電動(dòng)汽車用鋰離子電池的性能研究

李瑩

遼寧營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，遼寧 營口 115000

電動(dòng)汽車用鋰離子電池的性能研究

李瑩

遼寧營口職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系，遼寧 營口 115000

針對目前用于電動(dòng)汽車的蓄電池的發(fā)展進(jìn)行了綜合總結(jié)，對鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池性能和特點(diǎn)作了全面的對比，最后結(jié)合試驗(yàn)對鋰電池的充放電性能進(jìn)行了研究，獲得了鋰離子電池充放電性能的一些初步認(rèn)識。

動(dòng)力電池；鋰離子電池

引言

日益枯竭的自然資源和不斷攀升的能源需求，是人類面臨的矛盾問題。電動(dòng)汽車的研制與開發(fā)已經(jīng)成為當(dāng)今世界各國汽車行業(yè)的熱點(diǎn)。然而，電動(dòng)汽車發(fā)展的瓶頸之一就是電源問題。目前阻礙電動(dòng)汽車推廣的主要障礙是一次充電的續(xù)駛里程和初始價(jià)格。國內(nèi)外正在研發(fā)的電動(dòng)汽車有三種,即:完全以電池作為動(dòng)力的電動(dòng)車(BOEV)，以內(nèi)燃機(jī)為主動(dòng)力，電池為輔助動(dòng)力的混合式電動(dòng)車(HEV)以及燃料電池電動(dòng)車(FCEV)。

1 幾種常用動(dòng)力電池的比較

電池的開發(fā)和利用是電動(dòng)汽車成敗的關(guān)鍵。電動(dòng)車電池是可充電電池或稱二次電池。目前普遍動(dòng)力車使用的二次電池有:鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。

1.1 鉛酸電池

它是采用金屬鉛作為負(fù)極，二氧化鉛作為正極，用硫酸作為電解液，其化學(xué)反應(yīng)式為：放電時(shí)，鉛和二氧化鉛都與電解液反應(yīng)生成硫酸鉛。充電時(shí)反應(yīng)過程正好相反。它的優(yōu)點(diǎn)是技術(shù)比較成熟，可靠性好、原材料價(jià)格便宜，比功率基本上能滿足電動(dòng)汽車的動(dòng)力性要求。缺點(diǎn)是比能量較低，導(dǎo)致一次充電的行駛里程短，并且質(zhì)量和體積較大，增加了汽車的自重和自身功率消耗。另外鉛酸電池的使用壽命短，使用成本較高。鉛酸電池的最大缺點(diǎn)是比能量低、效率低和污染環(huán)境。目前，國內(nèi)鉛酸電池仍然有旺盛的市場生命力。如城市客車安凱客車、安源客車、廈門金旅仍然在使用鉛酸電池。

1.2 鎳氫電池

Ni-MH電池正極活性物質(zhì)采用氫氧化鎳，負(fù)極活性物質(zhì)為貯氫合金，電解液為氫氧化鉀溶液，電池中的主要反應(yīng)為：

式中M－貯氫合金；MHab－為貯有氫的貯氫合金。電池充電時(shí)，正極的氫進(jìn)入負(fù)極貯氫合金中，放電時(shí)過程正好相反。在此過程中，正、負(fù)極的活性物質(zhì)都伴隨著結(jié)構(gòu)、成分體積的變化，電解液也發(fā)生變化。

鎳氫電池也屬于堿性電池,鎳氫電池安全性能高，無污染物，被譽(yù)為“綠色電源”，對環(huán)境污染小。比能量與比功率均較高。但是目前阻礙其應(yīng)用的一個(gè)重要問題是初始成本的太高，而且還有記憶效應(yīng)和充電發(fā)熱等問題，大電流充電性能略差；充電發(fā)熱會(huì)引發(fā)安全問題。鎳氫電池是市場上應(yīng)用最為廣泛，技術(shù)最為成熟的動(dòng)力電池。目前，市場上絕大部分的混合動(dòng)力汽車都采用鎳氫電池作為輔助動(dòng)力源。

1.3 鋰離子電池

鋰離子電池使用鋰碳化合物作負(fù)極，鋰化過渡金屬氧化物作正極，液體有機(jī)溶液或固體聚合物作為電解液。在充放電過程中，鋰離子在電池正極和負(fù)極之間往返流動(dòng)。電化學(xué)反應(yīng)方程式為：

放電時(shí)，鋰離子由電池負(fù)極通過電解液流向正極并被吸收。充電時(shí)，過程正好相反。

鋰離子電池具有高的電池單體電壓、高的比能量和能量密度,可以說是當(dāng)前比能量最高的電池，工作穩(wěn)定。它的性能指標(biāo)都可以滿足USABC制定的電動(dòng)車中期目標(biāo)。這樣就使得鋰離子電池在電動(dòng)汽車上得到了廣泛的應(yīng)用。

表1 四種二次電池的基本性能

2 鋰離子電池電池性能試驗(yàn)

我們特針對鋰離子電池鋰離子電池進(jìn)行了試驗(yàn)，分別為：不同放電電流條件下的鋰離子電池放電容量試驗(yàn)研究；不同溫度條件下的鋰離子電池放電容量試驗(yàn)研究；不同充電電流條件下鋰離子電池充電時(shí)間試驗(yàn)。

2.1 不同放電電流條件下的鋰離子電池放電容量試驗(yàn)

由于電動(dòng)汽車在爬坡、啟動(dòng)、加速時(shí)都要求動(dòng)力電池能夠提供大的比功率，即足夠大的電流放電以提供足夠的動(dòng)力。我們對鋰離子電池進(jìn)行了C/3、C/2、C/1倍率的放電試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表2。從試驗(yàn)結(jié)果中可知，隨著電池放電電流的增大，蓄電池的放電容量上升后下降，這是由于鋰離子在電池內(nèi)的擴(kuò)散速度較慢，隨著放電電流的增大，使離子擴(kuò)散速度變快，提高了放電容量；但是隨著放電電流的進(jìn)一步增大，電池內(nèi)的濃差極化增大，電池固有內(nèi)阻所引起的電壓降也增大，從而使電池的放電容量相應(yīng)下降。

表2 不同放電電流條件下的電池放電試驗(yàn)

圖1：不同溫度條件下的鋰離子電池放電容量試驗(yàn)

由于汽車在的工況變化很大，所以我們對鋰離子電池進(jìn)行了在-15℃、0℃、40℃溫度相關(guān)的放電試驗(yàn)，數(shù)據(jù)見表3。從試驗(yàn)結(jié)果中可知，隨著電池工作溫度的升高，蓄電池的放電容量明顯上升。這是由于低溫下鋰離子在電池內(nèi)的擴(kuò)散速度較慢，隨著溫度升高電池活性增強(qiáng)的結(jié)果。但是保溫時(shí)間增長后電池整體溫度上升使離子活動(dòng)進(jìn)一步趨于紊亂，導(dǎo)致內(nèi)阻上升，放電容量略有下降。

表3 不同溫度條件下的鋰離子電池放電試驗(yàn)

圖2 不同充電電流條件下鋰離子電池充電時(shí)間試驗(yàn)

由于充電的時(shí)間要遠(yuǎn)遠(yuǎn)長于加油的時(shí)間，所以電動(dòng)汽車與內(nèi)燃機(jī)汽車相比重要的一個(gè)特征就是補(bǔ)充能量的時(shí)間不可忽略。同時(shí)充電容量與充電時(shí)間也密切相關(guān)。我們都選取電壓為終止標(biāo)志，由表4可見，充電電流越大，則充電時(shí)間越短，但充電容量也越少。這是因?yàn)槌潆婋娏髟龃笫闺姵貎?nèi)部離子濃度失衡更嚴(yán)重，由此造成的電極化增強(qiáng)，能更快達(dá)到充電終止電壓但充入的電量就越少。

表4 不同充電電流條件下鋰離子電池充電時(shí)間試驗(yàn)

圖3 不同充電電流條件下鋰離子電池充電時(shí)間試驗(yàn)

3 結(jié)語

鉛酸動(dòng)力電池最安全，成本最低，當(dāng)然是電動(dòng)汽車的可選動(dòng)力電源，但比能量、比功率都較低。鎳氫動(dòng)力電池比功率和比能量方面都比鉛酸動(dòng)力電池有所提高，但是成本高，還存在安全問題，為提高安全性需要使用電池管理系統(tǒng)。鋰離子電池具有良好的性能指標(biāo)，必將有廣闊的發(fā)展前景，預(yù)計(jì)到2020年前后，電動(dòng)汽車業(yè)必將成為鋰離子電池的時(shí)代。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.082