電動(dòng)汽車鋰電池若干問題研究

王益春

摘? 要：動(dòng)力電池作為電動(dòng)汽車關(guān)鍵零部件之一，介紹了鋰離子電池自身特性，分析了熱失控危害機(jī)理，探討電動(dòng)汽車用鋰離子電池的溫度敏感性，通過正負(fù)極材料的微觀改性、優(yōu)化設(shè)計(jì)電極結(jié)構(gòu)和電池結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)車;鋰電池;安全性;特性

引言

動(dòng)力電池已成為電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一。電池使用過程中的性能老化表現(xiàn)為容量損失、溫升加快、內(nèi)阻變大、功率特性變軟、自放電率變大等。我國(guó)已成為全球第一大電動(dòng)汽車市場(chǎng)。電動(dòng)汽車在節(jié)能和環(huán)保等方面的優(yōu)勢(shì)隨著保有量的提高日益明顯，但與此同時(shí)，其安全問題也逐漸成為了社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。如何緩解、解決溫度變化對(duì)電動(dòng)汽車帶來的影響，成為擺在電動(dòng)汽車和電池及電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)者面前必須要統(tǒng)籌考慮的問題。只有從理論深處理解鋰離子電池系統(tǒng)的溫度敏感性以及電池自身存在的‘缺陷”，才能在此基礎(chǔ)上提出一些合理的解決方案，使電動(dòng)汽車成為能夠適應(yīng)全氣候范圍的產(chǎn)品。唯有此，電動(dòng)汽車的發(fā)展才能真正成為市場(chǎng)化產(chǎn)品得以應(yīng)用。

1電池性能老化機(jī)理及影響因素

對(duì)電池老化機(jī)理的研究是進(jìn)行其他電池壽命問題研究的基礎(chǔ)。吳贊等認(rèn)為：正極材料的溶解、電極材料的相變化、電解液分解及SEI膜厚度的增加等因素致使電池的可逆容量下降，負(fù)極SEI膜的增厚致使電池內(nèi)阻增大。

2鋰離子電池特性

鋰離子電池具有比能量高、比功率大、循環(huán)壽命長(zhǎng)、可快速充放電、無記憶效應(yīng)及環(huán)境危害小等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為電動(dòng)汽車車載可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（I也EsS）的首選。鋰離子電池的正極一般采用插鋰化合物，目前主要有LiCoO：、LiMn：04、LiFeP04以及三元材料等，負(fù)極一般采用鋰.碳層間化合物L(fēng)i￡，電解質(zhì)為溶解了鋰鹽（如LiPF6、L認(rèn)sF6、LiClO。）的有機(jī)溶劑。電極是電池的核心，由集流體和活性物質(zhì)組成，正負(fù)極活性物質(zhì)是電能產(chǎn)生的源泉，是決定電池基本特性的重要組成部分。正極材料需要確保在電池充放電過程中Li+能夠可逆地從該材料結(jié)構(gòu)中脫出和嵌入。

3電池材料及電極

電池材料及電極的改進(jìn)主要關(guān)注正極材料，因?yàn)檎龢O材料存在電子導(dǎo)電性差的問題，負(fù)極材料的石墨電子導(dǎo)電率良好。上面我們已經(jīng)提到磷酸鐵鋰，磷酸鐵鋰達(dá)到納米化（粒徑 35nm）就能儲(chǔ)存更多的電量和提高低溫性能;另一種方法是碳包覆，碳包覆能夠有效提升起低溫性能，同時(shí)也能增大低溫條件下的鋰離子電池的電量存儲(chǔ)率。A 123 和 ATL 等電池廠商使用的工藝為在鋁箔材質(zhì)上涂抹導(dǎo)電炭黑，從而增強(qiáng)磷酸鐵銼電子導(dǎo)電性，這種工藝具有超前意識(shí)。正負(fù)極材料使用 LiNi0.8Co0.2O2/MCMB 體系，正極的錳酸鋰和三元材料主要關(guān)注電解液的改進(jìn)優(yōu)化，它制造出一種航空專用電池，可以在零下 40℃的環(huán)境下運(yùn)用。但在具體的使用過程中，溫度過低的電解液會(huì)折損鋰離子電池使用年限正極的改進(jìn)目前已經(jīng)達(dá)到一種極致，但電池的低溫問題仍舊沒有得到很好的解決，因此我們也展開對(duì)負(fù)極石墨材料的開發(fā)研究。通過研究發(fā)現(xiàn)，使用 SBR+CMC 和 PVDF 粘結(jié)劑能夠解決低溫放電和低溫循環(huán)性能方面的問題，特別是在低溫循環(huán)性能上有大幅度的明顯增加;另外日立（Hitachi）公司的硬碳研究成果突出，2010 年出現(xiàn)第三代 HEV 鋰離子動(dòng)力電池，此電池使用硬碳作為負(fù)極。日本東芝（Toshiba）則進(jìn)行 LTO 的研發(fā)，在提高電子電導(dǎo)率、電解液的匹配性研究等方面有巨大的進(jìn)展，并且研發(fā)出20 Ah 電動(dòng)車用電池。

4低溫加熱對(duì)鋰離子電池性能的影響

由鋰離子電池充放電過程的熱特性試驗(yàn)可知，低溫環(huán)境下，鋰離子電池的充放電性能下降，為研究低溫下加熱對(duì)電池充放電性能的影響，采用電加熱膜對(duì)低溫下的鋰離子電池加熱并進(jìn)行充放電試驗(yàn).電加熱膜以金屬箔、金屬絲為內(nèi)導(dǎo)電發(fā)熱體，經(jīng)高溫高壓熱合而成，當(dāng)有電流通過時(shí)，電發(fā)熱體會(huì)生熱，產(chǎn)生的熱量通過電加熱膜的另一側(cè)可以均勻地傳遞給鋰離子電池，實(shí)現(xiàn)加熱鋰離子電池的目的，加熱膜的供電電壓為 12 V，功率為 15 W. 加熱試驗(yàn)的具體操作為：將鋰離子電池外敷電加熱膜，擱置在-10 ℃的恒溫箱內(nèi) 5 h，電加熱膜工作 5 min 后（鋰離子電池的表面溫度由 - 10 ℃ 上升到 11 ℃）進(jìn)行充/ 放電試驗(yàn). 因此，為提高鋰離子電池的低溫性能，需要有效的鋰離子電池加熱方法。

5電池壽命實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法

電池壽命問題研究本身決定了所需實(shí)驗(yàn)的長(zhǎng)期性與復(fù)雜性。壽命實(shí)驗(yàn)以目的進(jìn)行區(qū)分，主要包括評(píng)估性壽命測(cè)試和建模性壽命測(cè)試。目前電池評(píng)估性壽命測(cè)試方案主要依據(jù)U.S.AdvancedBattery Consortium COSABC）制定的電池壽命校驗(yàn)測(cè)試手冊(cè)。該手冊(cè)對(duì)于不同工況下的電池循環(huán)壽命測(cè)試環(huán)境、測(cè)試流程及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理的方法進(jìn)行了詳細(xì)說明。從電池循環(huán)測(cè)試電流、循環(huán)溫度、荷電狀態(tài)等各個(gè)方面進(jìn)行綜合考慮，制定了電池加速壽命測(cè)試的實(shí)驗(yàn)步驟，分為循環(huán)壽命測(cè)試和靜置壽命測(cè)試兩個(gè)部分。針對(duì)動(dòng)力電池的實(shí)際應(yīng)用，USABC設(shè)計(jì)了不同的測(cè)試工況，覆蓋了純電動(dòng)、混合動(dòng)力和插電式混合動(dòng)力三大類車型的應(yīng)用。我國(guó)也制定了相應(yīng)的動(dòng)力電池壽命測(cè)試方法。該類測(cè)試主要目的是評(píng)估電池是否能滿足制定的壽命要求，如對(duì)HEV應(yīng)用，目前Freedom CAR計(jì)劃中規(guī)定電池壽命達(dá)到15年，淺循環(huán)達(dá)到300 000次的目標(biāo)。

6結(jié)束語(yǔ)

電池的老化過程是一個(gè)系統(tǒng)的漸變過程，目前對(duì)于電池老化過程的內(nèi)部機(jī)理仍然沒有完全掌握，這對(duì)于更合理地設(shè)計(jì)長(zhǎng)壽命動(dòng)力電池帶來了挑戰(zhàn)。低溫環(huán)境下對(duì)鋰離子電池加熱可以提高其充/ 放電性能，因此，有效的鋰離子電池?zé)峁芾砜梢愿纳破涞蜏匦阅堋?/p>