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内容。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LiNi0.5Mn1。5O4。镍锰酸锂（化学式：LiNi0.5Mn1。5O4)，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 粒径/um
振实密度/(g/cm3） 比表面积/(m2/g) 扣电容量/（mA/g.0.2C。3。5~5.2V） 2C/2C扣电容量 10C/10C扣电容量
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
N/A
XNN22 1~2
XNN66 4～6
XNN79 10~15
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LiMXMn2—XO4（这里0
，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 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2600m2/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LiNi0。5Mn1.5O4为正极材料时，其充放电原理为:
正极反应:LiNi0。5Mn1。5O4 == Li1—XNi0。5Mn1.5O4 + xLi+ + xe— 负极反应：6C + 2Li+ + 2e— == Li2C6
电池总反应:2LiNi0.5Mn1。5O4 + 6xC == 2Li1-XNi0.5Mn1。5O4 + xLi2C6 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。
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LiNi0。5Mn1。5O4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
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。
图4。2。1 搅拌器示意图
选择广州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
搅拌鼓形状：圆盘型 布局形式:立式
规格：60A
物料类型：液—液,固—液.固体颗粒.干粉。干粉-膏体.膏体
生产能力：60（L） 每次处理量范围：全部(L）
电机功率：5.5/7。5(Kw） 属性：属性值
作业方式：连续作业式 搅拌方式：行星搅拌 转速范围：0—100(r/min） 品牌:鸿方 型号：60L
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范围，即保证其在“涂布窗口”的临界区间之内 ,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 ，
保证涂布点片速度的稳定性 ，进而确保涂布纵向的均匀程度，在涂布机的关键部位设置自动纠偏装备，保证涂布时浆料能够均匀分布到极片之上，并确保留有均匀片边,以便在涂布工艺结束时可以获得边缘整齐的中间产品,为接下来的工艺流程创造优良的条件.
图4。3.1 涂布工艺基本流程图
图4.3。2 涂布机示意图
设备将涂布金属箔从放卷装备放出,置入涂布机，待金属箔的首尾在接片台处接
为一个连续带之后，拉片装置再将连续带供于张力调整与自动纠偏装备中，通过对片路张力及位置的调整，再正式到达涂布装置；在涂布装置中，相关设备按照涂布预定量以及空白区间用极片浆料实施涂布，设备在双面涂布的时候能够实现对正面涂布与空白长度的智能化跟踪。涂布工序结束后，把湿基片传入干燥装置开始干燥 ,具体温度按涂布的快慢与厚度设定。这一流程完成后,通过张力调整、自动纠偏两个工序之后实施极片收卷，为接下来的工艺做准备。
最后,涂布设备系统的安装调试。
涂布设备系统主要包括挤压式涂布机,电气控制系统，干燥通风系统等等，在安装完毕之后，再进行设备的试运行,机电联合试运行以及全系统联动试运行,在均达到设计及应用指标的情况下，进行锂离子电池涂布工艺的开展。
极片涂布机是极片制造工艺的关键工艺之一，影响涂布质量的因素很多，涂布头的制造精度,设备运行速度的平稳性以及运动过程中动态张力的控制,烘干过程风量风压大小及温度曲线控制都将影响涂布质量.
选择涂布机,涂布速度 8 - 10m/min，烘干区间 30 - 40m
随着近几年的不断研究,对烘干方式及风量大小、风压大小对涂布质量的影响有了进一步的认识，烘干温度曲线不同的参数将影响电池极片材料的微孔架构。因此出现了低温逐步烘干的设计思路，同时，对极片在烘箱内的状态也进行了研究。 日本机型中，烘干方式上采用上下进风、侧回流的“悬浮式\"烘干方式,避免极片在箱体内的磨擦；在涂布方式上采用喷涂方式 (Slit Dia）,以保证涂布的均匀性，该项技术国内厂家尚未拥有,是今后国内厂家需要研究的课题.目前，在转移涂布方式上存在控制刮刀辊升降和控制涂辊与背辊差速来消除间隙涂布产生的起始与结尾高点的两种方式。动力电池极片对涂布质量提出了更高的要求，因此必须加强对如下技术的研究 ： △浆料粘度与涂布速度，烘干温度曲线的关系 ； △设备运行过程中运行速度偏差和动态张力的控制 ； △涂布方式如:转移涂布技术、喷涂技（Slit Dia )
△ 烘干方式和烘干温度曲线风量风压对涂布质量的影响 ； △全自动总线控制技术 ；
△新材料、新工艺在本设备的关键部件的应用。
成功解决极片浆料涂布的关键之一是选择合适的涂布方法。锂离子电池极片涂布的特点是：双面单层涂布;浆料湿涂层较厚 (100～300μm）；浆料为非牛顿型高粘度流
体;涂布支持体为厚度 10～20μm 的铝箔或铜箔，但极片涂布所特有的要求必须有特殊的技术才能解决。
涂布机构主要由涂布辊、背辊、刮刀辊以及其各自驱动系统组成。涂布辊、背辊的传动系统由于其提供速度的不连续会导致涂布精度下降。为满足非常精确的涂布要求，涂布辊、背辊的驱动需要技术性能稳定可靠、动作灵敏、精度高的电机来担当.国外设计中，均采用带有精密行星减速器的伺服电机对涂布辊、背辊直接驱动。伺服电机是把输入的信号变为转轴的角位移或角速度输出，转轴的转向与转速随信号的电压方向和大小改变 （脉冲形式）。因此，伺服电机的电源波动也能够影响涂布精度，普通单相可控硅整流电源在低速涂布时有非常高的波动容量，这种波动将大幅度降低涂布质量。因此，电源波动可采用三相可控硅整流、脉宽限制（PWM ）电源或伺服控制器来降低。
选择苍南奔泰机械有限公司生产的涂布机。售价258000.00/台具体参数如下
放卷直径：1200（mm） 重量：15000（kg） 复合层数:2（层） 机械速度：100（mm) 电源：380
加工定制：是 类型：复合机 最大原料宽度：1150 品牌：奔泰
外形尺寸:1600*28000*4500（mm）
复合宽度：1100（mm） 最大原料直径：1200 收卷直径：600（mm） 总功率:1200（Kw）
4。3正负极片的滚压
锂离子动力电池工艺要求， 极片的轧制工序要解决以下技术问题： △降低极片在轧制过程中的延展率，并减少微孔架构的破坏 ; △轧制后提高极片表面材料的密实度,并保证极片轧制后平整度 ； △减少极片在轧制后表面材料的反弹；
国内外主流设备均采用极片连续轧制的方式，即放卷（含自动纠偏 ）、切边 (含除尘）、滚压和收卷的极片密实方式。部分工艺需要加热,由于轧辊加热后变形不易受控，因此在极片进入轧辊之前可采用烘箱加热的方法对极片进行预热， 国外也有用油加热过辊对极片进行加热的方法。
动力电池极片滚压机主流机型应为辊径800～1000毫米,辊面宽度600~700毫米，
最大轧制压力200～300 吨，极片轧制速度大于12～15米/分钟。轧辊为硬度大于HRC64 的微米级高精度电镀镜面复合辊.在负荷走车时对主机牌坊的弹性形变和振幅均要严格的控制。采用大辊径滚压机主要是减小极片在滚压密实时的压入角，以接**压，减低极片的延展率,保护极片涂层材料的孔架结构不被破坏、注液后极片不反弹、不掉粉，同时也避免后到分切工序时极片因为应力释放产生蛇形、翻转等现象。
4.4极片切片
切片主要完成按电池规格，对经过碾压的电池极片进行分条的工序。目前电池电芯的制造工艺主要有卷绕和叠片两种工艺方法，对极片的主要技术要求是分条后的极片不能出现褶皱、脱粉,分条尺寸精度高等,同时极片边缘的毛刺小，否则在毛刺上会产生枝晶刺破隔膜，造成电池内部的短路.只有达到工艺要求，才能为下一道电芯的制作提供保障。
目前国际上主流机型为日本西村专门为电池极片分条开发的机型。该机型实现了自动分切及除尘的功能，并配有自动放卷、纠偏、张力控制、自动收卷、切刀系统、控制系统，基本满足电池工艺的要求.今后发展液压缸负载的趋势必须要求对如下关键技术做进一步的研究 ： △对极片边缘的毛刺控制技术； △对极片运行过程中的张力控制；
△由于极片分切对切刀的磨损，因此对分切刀片材料及加工工艺的研究 △设备的全自动控制技术.
选择东莞市大朗全荣机械生产的切片机售价为70000元/台。具体参数如下：
型号
XR-550FA/550FM
裁剪长度 0。1-9999.9mm
电压 220V
裁剪宽度 1-580mm 净重/毛重 320kgs/450kgs
动力 1。5HP 装箱
1700＊1320＊1450mm
4。5电池的化成
化成是锂电池生产过程中的重要工序，化成时在负极表面形成一层钝化层，即固体电解质界面膜(SEI膜）,SEI膜的好坏自接影响到电池的循环寿命、稳定性、自放电
性、安全性等电化学性能，满足二次电池密封“免维护”的要求，而不同的化成工艺形成的SEI膜有所不同，对电池的性能影响也存在很大差异。传统的小电流预充方式有助于稳定的SEI膜形成，但是长时间的小电流充电会导致形成的SEI膜阻抗增大，从而影响锂离子电池的倍率放电性能,过程时间长影响生产效率。
图4。6。1 电池化成装置示意图
取同一批次注液后的40Ah电池12块，分成四组,分别标注为A—1,2,3，B-1，2，3，C—1,2，3，D—1,2,3在化成机上四组化成工艺如表5所示。
表4。6.1 化成工艺
电池标号 A—1 A—2 A-3 B-1 B-2 B—3 C—1 C-2
工艺内容
（1) 0.1C恒流充电至4。2V
（2） 4.2V恒压充电至电流为1000mA （3) 静置20分钟
(4） 0。1C恒流放电至2.5V （1） 0。05C恒流充电至2。7V （2) 0。3C恒流充电至3。7V
(3) 3。7V恒压充电至电流为1000mA （4） 静置20分钟 (5) 0.1C恒流放电至2.5
（1) 0。1C恒流充电至电池荷电量的0.65，需时6。5h （2) 静置20分钟
C-3 D-1 D-2 D—3
(3） 0.1C恒流放电至2.5V （4） 静置20分钟
（5) 0。1C恒流充电至3。7V （6) 3。7V恒压充电至电流为1000mA （7） 静置20分钟 (8） 0.1C恒流放电至2.5V (1) 静置20分钟
(2） 0.1C恒流充电至电池荷电量的0。65，需时6.5h (3) 静置20分钟
(4） 0.1C恒流放电至2.5V (5) 循环1次
表4。6.2 化成时间数据
化成工艺
1 2
电池标号 A—1 A—2 A—3 B—1 B-2 B-3
3
C—1 C—2 C—3
4
D-1 D-2 D-3
化成时间/h 28。5 28.3 28。6 18.4 18.5 18.7 38。7 38。1 38。4 25。4 25.6 25。5
25.5 38。4 18.5
化成平均时间/h
28.5
由表3数据可以看出，化成工艺2需时最短，比化成工艺1约短10小时；化成
工艺3需时最长,比化成工艺1长约10小时；化成工艺4比化成工艺1约短3小时。通过对比以上数据，化成工艺2和4对生产效率的提高比较显著.因此选择化成工艺2.
选择新威高精电池测试仪BTS—3000-5V3A,60000。00元/台
5 结果汇总
表5。1 生产主要设备
工序 正极浆料搅拌 负极浆料搅拌 正极涂布 负极涂布 正极辊压 负极辊压 分条 裁片 焊接 卷绕 真空干燥 注液 化成 Pack 包装
设备及设施名称 行星搅拌机 行星搅拌机 涂布机 涂布机 连续辊压机 连续滚压机 自动分条机 裁片机 超声波焊接机 自动卷绕机 真空干燥机
60L 60L 600mm 600mm
600mm＊600mm 600mm＊600mm 35米速度：600mm宽 250mm/second 正负极
规格
数量 1 1 1 1 1 1 1 2 2 4 4 2 10 2 1
金额（万元） 10.8 10.8 25.8 25.8 55 55 60 14 28 80 3．2 3 60 24 1.5
注液机 化成机 Pack流水线 打包机
表5.2 正负极材料
正极材料 负极材料
镍锰酸锂（LiNi0。5Mn1.5O4）
石墨烯
设备投资及安装费总共700万元。年形成300万Ah动力电池的规模，年营业额为250万元，年利润为150万元。据公司可行性研究报告，此项目具有重大的战略意义：减少对石油的依赖,改善国家能源消耗结构,提高国家能源安全；可有效控制和改
善城市大气环境与噪音污染;为中国新能源汽车工业追赶世界先进水平提供良好契机。项目符合中国能源发展的要求达到节能评估报告,项目旨在充分发挥公司的资源、技术与市场优势，合理推动锂离子动力电池产业结构，为推动中国能源经济稳定、健康发展做出贡献。
6课程设计体会
课程设计从电池正负极材料的选择，生产工艺的确定和市场评估，都是我们通过
查阅文献获得.将我们学习的知识用于实践,加深知识理解。是工作前一次重要的实战演练。通过这次课程设计我也发现了自身存在的不足之处，虽然感觉理论上已经掌握，但在运用到实践的过程中仍有意想不到的困惑，经过一番努力才得以解决。这也激发了我今后努力学习的兴趣，我想这将对我以后的学习产生积极的影响。通过这次设计，我懂得了学习的重要性，了解到理论知识与实践相结合的重要意义，学会了坚持、耐心和努力,这将为自己今后的学习和工作做出了最好的榜样。
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