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锂电池极耳设计公式计算

日期: 来源:锂电联盟会长收集编辑:

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一般的锂电池正负极端是通过内部镍极耳(铜镀镍)或铝极耳分别与负极、正极盖帽连接。当然,极耳的设计对过流能力有着重要影响,下面介绍一下极耳设计理论

一、极耳材质理论参数

(1)镍极耳的安全载流值为11-13A/mm2,镍的电导率在140000 S/cm,熔点在 1200℃~1400℃。

(2)铜极耳的安全载流值5-8A/mm2,铜的电导率在584000 S/cm,熔点在 ≈1000℃。

(3)铝极耳的安全载流值3-5A/mm2,镍的电导率在369000 S/cm,熔点在 ≈660℃。


二、极耳的几何位对阻抗影响理论设计

集流体(箔材)过流离极耳越远,过电流过弱;平均电流值为集流体一半,简单说有效阻抗Reff为集流体阻抗值Ro一半

Reff=Rc/2 或 Ra/2

其中

① Rc为正集流体阻抗值

② Ra为负集流体阻抗值


(1)极耳位于极片中间位

E=(I/2)2*(Ro/4)+(I/2)2*(Ro/4)= I2*(1/8)Ro= I2*Reff


(2)极耳位于极片1/3位


E=(I/3)2*(Ro/6)+(2I/3)2*(2Ro/6)= I2*(1/6)Ro


(3)单极耳位于任意位


E=I2*[x2*x/2+(1-x)2*(1-x)/2]Ro


(4)双极耳位于任意位


E=(I/3)2*(Ro/6)+(I/3)2*(Ro/6)+(I/3)2*(Ro/6)



1.电池极耳是什么?


极耳,是软包锂离子电池产品的一种组件。电池分为正极和负极,极耳就是从电芯中将正负极引出来的金属导电体,通俗的说电池正负两极的耳朵是在进行充放电时的接触点。电池的正极使用铝(Al)材料,负极使用镍(Ni)材料,负极也有铜镀镍(Ni—Cu)材料,它们都是由胶片和金属带两部分复合而成。


2.极耳的分类


2.1按极耳金属带材质分:

⑴铝(Al)极耳,一般用作正极极耳,如果电池为钛酸锂负极时,也用作负极极耳。

⑵镍(Ni)极耳,用作负极极耳,主要用在数码类小电池上,例如:手机电池、移动电源电池、平板电脑电池、智能传递设备电池等。

⑶铜镀镍(Ni—Cu)极耳,用作负极极耳,主要应用于动力电池和高倍率电池。

2.2 按照极耳胶来分(国内市场):

⑴黑胶极耳,一般用在中低端数码类小电池上。

⑵黄胶极耳,一般用在中低端动力电池和高倍率电池上。

⑶白胶极耳 ,一般用在高端数码电池、动力电池和高倍率电池上。

2.3极耳的成品包装分为:

⑴盘式极耳(整条金属带通过设备加上胶片后整条的卷绕成盘),用在自动化生产产线

⑵板式极耳(金属带加上胶片后裁切成单个的,然后成排摆放用两片薄透明塑料片夹在中间),用于普通生产产线。

3.电池极耳金属带材质

AL1050铝合金为纯铝中添加少量铜元素形成,具有极佳的成形加工特性、高耐腐蚀性、良好的焊接性和导电性。


TU1为无氧铜,氧和杂质含量极低,纯度高,导电导热性极好,延展性极好,透气率低,无“氢病”或极少“氢病”;加工性能、焊接、耐蚀耐寒性均好。

4.各种品牌极耳胶结构与性质


4.1. 各种品牌极耳胶结构

目前极耳胶都是从日本进口而来,极耳胶生产技术难点是:PP材料的分子量要控制在一个比较窄的范围内,目前国内的技术生产出的PP胶达不到要求。

极耳胶结构:极耳胶一般由三层材料热压在一起而构成,除凸版及昭和制造单层改性PP构成及腾森制造五层极耳胶以外。一般极耳胶由中间骨架层及两表面改性PP层构成,两表面的改性PP材质相同。日立和腾森为了追求超高的粘合层与金属带的粘合强度,两个表面的改性PP材质不同,一面是亲金属性改性PP,另一个表面是亲塑性改性PP。这种极耳胶,制作极耳时一旦极耳胶表面用反了,则必定会造成电芯漏液气胀事故。


目前国内市场上,极耳制造所使用的极耳胶分为白胶、黑胶、黄胶和单层胶。其中高端电芯客户大多采用单 层凸版80μm和50μm白胶。一般中低端客户采用DNP黑胶和DNP黄胶。三层结构的白胶在日本和韩国大量采用。单层白胶在日韩电芯公司用的极少,基本都用三层结构白胶。国内较高端的电芯公司也在逐步采用三层结构的白胶。

4.2 各品牌极耳胶性能

DNP黄胶结构为中间功能层UHR(为无纺布结构),表面两层为改性PPa。

UHR层厚度为14g/m²≈12μm,表面改性PPa厚度为44μm。

UHR熔点为310~340℃,PPa熔点为147℃。     


黄胶极耳有分层的危险。但黄胶极耳的封装条件比白胶容易调节。前期日本极耳胶供应商也提到黄胶的不足,表现为3点:    

1)极耳胶是由中间一层UHR和表面两层改性PP胶热压在一起的。 

2)中间层无纺布,水分会从无纺布中通过毛细管渗透作用引入到电池内部,使得电池发鼓气胀。   

3)无纺布容易分层,热压效果不好,电芯使用时间或搁置时间长了容易造成漏液。


DNP黑胶结构为中间功能层PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)薄膜,表面两层为改性PPa。PEN层厚度为12μm,表面改性PPa厚度为44μm。PEN熔点为265℃,PPa熔点为147℃。黑胶其功能层PEN和PP层为不同物质复合,存在分层风险,高端客户一般不采用此胶。

白胶

白胶又分为单层白胶、三层白胶、五层白胶。


单层白胶一般由一层改性PP构成,类似于初期的铝塑膜内层,熔点在140℃以上,与铝塑膜的内层CPP熔点接近。


三层结构白胶表面两层改性PP和中间骨架层PP经共挤制得,不存在分层风险,高端客户及动力电芯一般都采用此类极耳胶。

5.各种极耳胶性能比较


5.1 黄胶极耳和黑胶极耳的比较


5.2 黄胶极耳和白胶极耳的比较


5.3 白胶极耳和单层白胶的比较

5.4 三层白胶极耳和三层或五层白胶(分正反面)极耳的比较


5.5 日立三层白胶和单层白胶

5.6 日立三层白胶和单层白胶DSC图

6.1 电池极耳生产流程(白胶)


6.2 动力极耳金属带削边处理


动力极耳的金属带厚度超过0.2mm时,其台阶厚度超过PP胶厚度,则金属带需做侧边削边处理,否则易导致绝缘阻抗降低、产生胀气漏液的风险。

7.电池极耳的测试


7.1 电解液浸泡后渗透测试

7.2.1 电解液浸泡后热封强度测试




7.3 弯折测试

厚度<0.2mm时:铝、镍Tab≥7次;镀镍铜≥6次;

厚度≥0.2mm时:铝、镍、镀镍铜Tab≥5次;

符合EV动力应用的耐震、耐疲劳韧性测试。

7.4.1 铜镀镍动力极耳——镀层密着性测试

要求:镀层无发黑。

长时间大电流、行驶震动等情况下镀层性能不足时会:

电芯内部——镀层脱落至极片——微短路——自放电;

电芯外部——PACK焊接处镀层松动——接触内阻变大——or焊接处脱落。

7.4.2 金属极耳导体关键参数对比


7.5 盘式极耳——胶块脆化程度测试


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