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浅析锂离子电池在电动汽车中的应用

摘要：随着中国的快速发展，对能源的需求越来越大，而目前面对着能源紧缺和环境污染的日益严峻问题，特别是近年来各地出现的雾霾天气，给中国的可持续发展敲响警钟，为了减少对汽车等交通工具的石油消耗和尾气排放，以锂离子电池新能源材料为动力的电动汽车成为了研究主流方向，而开发出能量高，比功率大，使用寿命长，成本低的锂离子电池则是电动汽车的关键。本文简单介绍了车用高功率里离子电池的电性能、安全性以及电池工作原理等设计制造方面的初步知识。
关键词：电动汽车；锂离子电池；工作原理；发展
Abstract: with the rapid development of Chinese, demand for energy is more and more big, and now facing the increasingly serious problem of energy shortage and environmental pollution, especially the emergence in recent years the haze weather, sounded the alarm to the sustainable development of China, in order to reduce the oil consumption of vehicles and emissions, to the new energy materials for lithium ion battery powered electric vehicle has become the research direction of the mainstream, and developed a high energy, high specific power, long service life, low cost of the lithium ion battery is the key of electric vehicle. This paper briefly introduces the preliminary knowledge of design and manufacturing of high power Li ion battery for vehicle electrical performance, security and other aspects of the work principle of battery.
Key words: electric vehicle; lithium ion battery; working principle; development
绪论:在电池的过去数十年发展中，包括：铅酸、镍镉、锂离子、锌空气及氢氧燃料电池等，每一种电池皆有其特性。但是考虑到电动汽车所需的安全性、高容量、高能量密度以及使用寿命，使得锂离子电池在电动汽车上的应用推动了其向安全、环保、低成本及比能量高的方向发展。现在对锂离子电池性能提高和使用技术的研究已成为动力电池研究的重点和前沿。
除了锂离子电池本身所具有的优势性能外，我国还有以下有力的条件：第一，资源优势。锂离子动力电池的主要原材料锂、锰、铁、钒等在我国都是比较丰富的；第二，技术优势。我国的小功率锂离子电池早已实现产业化，形成了上下游结合的完整产业链，电池产量超过世界市场的三分之一，锂离子动力电池技术已经达到国际先进水平，产业化条件也基本成熟[1]。
因此，无论是锂离子电池本身优势的特点，还是我国目前的现状，发展锂离子动力电池都将是我国电动汽车的明智之选。
1锂离子电池的发展现状
电池是电动汽车的核心部件，很显然，氢镍电池和锂离子电池将是电动汽车的主要动力电池，锂离子电池是世界上最新一代的充电电池，它的负极是碳素材料，正极是含锂的过渡金属化合物LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等，电解质是锂盐的有机溶液或聚合物[2]。充电时，正极中的锂离子脱离LiCoO2、LiFePO4晶格,经过电解质运嵌入电池的碳材料负极，放电时则相反。
目前，锂离子电池行业结构发生重大调整，汽车工业要求锂离子动力电池的寿命比小型电池长两倍以上，成本降百分之五十，单体容量增加10倍以上，生产规模增加几十倍甚至上千倍。动力电池的产业化正伴随着材料、工艺和装备的重大革新开始起飞，传统的钴基氧化物正极材料正在被成本更低、安全性好的锰基氧化物和磷酸盐材料取代，用于小型电池的电极制备工艺也将逐渐被高效、低能耗和污染小的新工艺所取代，大型动力电池的散热和高功率输入/输出要求使电池结构从卷绕式圆柱型走向叠片式方型,相应的材料制备技术、电池制造技术、工艺和装备正在不断地创新和深入发展。
2锂离子电池的基本原理
锂离子电池按照外形形状可以分为方形锂离子电池、圆柱形锂离子电池；按照锂离子电池正极的材料不同可以分为锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍钴锂离子电池、镍钴锰锂离子电池等[3]。
2.1 锂离子电池的工作原理
锂离子电池是以锂离子嵌入化合物为正极材料的电池的总称。锂离子电池充放电过程的基本电化学反应式为：
正极 LiCoO2→Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-

负极 6C + xLi+ + xe-→LixC6

总反应 LiCoO2 +6C→ Li1-xCoO2 + LixC6
电池在充电时，锂离子电池从正极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜嵌入到负极中；放电时，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到正极材料晶格中。在整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间，所以锂离子电池又叫摇椅电池[4]。
2.2 锂离子电池的结构
锂离子电池主要由正负极集流体、正负极材料、隔板、电解液和安全阀等组成。电池的集流体既是与外电路的连接部分，也是正负极材料的载体。它本身是金属，电特性满足欧姆定律，可等效为一定阻值的纯电阻。在锰酸锂离子电池中，正极物质以锰酸锂为主要原料，在磷酸铁锂离子电池中，正极以磷酸铁锂主要原料，在镍鈷锰锂离子电池中，正极以镍鈷锰锂为主要原料。在正极活性物质中再加入导电剂、黏合剂等。负极活性物质是由碳材料与黏合剂的混合物再加上有机溶剂，涂覆在铜基上。正负极材料主要参与电化学反应的物质，它决定了电池的电压、容量等特性。电解液是电池的重要组成部分，它起着正负极之间传输离子的作用，它对电池的容量、工作温度范围、循环性能及安全性等都有重要的影响。它一般混合不同性质的几种混合溶剂。隔板一般具有渗透性，一方面它可以将电池的正负极隔开，另一方面它不会阻碍离子在其中通过。同时，它可以有效防止因外部短路等引起的过大电流而使电池产生异常发热现象。安全阀主要保证锂离子电池的使用安全性，有异常状况时切断。
3磷酸铁锂电池，铅酸电池，氢镍电池及锰酸锂电池的比较
磷酸铁离子电池是最近两年脱颖而出的橄榄石型锂离子电池正极材料，由Pahadi[5]首先提出将其用于锂离子电池正极材料，开始Li+在其界面上能可逆地进行嵌入/脱嵌，对应于Fe3+/Fe2+的互相转换，具有3.5V电势（vs.Li+/Li），且有较长的电压平台[6]，由于P-O共价键强度非常大，所以PO43-具有很高的稳定
3.1电压特性的比较
性，如抗高温和抗过充放电。
由于不同化学体系的动力电池单体额定电压相差较大，因此采用相近电压级别模块进行对比，均以 12 V 模块进行电压特征比较 铅酸电池采用 6 单体串联模块，氢镍电池采用 10单体串联模块，锂离子电池采用 3 单体串联模块。
图1中所示为不同体系的动力电池 12 V 模块开路电压VOC，可以看出其中铅酸动力电池 6 单体串联模块的开路电压与 SOC 之间的线性规律比较显著，电池 SOC 估计精度较高氢镍电池和磷酸铁锂离子电池则没有如此良好的线性对应规律，这对通过反插来进行电池荷电状态（SOC）[7]估计的算法是不利的。

图1 12V模块级别的电池开路电压
由图1可知：
80 Ah 氢镍电池：DVOC 0.20 V（SOC 为 30% 70%）
150 Ah 磷酸铁锂离子电池：DVOC 0.09 V（SOC 为 30% 70%）[8]
由于以上两者电压平台特征较为显著，当动力电池SOC处于30% 70%区间内，电池管理系统对磷酸铁锂离子电池的 SOC 估计误差相对较大。
图2为不同种类动力电池的恒流放电电压特性。

图2 不同动力电池12V模块级别的放电曲线对比
由图2可知：（1）锂离子电池具有与氢镍电池、铅酸电池不同的电压特性，在放电初期与后期，电压过度相对柔和。放电中期的电压平台尤其是磷酸铁锂离子电池，相对较长，电压波动幅度很小；（2）不同容量的锰酸锂离子电池，电压曲线也是不一致的，证明锂离子电池的电压特征不仅仅与正极材料有关，也与电池电化学体系的其它部分、电池制备工艺有关。
3.2 直流内阻特性的比较
图3为温度对10单体氢镍电池模块直流内阻的影响。

图3 温度对氢镍电池模块直流内阻的影响
图4为磷酸铁锂离子电池直流内阻与温度的变化关系

正负极电池的子电池从正极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜，555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555555
图4 150Ah磷酸铁锂离子电池直流内阻与温度的关系
由图3和图4可以看出，与氢镍电池单体相比，磷酸铁锂离子电池单体的直流内阻在低温下会剧烈增加，导致电池的低温性能恶化[9]。
4磷酸铁锂离子电池的发展
4.1 高性能动力电池设计
应通过研究不同类型电池材料、不同类型电池制备工艺对电池综合性能的影响规律，探讨基于国产化电池材料的电池设计方法、 国产电池材料的兼容性匹配技术和工艺，拓展国产电池材料的应用范围，实现动力电池的低成本制造[10]。
4.2 单体电池的一致性设计
应通过研究单体电池差异性的表现形式和形成过程，建立电池一致性的综合评价体系，研究电池材料对于单体电池的一致性的影响规律、微观机理和评价方法，研究制备工艺过程和使用条件对于电池不一致性的影响机理，探讨电池一致性的制备工艺保障措施和使用环境的最优化设计方法
4.3 单体电池的安全设计
应研究电池材料和电池制备工艺对于单体电池安全性的影响规律、微观机理和评价方法，研究电池在正常使用以及非正常的误用或滥用条件下的损伤过程和相关机理，建立电池损伤的电化学理论和微观结构模型，研究电池损伤与相关参数的关联，探索电池故障预警理论和方法，发展基于安全性考虑的电池设计技术。通过改进电解液体系、正极配方、材料性能，改善电芯结构设计以及建立电池温度控制体系等措施。改善磷酸铁锂电池的低温性能，通过添加有机碳源和高价金属离子联合掺杂等方法改善导电性通过纳米化LiFePO4晶粒[11]等方法，减小锂离子在晶粒中的扩散距离，从而改善电池的高倍率放电特性。
5. 结语
（1）以锂离子电池作为动力的电动汽车是目前新起的研究方向，很有发展前景，符合新时代下所倡导的绿色主题，而且发展电动汽车可以说是中国汽车产业追赶发达国家的历史性机遇。
（2）电动车发展的热度能不能持续下去，关键在能否提高大容量磷酸铁锂离子动力电池的性能以及确保其可靠性与安全性，标准在这方面将大有作为。
（3）电动汽车用锂离子动力电池技术还处于发展中，及时跟进锂离子动力电池技术和市场动态，不断完善相关标准，将为推动我国电动汽车产业化进程起到积极作用。
6.参考文献
[1]宋永华, 阳岳希, 胡泽春. 电动汽车电池的现状及发展趋势[J]. 电网技术, 2011-04-05
[2]黄学杰. 浅谈混合电动汽车用锂离子电池[J]. 电池工业,2008-06-25
[3]郭永兴. 锂离子动力电池制造关键技术基础及其安全性研究[J]. 中南大学,2010-04-01
[4]侯远欣,王佳. 浅析电动汽车锂电池的发展现状[J]. 无线互联网,2013-01-15 [5]Selina S.Y. Ng ,Yinjiao Xing, Kwok L. Tsui.A naive Bayes model for robust remaining useful life predictionof lithium-ion battery [J]. Elsevier Journal. 2014
[6]于京偌, 王强, 陈炜. 电动汽车磷酸铁锂动力电池的发展[J]. 汽车电器,2011-10-01
[7]李文成. 电动汽车用C-LiFePO4动力电池制备与性能研究[J]. 北京有色金属研究总院,2011-05-25
[8]张宾, 郭连兑, 陈全世. 电动汽车用磷酸铁锂锂离电池的PNGV模型分析[J]. 电源技术,2009-05-20
[9]李新静, 张佳瑢, 魏引利, 刘炎金. 温度对磷酸铁锂动力电池性能的影响[J]. 电池工业,2014-04-25
[10]王益群, 陈亮, 白莹杰, 索娅. 我国电动汽车用锂离子动力电池标准[J]. 标准科学,2012-07-16
[11]William Sierzchula,Sjoerd Bakker,Kees Maat,Bert van Wee. A novel method for preparing LiFePO4 nanorods as a cathode material forlithium-ion power batteriesE[J]. nergy Policy. 2014