锂离子电池的电芯设计流程及考虑因素

在“双碳”目标推动下，新能源产业迎来爆发式增长，锂离子电池作为核心储能部件，性能直接决定终端产品的竞争力。作为锂离子电池的核心单元，电芯设计需覆盖需求定义、材料选型、结构优化至测试验证的全链条，既要平衡性能、安全、成本与工艺适配性的多维度诉求，也要匹配不同场景的差异化需求，是锂电技术转化为实际应用的关键环节。美能锂电在电芯设计领域的实践中，基于场景需求构建设计逻辑，下文将为大家详细解析。

锂离子电池电芯设计流程

Millennial Lithium

1.需求分析

按应用场景量化设计指标：消费电子需轻量化、快充，容量1000-5000mAh、内阻 < 50mΩ；动力电池（电动车）需循环寿命≥1500 次、重量能量密度≥180Wh/kg、宽温域 - 30~60℃，且符合高安全标准；储能系统侧重低成本，循环超5000 次、自放电率 < 2%/ 月。

2. 材料选型

正极：LFP（热分解 > 200℃、低成本）适配安全需求，NCM811（能量密度 > 200Wh/kg）适配高续航；

负极：人造石墨（循环> 1500 次）稳定性强，硅基（4200mAh/g）需碳包覆缓解膨胀。

电解液：快充用高浓度LiFSI（导电升 30%），低温加 VC；

隔膜：湿法（热关闭70-120℃）重安全，干法（成本低 30%）重经济。

3.结构设计

不同形态锂离子电池的电芯结构设计

锂电池的电芯结构设计需核心解决两个问题：电芯做成什么外形才能适配终端设备；用什么工艺步骤把极片、隔膜等材料组装成电芯，同时保证性能和安全。本质是按需定制+ 精细做工，需根据设备需求选对电芯形态（圆柱适配消费电子、方形适配电动车、软包适配异形设备），再用精准工艺（控制固含量、张力、化成电流、老化条件）把材料组装成稳定工作的电芯。

4. 测试验证与优化

性能测试：常温0.2C 验容量、1C-5C 验倍率、1000 次循环容量保持率 > 80%；

安全测试（GB/T 31485 等）：过充、穿刺、热冲击无事故；

一致性：容量偏差< 3%、电压偏差 < 50mV。依结果优化（如容量不足加正极材料），最终输出量产方案（BOM、SOP 等）。

电芯通用设计与考虑要素

Millennial Lithium

无论锂离子电池采用铁锂还是三元体系，是能量型还是高功率型，均存在共性设计要求，主要从设计与工艺两方面梳理，核心包括Overhang 设计、N/P（CB）设计、容量设计及过流设计，其中Overhang 与 N/P 设计对安全和性能至关重要。

1.Overhang 设计

电芯Overhang 设计的重要性

锂电池充电时，正极电子经外电路流向负极，锂离子则从正极活性物质进入电解液，穿过隔膜孔隙迁移至负极，与电子结合后嵌入负极活性物质。若负极无足够嵌入空间，锂离子会在表面析出形成锂枝晶，刺穿隔膜引发内短路及热失控。因此，设计中需让负极极片的长度与宽度略大于正极，多出的尺寸即为“Overhang”。

设计Overhang 时需要考虑的因素

Overhang 并非越大越好，拆解满充电池可见，负极Overhang 区域也会嵌锂，说明锂会向负极边缘扩散，Overhang 越大，可逆锂损失越多，电芯首次充放电效率（首效）越低。同时需考虑生产工艺能力 —— 卷绕或叠片时存在对齐偏差，结合行业实践，Overhang 通常设计为 4~6mm，兼顾安全防护、能量密度与工艺可行性。

2.N/P 值设计

NP比动态变化曲线

定义与公式：

N/P 比（Negative/Positive），指同一阶段、同一条件下，正对面区域的负极容量超出正极容量的余量。计算公式：N/P =（负极活性物质克容量 × 负极面密度 × 负极活性物含量比）÷（正极活性物质克容量 × 正极面密度 × 正极活性物含量比）

同一阶段：锂电池充放电分首次充电与放电阶段，对应不同克容量（首充时形成SEI 膜，导致首次充电容量＞首次放电容量＞老化后放电容量），需区分充电 N/P 比与放电 N/P 比，混用会导致设计失效。

同一条件：正负极克容量需在相同测试条件（温度、倍率、电压范围）下测定，条件不同会造成计算偏差。

正对面：需基于正对区域面密度计算，若极片弯曲（如圆柱电池），需通过曲率修正面密度数值，避免因“阴阳面” 影响结果。

设计N/P 时需要考虑的因素

首效影响：计算需覆盖导电剂、粘接剂、集流体等所有反应物质，但供应商提供的克容量多为活性物质半电数据，与实际全电池克容量存在差异，需纳入考量。

装配工艺：圆柱与方形电池N/P 比设计不同，核心因正负极片接触松紧度差异；同时，粉体与集流体的接触状态、粉体间紧密程度，也会影响克容量进而改变N/P 比。

化成工艺：不同化成参数会影响首效，间接改变克容量发挥，设计时需同步结合化成工艺方案。

循环寿命：若正极衰减快，N/P 比需设计偏低，让正极处于浅充放状态；若负极衰减快，则需提高N/P 比，减轻负极负荷。

安全性能：安全优先级高于循环寿命，若电芯预充时出现析锂发热，需重新核查N/P 比设计是否合理，避免安全隐患。

锂离子电池电芯设计是融合材料科学、工艺工程与场景需求的系统工程，每个环节既要依托技术迭代突破性能瓶颈，也要通过精细化设计保障应用可靠性，这一过程对推动锂电产业高质量发展具有重要意义。美能锂电在电芯设计中，结合实际应用场景需求优化设计方案，以设计实践为行业提供技术支持，助力锂离子电池在多领域的高效应用。

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