電芯設計過程是一個複雜的系統化工程，設計工程師們通常采用自外而内的逆向設計思維，即以客戶的尺寸需求和性能需求為導向，以電化學體系工藝窗口為基礎，以成本控制為重要目标進行設計開發。

要想深入挖掘電芯設計的“核心價值”，則必須充分理解其設計邏輯。鑒于此，筆者整理了常見的電芯設計要素并對其進行解析，以加深對電芯設計過程的理解。

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Ǿ1：尺寸設計-厚度 Thickness

電芯厚度設計與客戶要求的電芯出貨态SOC密切相關，即不同SOC下正極片和負極片反彈存在差異（正極片和負極片反彈詳見反彈設計章節）。

因此，在進行厚度設計時，首先要明确電芯出貨态SOC（通常是60%SOC或30%SOC航空标準），确認SOC後再對電芯進行厚度分解。

以下圖所示的雙錯位卷繞結構（疊片結構類似）為例，根據設計表已知如下信息：

對組成電芯最終厚度的各要素進行逐層分解：

①正極料區層數：負極層數 1=36層

（包括33層雙面，3層單面）

厚度=（33*2 3）*0.036*1.03=2.559mm；

②鋁箔層數：負極層數 1=36層

厚度=36*0.012=0.432mm；

③負極料區層數：35層（包括34層雙面，1層單面）

厚度=（34*2 1）*0.039*1.18=3.175mm；

④銅箔層數：35層

厚度=35*0.008=0.28mm；

⑤極耳層數：1層

厚度=0.1mm；

⑥膠紙層數：2 2 1=5層（2層極耳膠，2層極片膠，1層收尾膠）

厚度=5*0.016=0.08mm；

⑦鋁塑膜層數：2層

厚度=2*0.111=0.222mm。

電芯出貨态厚度=

2.559 0.432 3.175 0.28 0.888 0.1 0.08 0.222=7.736mm。

假設電芯厚度曆史COV能力可以滿足1%，則電芯3σ能力（3σ被認為是合格質量水平）：

3σ=3*7.736*1%=0.232mm

最終電芯厚度範圍為：7.504~7.969mm，客戶要求≤8.0mm，滿足要求。

Ǿ2：尺寸設計-寬度 Width

若電芯為卷繞結構，則其寬度設計與出貨态SOC有一定關系，若電芯為疊片結構，則其寬度設計與出貨态SOC關系不大。

在進行寬度設計前，還要确認電芯折邊方式，雙折邊/單折邊對電芯寬度影響可能不同。

• 雙折邊：通常是動力電池采用的折邊方式，可以保留更多的有效封印區，封裝更加可靠；
• 單折邊：通常是3C電池采用的折邊方式，更有利于節約寬度方向空間，提升體積能量密度。

除此之外，還需要了解鋁塑包裝殼成型過程：顯然地，電芯寬度方向還包括一個凸模R角和一個凹模R角（R角主要是為了避免應力集中導緻鋁塑膜破損）。

為了避免電芯折邊時鋁層破損，寬度方向還需要預留未封區，即封印距電芯主體的距離（通常為1.0~1.5mm），如下圖所示，如果沒有預留未封區，PP溢膠後極易導緻折邊時鋁層破裂。

綜上所述，電芯寬度設計需要考慮的因素有JR（卷芯）本體寬度、鋁塑膜厚度、鋁塑膜凸模R角和凹模R角設計、未封區寬度、折邊方式等。

Ǿ3：尺寸設計-長度 Length

電芯長度設計與寬度設計推算邏輯類似，但細節方面存在一些差異性。

首先看一下電芯長度方向示意圖，其組成包括：

1. “狗耳”；——電芯頂封和側封交界處溢膠嚴重，多餘的PP熔膠露出鋁塑膜邊緣；
2. 頂封外未封溢膠區；
3. 頂封區；
4. 頂封内未封區；
5. 鋁塑膜；
6. 鋁塑膜凸模和凹模R角；
7. JR（卷芯）本體長度；
8. “狗腿”；——無底封的電芯雙坑間拉伸嚴重，合蓋後形成尖角突起。

在長度設計過程中綜合考慮以上因素，從而可以避免電芯超長導緻客戶無法進行裝配的風險。

大緻的推算邏輯為：

→客戶要求電芯長度；

→确認頂封寬度；

→确認鋁塑膜厚度；

→開模設計R角參數；

→頂封内未封區寬度；

→“狗耳”和“狗腿”設計；

→确認鋁塑膜内腔可用長度；

→确認隔膜寬度。

Ǿ4：面密度設計 Coating Weight

降低面密度是設計高倍率電芯最快速有效的方法，增加面密度是設計高能量電芯最快速有效的方法。

極片面密度越小對應的厚度也更薄，減小了Li 的擴散距離，使擴散更快速，可以有效降低濃差極化，同時Li 循環脫嵌對材料結構的破壞也更小。

不同面密度下LCO電池的快充性能

理論上說，面密度越小越有利于倍率性能，但在面密度實際設計時通常有個下限值的約束（正極面密度≥8.0mg/cm2，負極面密度≥4.5mg/cm2），這是因為當面密度小到臨界值時，漿料中的大粒徑顆粒無法通過塗布機模頭，導緻産生顆粒劃痕、極片輥壓亮點等嚴重影響電芯性能的異常問題。

消費類電池面密度設計參考表——石墨

Ǿ5：壓實設計 Press Density

塗覆後的極片需要進行輥壓處理減薄極片，從而大幅提升電池能量密度，并且通常認為正負極材料還具有一個最佳性能的壓實密度。

不同負極片壓實的循環曲線

（黑線1.6，紅線1.7，綠線1.8）

壓實過高：材料組分的粒子間距離更小，接觸更緊密，有利于提升電子導電性，但極片孔隙率快速下降，吸收電解液困難，不利于Li 的快速脫嵌，容易析锂；

壓實過低：材料組分的粒子間距離更大，離子通道增加，有利于Li 的快速脫嵌，但粒子間的接觸面積變小，不利于電子導電，極化增大。

常用材料體系的壓實設計範圍

對于能量型電芯（≤3C）通常采用大粒徑材料，壓實設計也相對更高，而對于功率型電芯（＞3C）一般采用小粒徑材料，同時壓實設計也相對更低。

消費類電池壓實密度設計參考表——石墨

Ǿ6：壓延設計 Extension

極片輥壓時，金屬集流體鋁箔和銅箔會發生延伸，即極片在輥壓後會變長。

通常，極片MD方向（垂直輥）延伸率較大，而極片TD方向（平行輥）幾乎沒有延伸。

正、負極在不同壓實下的延伸率

由于壓延的存在，輥壓後面密度與塗布的面密度具有差異性，這種差異性可能導緻設計NP和容量發生變化。

根據容量不變原理：

因此，進行NP設計和容量設計時，需要對面密度進行修正，一般采用輥壓面密度來計算。

Ǿ7：反彈設計 Swelling

反彈設計對電芯裝配過程和成品厚度至關重要，如果裝配過程反彈設計不準确可能導緻電芯外觀不良，産生報廢品，如果成品厚度反彈設計不準确，可能導緻電芯超厚或超薄，不滿足客戶要求。

極片物理反彈與材料物性、輥壓方式、壓實密度、極片存放時間（一般輥壓後存放兩天開始變得穩定）等有較大關系，通常可以參考下表設計：

不同壓實下極片物理反彈

充電态極片反彈與SOC強烈相關，SOC越大，石墨負極片厚度膨脹越明顯，反彈範圍在11~31%，而正極材料結構相對較穩定，不同SOC下，正極片反彈變化相對較小。

不同壓實和SOC下充電反彈

Ǿ8：NP比設計 Negative/Positive

NP比又稱CB值（Cell Balance），通俗的理解就是負極過量比例，通常要求理想狀态下NP比≥1，否則Li 從正極脫出後無法全部被負極接納，多餘的Li 在低電位下析出在負極表面，會嚴重惡化電池性能和安全特性。

其計算公式為：

那麼，公式中的克容量是指放電克容量還是充電克容量呢？目前多數電芯廠家為了更方便核算電芯設計容量，基本都是按照放電克容量計算NP比，因此出現了LCO、LFP、NCM體系需要按不同NP比設計的說法，如下表：

常用材料體系的NP比設計

（按首次放電克容量計算）

造成這種差異的原因是這三種材料的首次效率不同（LCO 94%~96%，LFP 95%~97%，NCM 85%~88%），實際上，如果按照首次充電克容量來設計NP比，則可以統一NP比标準≥1.03即可，因此，在進行NP比設計時必須要考慮材料首次效率以防止析锂。

通常，正負極材料首次效率均小于100%，即在嵌锂和脫锂過程中存在容量損失，正極材料的容量損失主要是結構變化導緻，負極材料的容量損失主要是形成了SEI膜。

如下圖，揭示了正極首效和負極首效的三種相對情況：

①正極首效＜負極首效，負極脫出的Li 無法被正極完全接收，餘下的Li 保留在負極；

②正極首效=負極首效，Li 被完全利用，這是一種理想的情況；

③正極首效＞負極首效，負極脫出的Li 被正極完全接收，且正極還有多餘的嵌锂空間。

由此得到一個結論：全電池首次效率與正極材料或負極材料首次效率較低者相等。

搞清楚首次效率之後，我們來舉一個實例說明（NCM Gr體系）：

放電NP=（350×9.6×94.8%）/（190×15.0×97.8%）=1.14

充電NP=（355×9.6×94.8%/92%）/（204×15.0×97.8%/89%）=1.04

充電NP比≥3%認為是合理的設計，電池在首次充電過程析锂的風險較小，對應的放電NP比為1.14。

以上，充電NP比隻是考慮了首次析锂問題，但随着循環的進行，正負極材料容量衰減很難保持一緻，所以，最終NP比的确定還需要考慮正負極材料的衰減情況，如下圖：

①正極衰減更快的情況：随着循環進行，析锂風險持續降低，應适當降低初始NP設計，讓正極處于淺充放狀态；

②負極衰減更快的情況：随着循環進行，析锂風險持續增加，應适當提高初始NP設計，讓負極處于淺充放狀态。

Ǿ9：極耳過流設計 Tab Design

锂電池極耳材質通常是Al、Ni、Cu（或在Cu表面鍍鎳）。

極耳過流設計通常是根據焦耳定律确定：

換算後，極耳橫截面積：

式中：

S——極耳橫截面積，單位mm2；

I——電流，單位A；

ρ——電阻率，單位Ω·mm；

t——持續通電時間，單位s；

C——極耳比熱容，單位J/kg/℃；

∆T——溫升，單位℃；

R——電阻，單位Ω；

m——極耳質量，單位kg；

L——極耳長度，單位mm；

ω——極耳密度，單位kg/mm3。

常用極耳材質信息

以1Ah電芯為例，理想狀态下，不同倍率下的極耳設計如下表：

需要注意的，極耳在産熱的同時也在散熱，并且随着溫升增加，電阻率也會發生變化，所以上表計算的Al、Ni、Cu極耳橫截面積是一個比較“寬松”的标準，電芯實際設計時，極耳的過流能力比上表計算值高得多。

通常可以參考如下經驗值進行設計：

Ǿ10：熔膠設計 PP Melted

在介紹熔膠設計之前，先簡單介紹軟包鋁塑膜的兩種封裝方式：軟封和硬封。

• 軟封：在金屬封頭内部嵌入一根可變形的矽膠條，封裝非常簡單高效，整個封頭是平直的，不用考慮槽位壓極耳的問題，但這種封裝方式容易熔膠不良導緻漏液，且負極耳接觸鋁塑膜Al層導緻腐蝕的風險也較高；
• 硬封：在金屬封頭表面開設極耳槽位，這種封裝方式的熔膠非常均勻，漏液和腐蝕的風險較小，但對極耳相對位置的控制要求較高，且封頭需要定制不具有普适性。

無論軟封還是硬封都是通過熔膠實現密封功能，熔膠設計包括雙層鋁塑膜熔膠設計和極耳位置熔膠設計。

雙層鋁塑膜熔膠設計涉及的工序包括：

1、側封Side sealing，2、預封Vacuum sealing，3、二封Degassing

極耳位置熔膠設計涉及的工序包括：

4、頂封Top sealing

通常而言，鋁塑膜PP層和極耳CPP層熔膠比例為15%~55%為宜（優選30%~40%），熔膠設計結果将為封頭尺寸設計提供參考。

雙層鋁塑膜熔膠示意圖

極耳位置熔膠示意圖

Ǿ11：注液量和保液量設計 E.L. Injection and Retention

注液量和保液量通常是根據電芯極組孔隙确定的，首先确定理論保液量（電芯極組孔隙×電解液密度），再根據理論保液量确定注液量，基本原則是：在浸潤充分的前提下盡可能降低電解液用量。

1）首先是理論保液量計算

計算理論保液量的本質就是計算電芯極組孔隙。電芯極組孔隙包括正極片孔隙、負極片孔隙、隔膜孔隙、Overhang孔隙等。

• 正極片孔隙和負極片孔隙與材料真密度和注液時的壓實密度有關。

根據體積不變原理，首先計算塗層平均密度，計算公式為：

然後計算塗層孔隙率，計算公式為：

常用材料的真密度表

• 隔膜孔隙與隔膜體積、孔隙率有關，此處不再贅述。
• Overhang孔隙與S-A overhang，A-C overhang以及正極片、負極片、隔膜厚度有關，此處亦不再贅述。

通常保液量範圍是1.0~5.0g/Ah，與材料物性和工藝設計關系較大，即使是相同的材料體系也不可一概而論。

2）根據理論保液量确定注液量

注液量通常按照以下經驗公式确定：

注液量=理論保液量×1.06

根據經驗公式進行首次驗證後，需要進行注液量梯度實驗，驗證化成後電芯界面是否正常，二封抽氣失液量是否達标，電芯循環是否滿足要求等，直到探索出性價比最高的注液量值。

Ǿ12：容量設計 Capacity

在進行容量設計之前首先要明确容量測試标準：電壓範圍、測試溫度、放電倍率都會影響電芯容量測試結果。确認以上因素的影響後，根據如下公式計算容量：

電芯容量=正極克容量×塗覆面密度×正極有效塗覆面積×正極配方Loading

電芯容量計算公式揭示了影響電芯容量的因素，對分析電芯容量的異常發揮具有重要的指導意義。

假設需要設計一款容量1510mAh電芯，已知如下信息：

第一種方法：按照理想情況計算理論容量

理論容量

=182×7.3×（55×2178.5）×98%/100000=1560.1mAh

根據曆史數據推算COV能力（COV變異系數=σ标準差/μ均值），假設容量COV可以滿足≤1%，并且通常3σ能力被認為是合格質量水平（不良率≤0.03%）

3σ=3×1560.1×1%=46.8mAh

容量分布範圍1560.1±3σ=1513.3~1606.9mAh＞1510mAh，滿足容量設計要求。

第二種方法：模拟容量分布

根據公差控制标準，分别生成正極克容量、正極面密度、正極片寬度、正極片長度（雙面）、正極配方Loading的随機正态數列。

生成随機正态數列的公式為：

根據生成結果計算容量，然後繪制分布圖：

從圖中可以直觀的看到，容量最小值1517.5mAh，最大值1596.9mAh，容量CPK能力1.49＞1.33，滿足容量設計要求。

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