的标准续航电动车采用成本更低的磷酸铁锂电池已经是行业大势，车企都要顺势而为。但并非每家车企都像蔚来这样，在降成本和保持良好用户体验之间力求平衡，这从一个侧面解释了为什么很多车企都标榜自己是“用户企业”，但用户并不认可他们的说法。

毫无疑问，三元铁锂电池包是一项大胆的创新，它将两种完全不同的电池集成在一个电池包内，并力求让它们各自的优点最大化，蔚来的这种创新精神值得其他车企学习。

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