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。
正极材料选用尖晶石材料LiNi0
Mn1。5O4。镍锰酸锂(化学式：LiNi0.5Mn1.5O4），尖
。5
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XNN22 XNN66 XNN79
粒径/um 1～2 4~6 10～15
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N/A
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 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LiM X Mn2—X O4（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
丙酮回收>IKRTV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
阻塞密度
。
Mn1.5O4为正极材料时，其充放电原理为：
5
防静电鞋正极反应:LiNi0
Mn1.5O4== Li1-X Ni0。5Mn1.5O4 + xLi+ + xe-
。5
负极反应：6C + 2Li+ + 2e- == Li2C6
电池总反应：2LiNi0.5Mn1。5O4 + 6xC == 2Li1-X Ni0。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25MPa2MPa、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·c m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： 分子筛膜△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.
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