电动汽车用锂离子电池的温度敏感性分析研究

钟文京（南昌市工业技术研究院，江西南昌，330000 )

电动汽车用锂离子电池的温度敏感性分析研究

钟文京
（南昌市工业技术研究院，江西南昌，330000 )

本文主要探讨电动汽车用锂离子电池的温度敏感性，通过正负极材料的微观改性、优化设计电极结构和电池结构、低温下电池交流预热与充电、联合应用液冷方案等技术的革新，我们发现高温和低温环境下，锂离子电池的性能和寿命都有不同程度的损耗和衰减。如果想完全的解决这个问题，需要在电池原材料改性、优化电池设计、电池系统热管理等多方面努力。

电动汽车；锂离子电池；电池系统；温度敏感性；电池热管理系统；充电制度

1 电动汽车温度敏感性问题

本文对目前市面上的主要电动轿车进行研究，包括：日产Leaf，美国通用Volt和特斯拉的Model S三种车型。发现以下的情况：在城市路况，温度为0℃的前提下，而且电池自身开启热管理系统的时候，特斯拉Model S车型的续航性能降低2.2%左右。零下25℃的条件下，没有开启电池热管理系统的时候，日本Leaf车型的续航性能下降30%左右，因此Leaf车型会在后续的研发生产中加入加热保护系统。在零下4℃的条件下，美国通用Volt车型会自动开启加热保护功能。

从上面的描述我们可以了解到，电动汽车设计研发公司会把电池的承受温度调节在0℃左右，0℃以下电动汽车会自动开启加热保护，25℃以上会自动开启制冷保护，这样可以有效保护电池性能，延长电池使用寿命。

目前的电动汽车上都安装有电池热管理系统(battery thermalmanagement system, BTMS)，这样可以有效维持锂离子电池环境的温度，弥补锂离子电池在恶劣环境中的不足，经过统计分析我们了解到：1)电动汽车的动力提供主要有以下两种：锂离子电池和镍氢电池但目前使用广泛的是锂离子电池。因为镍氢电池存储的能量较少，我发满足动力汽车的续航要求，只有丰田Prius车型使用镍氢电池提供动力需求。

目前在中国出售的纯电动汽车，电池储能E主要在21-30 kW h左右，最大储能达到50 kWh以上；持续续航大多在150-200 km左右，250 km的续航汽车很少出现，我国的纯电动汽车续航补贴最高达到250 km以上。3)混合动力汽车的电池储能E大多在8-17 kW h左右，持续续航能力分为两个梯度：第一梯度是35 km左右，第二梯度是60 km左右。4)锂离子电池正极材料采用锰酸锂和三元混合物，负极大多使用石墨，少量使用磷酸铁锂。

以上的研究我们发现，纯电动轿车的锂离子电池离不开热管理系统，热管理系统能够在高温、低温的环境中自动的调节，保证锂离子电池的续航效率。不同的温度下，锂离子电池有着不同的充放电功率、电流和电压。磷酸铁锂电池的电压在2.0-3.6 V左右(三元电池的电压在2.7-4.2 V 左右)，工作时的放电温度在零下20℃到零上55℃之间，充电温度在0-45℃中间。若磷酸铁锂电池在这两个温度区间以外工作，电池使用寿命将急剧缩短，严重的还能产生安全问题；因此对锂离子电池的温度控制是我们关注的主要课题。

2 电池材料和结构的“负作用”

目前电动汽车锂离子电池的正负极材料有很多的选择，主要有以下几种：锰酸锂（LMO）、三元（镍钴锰-NCM；镍钴铝-NCA）和磷酸铁锂（LFP），负极主要是石墨。

表1各种正极材料的锂离子扩散系数和电子导电率值

从上表我们可以看出，磷酸铁锂是一维结构，它的离子导电性最低。因此我们知道，锰酸锂电池在低温环境下优于磷酸铁锂电池。

但是LMO (LiMn2O4)在经过Mn3.5+的歧化反应之后，结构会发生相应变化；同时Mn2+离子也会溶解，从而导致锰酸锂电池耐高温性能差。NCM/NCA材料以高的电池容量和高平台电压被广泛用于动力电池领域。经过研究发现，NCM/NCA和LMO混合之后，Mn2+离子就不在发生溶解；这样延长LMO的高温使用年限，大大增加电池能量存储，也弥补LMO和NCM/NCA各自存在的缺陷。

锂离子电池的负极大多使用人造石墨，但石墨的层间距太小(0.35nm )，而且低温环境下锂离子容易析出，因此电池的能量储存变小、低温性能没有更大的发挥。如今我们使用的是软碳、硬碳和钦酸锂( LTO)负极材料，他们比石墨的层间距大。硬碳负极的层间距为(0.37 nm),锂离子的嵌人、脱出不受限制，因此它的性能大大提升，它的微观结构也和石墨结构不同。钦酸锂( LTO)负极选用尖晶石结构，锂离子也可以自由的嵌人、脱出，电池寿命大大增强，低温下的表现和安全性也增强。

除材质以外，结构的差异也会使电池热场分布、散热和安全性产生差异。Leaf车型的软包装叠片式电池的散热性能好，环境温度也稳定；Panasonic车型的卷绕式钢壳小电芯制造工艺优良、生产效率高成本低，表面横截面积大，散热性能好，环境温度也稳定，成为目前最经济又高效优良的锂离子电池结构。

3 主要对策

科研人员进行微观、宏观方面的研究、改进和应用，终于解决锂离子电池温度对电动汽车的制约。微观层面有以下几点：原材料、电解液配方优化、电极成分改进和电池结构设计；宏观层面有以下几点：电池电压工作范围调整，电池模块通风优化和系统热流程优化。

3.1 电池材料及电极

电池材料及电极的改进主要关注正极材料，因为正极材料存在电子导电性差的问题，负极材料的石墨电子导电率良好。上面我们已经提到磷酸铁锂，磷酸铁锂达到纳米化(粒径35nm)就能储存更多的电量和提高低温性能；另一种方法是碳包覆，碳包覆能够有效提升起低温性能，同时也能增大低温条件下的锂离子电池的电量存储率。A 123和ATL等电池厂商使用的工艺为在铝箔材质上涂抹导电炭黑，从而增强磷酸铁锉电子导电性，这种工艺具有超前意识。正负极材料使用LiNi0.8Co0.2O2/MCMB体系，正极的锰酸锂和三元材料主要关注电解液的改进优化，它制造出一种航空专用电池，可以在零下40℃的环境下运用。但在具体的使用过程中，温度过低的电解液会折损锂离子电池使用年限。

正极的改进目前已经达到一种极致，但电池的低温问题仍旧没有得到很好的解决，因此我们也展开对负极石墨材料的开发研究。通过研究发现，使用SBR+CMC和PVDF粘结剂能够解决低温放电和低温循环性能方面的问题，特别是在低温循环性能上有大幅度的明显增加；另外日立(Hitachi)公司的硬碳研究成果突出，2010年出现第三代HEV锂离子动力电池，此电池使用硬碳作为负极。日本东芝(Toshiba)则进行LTO的研发，在提高电子电导率、电解液的匹配性研究等方面有巨大的进展，并且研发出20 Ah电动车用电池。

3.2 电池的热管理系统

电池热管理系统(BTMS: Battery Thermal Manage-ment System)的功能如下：（1）进行电池温度的检测和监督（2）在温度升高时候进行散热和通风（3）温度过低的情况进行加热，使其保持稳定工作（4）及时排除电池工作的有害气体（5）电池所在空间的温度要均匀。因此电池包结构要合理、热管理策略要恰当、热管理方式要经济，最重要的是保持单体电池温度的一致性。如果单体电池的温度不一致，会产生电池充放电的异常，而且单体电池性能的降低会使整个电池系统的性能降低。

4 结语

电动汽车使用人数的增多和范围的增大，使锂离子电池的研究成为汽车行业最重要的课题之一，特别是低温锂离子电池的研究。日产和LEAF等国际厂商在温度敏感的锂离子电池的研究性上有着很多突破进展，主要是以下的两个方面：电池生产企业的合理化设计，要从原材料的选择，电极配方和电池结构等方面的优化和生产线的成熟等的科研，使电池达到符合规定的温度特性和整体环境的一致性；电动汽车企业也要对电池进行一定程度的优化，对电池热管理系统进行改良，使电池的内部和外部都能发挥最大的性能，从而保证电动汽车行业持续发展。

[1]康飞宇,马俊,李宝华.碳质材料对磷酸铁锂正极材料物理和电化学性能的影响(英文)[J]. 新型炭材料. 2011(03)

钟文京，女，在职研究生， 高级工程师，主要研究方向：科技信息、新能源汽车技术、电子信息工程等研究。

Analysis of temperature sensitivity of lithium ion battery for electric vehicle

Zhong Wenjing
（Nanchang Industrial Technology Research Institute,Jiangxi Nanchang,330000)

This paper mainly discusses the electric vehicle with temperature sensitivity of lithium ion battery, through the positive and negative pole material of micro modification, electrode structure design and structure of the battery, low battery AC preheating and charging, joint application of liquid cooling scheme optimization and technology innovation, we found that the high and low temperature environment, the performance and service life of the lithium ion batteries have different degrees of loss and attenuation. If you want to completely solve this problem, you need to change the battery raw material, optimize the battery design, battery system heat management and other efforts.

electric vehicle; Li ion battery; battery system; temperature sensitivity; battery thermal management system; charging system