新能源汽車用鋰離子動力電池單體選型方法研究

黃凱峰 王永

摘 要：近年來，我國加大對于能源節(jié)約力度，已經(jīng)取得了非常不錯的成效。鋰離子動力電池是新能源型汽車的技術(shù)核心之一，在當(dāng)下新能源汽車穩(wěn)定發(fā)展的環(huán)境下得到了國內(nèi)外的充分重視，有關(guān)汽車制造企業(yè)不斷探索著利用新型材料或技術(shù)對現(xiàn)有電池進(jìn)行改善，對新型電池的研發(fā)成為了新能源汽車領(lǐng)域中的一大重點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：新能源汽車;鋰離子動力電池;單體選型方法

0 引言

時代的進(jìn)步，科技的引領(lǐng)使得我國汽車行業(yè)發(fā)展非常迅速，改善我國人們的出行質(zhì)量。隨著能源安全與環(huán)境污染問題的日益嚴(yán)重，新能源車成為我國汽車發(fā)展的重要方向。動力電池作為新能源汽車的能量源，其性能直接決定了新能源汽車的整車性能，更成為決定電動車能否普及的關(guān)鍵因素。其中，鋰離子電池因具有功率密度高、能量密度高、循環(huán)次數(shù)高、無記憶效應(yīng)、成本低等優(yōu)勢，成為新能源汽車動力電池的主流。

1 鋰離子電池

該類電池的物理化學(xué)特性在于，它的能量密度和電壓都較高，當(dāng)下在國防軍事、社會生活兩方面中，其應(yīng)用愈發(fā)廣泛。從電解液來對該類電池進(jìn)行區(qū)分，鋰離子電池有著聚合物電解質(zhì)、液體電解質(zhì)兩類鋰電池。而應(yīng)用較廣的聚合物電池中，以聚合物來進(jìn)行區(qū)分，則可分為三元鋰、錳酸鋰或者鈷酸鋰等。該類電池的優(yōu)勢在于，其比能量較大，且重量較輕，污染和記憶效應(yīng)都很小，其使用壽命相對較長。將其與鎳氫電池相比，當(dāng)體積重量一致時，該電池的蓄電能力比鎳氫電池的1.5倍還要多。且從理論層面分析來看，該類電池的總電量僅僅開發(fā)有四分之一的水準(zhǔn)，其開發(fā)前景廣闊，作為一類真正能實(shí)現(xiàn)無污染的電池，對節(jié)能環(huán)保事業(yè)的開展十分有益。

2 新能源汽車

我國的新能源汽車發(fā)展模式，基本上是“政府+市場”型的，即政府積極參與和支持新能源汽車的研發(fā)及市場推廣，帶動新能源汽車生產(chǎn)企業(yè)自主研發(fā)，努力達(dá)到批量生產(chǎn)并成功推向市場的發(fā)展模式。經(jīng)歷了個人購車國家補(bǔ)貼階段，從某種程度上也助推了新能源汽車的推廣和普及。但是，就目前來看，新能源汽車個人購買的不多，市場占有率并不高，主要還是存在兩方面的擔(dān)心：一是擔(dān)心電池的使用壽命。新能源電動汽車最主要的就是電池，怕一過保修期就要更換電池，而電池的價格并不低，這將是一筆不小的開支，還不如買一輛燃油車保險。二是擔(dān)心續(xù)航能力跟不上?，F(xiàn)在市場上的新能源電動汽車的續(xù)航能力大都在300到500公里之間，而這個續(xù)航能力只是在勻速的情況下的理論值，也就是說汽車在具體行駛的過程，很難做到一直勻速行駛，也就是說實(shí)際的續(xù)航能力肯定比這個還要小，一些人擔(dān)心在上路行駛的過程中，特別是較長路段時，如果一時找不到充電樁，就會擔(dān)心及時充不上電。也正是因?yàn)檫@兩個關(guān)鍵性問題，導(dǎo)致了一些人遲遲不愿購買新能源汽車。

3 新能源汽車用鋰離子動力電池單體選型

3.1 電池單體倍率充電特性

某電池單體的倍率充電特性曲線，充電倍率分別為1/3C、1C、3C，分別對應(yīng)小功率、中等功率和大功率充電的情況，相關(guān)數(shù)據(jù)是整車性能仿真、制動能量回收控制和快充、慢充控制的重要支撐。倍率充電過程中的恒流充電量、恒壓充電量、充電容量和充電能量等特性。相關(guān)數(shù)據(jù)可為前期分析電池總成的容量和能量（即電池成組）提供數(shù)據(jù)支撐，其中的充電容量比與充電能量比均以1/3C放電實(shí)際測量值為基準(zhǔn)。

3.2 安全的電解液

鋰離子熱失控發(fā)生過程中，大多數(shù)放熱反應(yīng)都有電解液的參與，因此電解液在鋰離子電池?zé)崾Э剡^程中起著關(guān)鍵性的作用，提高電解液的穩(wěn)定性，對于熱失控的防止具有重要意義。目前，提高電解液安全性的方法主要有：添加阻燃劑、采用固態(tài)聚合類物質(zhì)、采用離子液體和氧化還原鉗制劑（Redoxshuttles）等。氟化碳酸乙烯（FEC）是研究最多的鋰離子電解液添加劑（溶劑），最初的目的是改善SEI膜的成分和提高負(fù)極可逆的嵌入（脫）鋰的庫倫效率;同時，研究發(fā)現(xiàn)，PEC還可以提高LiNi0.8Co0.15Al0.015O2正極材料的熱分解起始溫度和減少放熱;此外，與非氟化碳酸鹽相比，PEC可以通過降低可燃性提高了電解液的安全性，并且，由于強(qiáng)碳-氟鍵的存在，其熱穩(wěn)定性也得到提高。近年來，科研人員研究發(fā)現(xiàn)，線性氟化碳酸酯（如（1-氟乙基）碳酸乙酯）也可能在提高鋰離子電池電解液的安全性方面起決定性作用。對于鋰離子電池常見的過充電危險，研究人員還在電解液中添加氧化還原鉗制劑和具有特定電壓隔絕作用的電解液添加劑來防止或延緩過充電對于電池的損害。

3.3 正極材料技術(shù)

電池技術(shù)的發(fā)展主要是依靠電池材料的不斷發(fā)展，其中比能量的提高主要是電極材料的改進(jìn)和提升。研究表明高比容量、高比功率、高安全性和長循環(huán)壽命的正極材料正成為電池產(chǎn)業(yè)研究的熱點(diǎn)，從安全性角度來對正極材料應(yīng)滿足的基本條件進(jìn)行設(shè)定：在要求的充放電電位范圍內(nèi)，與電解液具有良好的相容性;溫和的電極過程動力學(xué);可逆性好;在全鋰化狀態(tài)下穩(wěn)定性好。另外從穩(wěn)定性角度對正極材料的結(jié)構(gòu)性也提出應(yīng)滿足以下幾個特點(diǎn)：層狀或隧道結(jié)構(gòu)，以利于鋰離子的脫嵌，且在鋰離子脫嵌時無結(jié)構(gòu)上的變化，以保證電極具有良好的可逆性;鋰離子的嵌入和脫出量大，電極具有較高容量，并且鋰離子脫嵌時，電極反應(yīng)的自由能變化不大，以保證電池的充放電電壓平穩(wěn);鋰離子在其中應(yīng)有較大的擴(kuò)散系數(shù)，一般選用過渡性含鋰金屬化合物為正極材料。

4 結(jié)語

以實(shí)現(xiàn)電池總成精細(xì)設(shè)計為目標(biāo)，提出了電池的設(shè)計流程，分析了電池單體選型及測試的重要性;針對電池單體選型及測試進(jìn)行了詳細(xì)論述，提出了包括否決項(xiàng)（安全性能和循環(huán)壽命）和參考項(xiàng)（性能）在內(nèi)的電池單體性能測試方案。

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