新能源汽車鋰離子電池快充技術研究

摘 要：基于鋰離子電池在不同充電條件下的循環(huán)老化數據，建立低溫充電容量衰減的經驗模型，是分析電池低溫老化規(guī)律的有效手段，對優(yōu)化低溫充電策略，抑制容量衰減、保證有效充入電量，具有重要的理論價值和工程意義。

關鍵詞：新能源汽車鋰離子電池;快充技術

前言：近年來新能源汽車發(fā)展迅速，鋰離子電池因其比能量高、比功率高、自放電率低、無記憶效應、充放電壽命長等優(yōu)點成為新能源汽車首要的儲能設備，以綠色環(huán)保的鋰電池取代化石能源成為重要的發(fā)展方向。但目前新能源汽車的充電存在許多問題，大多數車載交流充電器和直流大功率充電樁采用傳統(tǒng)的充電策略。

一、鋰離子電池工作原理

鋰電池是指用2個能可逆的嵌入與脫嵌的鋰離子化合物作為正負極構成的二次電池。鋰離子電池按照正極材料、負極材料和電解液的不同，有不同的稱謂，但其工作原理是相似的。鋰離子電池實際上是一種鋰離子濃差電池。鋰電池主要由正極板、負極板、電解質、隔膜與外殼組成。其中，正極板上的活性物質一般選用LixCOO2、LixNiO2或者LixMn2O4，負極板上的活性物質一般選用鋰碳層間化合物LixC6。電解質采用LiPF6和LiAsF2的乙烯碳酸酯（EC）、丙烯碳酸酯（PC）和低黏度二乙基碳酸酯（DEC）等烷基碳酸酯搭配的混合溶劑體系。隔膜采用聚烯微多孔膜PE、PP或他們的復合膜。外殼采用鋼或者鋁材料。當電池充電時，鋰離子從正極中脫嵌，在負極中嵌入。當電池放電時，鋰離子從負極中脫嵌，在正極中嵌入。正常充放電情況下，鋰離子在層狀結構的碳材料和層狀結據了國內主導市場。

二、新能源汽車鋰離子電池快充技術

1.目前業(yè)界的快充方式均有弊端。眾所周知，對于純電動汽車而言，電池系統(tǒng)的充放電性能是決定車輛實際使用效果的重要指標。高能量密度和快速充電能力不僅是各動力電池廠商不斷努力開發(fā)的技術方向，更是新能源技術的核心領域。衡量電動車充電效率的一個關鍵指標是充放電倍率。鋰離子電池的充放電倍率，決定了可以以多快的速度將一定的能量存儲到電池里面，或者以多快的速度將電池里面的能量釋放出來。業(yè)界普遍認為，電動汽車快充是指充電倍率大于1. 6C的充電方式，也就是從0%充電到80%時間小于30 min 的技術。快充技術的核心，就是通過化學體系和設計優(yōu)化，加速鋰離子在正負極間移動的速度。但是，在研發(fā)快充技術時光考慮速度還不行?？斐鋾r，鋰離子需要加速瞬時嵌入到負極。這對負極快速接收鋰離子的能力挑戰(zhàn)很大。普通化學體系的電池，在快充時負極會出現析鋰等副產物，影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性，只能采用可承受快充大電流的負極材料來做到快充。目前業(yè)界為了實現快速充電，普遍采用鈦酸鋰和無定形碳作為負極活性材料，但是鈦酸鋰和無定形碳在實際應用中均不可避免地存在能量密度嚴重不足、成本高的缺陷，常規(guī)增加導電材料用量的設計，也會影響電芯的能量密度。“近年來，部分廠商開始探索將石墨作為活性材料，但石墨在作為快充材料時面臨的難題是，如何讓鋰電子快速從正極釋放出來，再快速從負極進去?！?/p>

石墨更像高速路，雖然能量密度更高，但鋰電子只能順序通過。也就是說，石墨并非天生適合于快充技術的材質?！暗覀冇眉夹g突破了材質本身瓶頸，它的殺手锏就是‘快離子環(huán)和‘超電子網?！痹谑砻娲蛟煲蝗Ω咚偻ǖ?，使鋰離子能快速嵌入石墨的任何位置，大大提高鋰離子在石墨負極的嵌入速度，并且，修飾后的石墨兼顧超級快充和高能量密度的特性，不會在快充時在負極會出現副產物，影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性?！贝送?，技術團隊開發(fā)了“超電子網”技術修飾正極材料，結合正負極極片的晶體取向和容量過量系數等設計參數調配，優(yōu)化電解液、正負極的動力學性能，使化學體系和電池設計參數達到最優(yōu)匹配。此外，在機械件設計方面，該團隊創(chuàng)造性地對電池單體頂蓋進行簡化設計，將電極端子設置到頂蓋板側面并減小端子厚度，顯著降低內阻，有效控制快充發(fā)熱量，保證快充可靠性的同時提高5%以上能量密度?！拔覀兊目斐浼夹g具備4C～5C快充能力，實現10～15min快速充電，與鈦酸鋰負極的快充體系相比，具有明顯的能量密度和成本優(yōu)勢，與行業(yè)內同樣用石墨作負極的其他快充技術相比，保持同等電池能量密度條件下，能提高20%～30%充電速度，并具有更好的循環(huán)和耐候性能?！?/p>

2.消除極化現象的方法。（1）強制消除。在大電流充電過程中，對蓄電池實施瞬時的一定深度的放電?？梢杂行У乜刂茲獠顦O化，減小歐姆極化。（2）自然消除。在大電流充電過程中，讓蓄電池瞬時停止充電，歐姆極化將迅速消失。同時，電化學極化和濃差極化起到緩沖作用。高質量的充電方法應使得電池具有以下優(yōu)點：長的循環(huán)壽命、高的充放電效率、充電時間短，而多階恒流充電方法具有以上優(yōu)點。多階恒流充電方法是充電電流大小接近蓄電池可接受充電曲線的一種傳統(tǒng)充電方法。在多階恒流充電的每個充電階段末加上一放電脈沖—多階恒流快速充電方法，可以消除充電過程中產生的極化現象，延長大電流充電時間，使得充電電流按照快速充電特性曲線變化，實現快速充電。本文采用的充電方法為五階恒流充電方法和五階恒流快速充電方法。多階恒流充電的主要困難在于確定各階段恒流充電電流大小，選取適當的參數作為階段恒流充電終止的判斷依據。通過整流部分將交流電變換成直流電，濾波部分是濾去直流電壓中的波紋成分，使其變成平滑的直流電，穩(wěn)壓部分的作用是使輸出的直流電市電電壓或負載電流發(fā)生變化時保持穩(wěn)定。

結束語：

電池充放電過程中產熱發(fā)現，相同條件下，當電池充電時，恒流充電階段電池最大產熱速率總比恒壓階段大;當電池放電時，由于放電后期極化內阻產熱不斷增加，導致電池最大產熱速率總出現在放電末期。本文為電動車用鋰電池熱安全研究提供了可靠的參考依據。

參考文獻：

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作者簡介：

張仰慧，1985年3月生，四川大學碩士研究生畢業(yè)，從事鋰電池材料研發(fā)工作。