电动汽车锂电池若干问题研究

王益春

摘  要：动力电池作为电动汽车关键零部件之一，介绍了锂离子电池自身特性，分析了热失控危害机理，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。

关键词：电动车;锂电池;安全性;特性

引言

动力电池已成为电动汽车动力系统中的关键技术之一。电池使用过程中的性能老化表现为容量损失、温升加快、内阻变大、功率特性变软、自放电率变大等。我国已成为全球第一大电动汽车市场。电动汽车在节能和环保等方面的优势随着保有量的提高日益明显，但与此同时，其安全问题也逐渐成为了社会关注的焦点。如何缓解、解决温度变化对电动汽车带来的影响，成为摆在电动汽车和电池及电池系统设计者面前必须要统筹考虑的问题。只有从理论深处理解锂离子电池系统的温度敏感性以及电池自身存在的‘缺陷”，才能在此基础上提出一些合理的解决方案，使电动汽车成为能够适应全气候范围的产品。唯有此，电动汽车的发展才能真正成为市场化产品得以应用。

1电池性能老化机理及影响因素

对电池老化机理的研究是进行其他电池寿命问题研究的基础。吴赞等认为：正极材料的溶解、电极材料的相变化、电解液分解及SEI膜厚度的增加等因素致使电池的可逆容量下降，负极SEI膜的增厚致使电池内阻增大。

2锂离子电池特性

锂离子电池具有比能量高、比功率大、循环寿命长、可快速充放电、无记忆效应及环境危害小等优点，已经成为电动汽车车载可充电储能系统（I也EsS）的首选。锂离子电池的正极一般采用插锂化合物，目前主要有LiCoO：、LiMn：04、LiFeP04以及三元材料等，负极一般采用锂.碳层间化合物Li￡，电解质为溶解了锂盐（如LiPF6、L认sF6、LiClO。）的有机溶剂。电极是电池的核心，由集流体和活性物质组成，正负极活性物质是电能产生的源泉，是决定电池基本特性的重要组成部分。正极材料需要确保在电池充放电过程中Li+能够可逆地从该材料结构中脱出和嵌入。

3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電率良好。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。

4低温加热对锂离子电池性能的影响

由锂离子电池充放电过程的热特性试验可知，低温环境下，锂离子电池的充放电性能下降，为研究低温下加热对电池充放电性能的影响，采用电加热膜对低温下的锂离子电池加热并进行充放电试验.电加热膜以金属箔、金属丝为内导电发热体，经高温高压热合而成，当有电流通过时，电发热体会生热，产生的热量通过电加热膜的另一侧可以均匀地传递给锂离子电池，实现加热锂离子电池的目的，加热膜的供电电压为 12 V，功率为 15 W. 加热试验的具体操作为：将锂离子电池外敷电加热膜，搁置在-10 ℃的恒温箱内 5 h，电加热膜工作 5 min 后（锂离子电池的表面温度由 - 10 ℃ 上升到 11 ℃）进行充/ 放电试验. 因此，为提高锂离子电池的低温性能，需要有效的锂离子电池加热方法。

5电池寿命实验测试方法

电池寿命问题研究本身决定了所需实验的长期性与复杂性。寿命实验以目的进行区分，主要包括评估性寿命测试和建模性寿命测试。目前电池评估性寿命测试方案主要依据U.S.AdvancedBattery Consortium COSABC）制定的电池寿命校验测试手册。该手册对于不同工况下的电池循环寿命测试环境、测试流程及实验数据处理的方法进行了详细说明。从电池循环测试电流、循环温度、荷电状态等各个方面进行综合考虑，制定了电池加速寿命测试的实验步骤，分为循环寿命测试和静置寿命测试两个部分。针对动力电池的实际应用，USABC设计了不同的测试工况，覆盖了纯电动、混合动力和插电式混合动力三大类车型的应用。我国也制定了相应的动力电池寿命测试方法。该类测试主要目的是评估电池是否能满足制定的寿命要求，如对HEV应用，目前Freedom CAR计划中规定电池寿命达到15年，浅循环达到300 000次的目标。

6结束语

电池的老化过程是一个系统的渐变过程，目前对于电池老化过程的内部机理仍然没有完全掌握，这对于更合理地设计长寿命动力电池带来了挑战。低温环境下对锂离子电池加热可以提高其充/ 放电性能，因此，有效的锂离子电池热管理可以改善其低温性能。