新能源汽車鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)

摘要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各種不可再生資源的利用量日益增大，不僅加劇了資源的過(guò)度消耗，而且對(duì)環(huán)境也造成了破壞，因此必須不斷提升環(huán)保節(jié)能意識(shí)，加強(qiáng)對(duì)能源安全和環(huán)境保護(hù)的重視。新能源汽車有無(wú)污染、能源清潔的優(yōu)勢(shì)，在新時(shí)代形勢(shì)下得以快速發(fā)展。鋰離子動(dòng)力電池的性能較好，在新能源汽車中得到了廣泛的應(yīng)用，不僅起到了節(jié)能減排的效果，而且能滿足新能源汽車后續(xù)的發(fā)展需要。由此，針對(duì)新能源汽車中鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行探討與分析。

關(guān)鍵詞：新能源汽車；鋰離子動(dòng)力電池；系統(tǒng)應(yīng)用；技術(shù)分析

中圖分類號(hào)：U469 收稿日期：2023-03-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.008

1 前言

在新能源汽車市場(chǎng)的快速發(fā)展中，鋰離子動(dòng)力電池起到了關(guān)鍵性的作用。鋰離子電池具備環(huán)保節(jié)能的優(yōu)勢(shì)，得到新能源汽車以及相關(guān)行業(yè)的特別重視。鋰離子電池含有隔膜器鋰電材料，在使用過(guò)程中可以充分發(fā)揮其技術(shù)壁壘性能。但是目前我國(guó)的隔膜系生產(chǎn)技術(shù)水平不是很高，致使鋰離子動(dòng)力電池發(fā)展受到一定的限制。因此，必須加強(qiáng)對(duì)新能源汽車鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，對(duì)相關(guān)技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行改善，不斷推動(dòng)動(dòng)力電池系統(tǒng)技術(shù)的應(yīng)用推廣，逐漸提高其使用性能，才能確保新能源汽車的可持續(xù)發(fā)展。

2 鋰離子動(dòng)力電池的原理

新能源汽車在使用過(guò)程中，鋰離子動(dòng)力電池是其主要的動(dòng)力源，是當(dāng)下新能源汽車普遍的基礎(chǔ)配置。動(dòng)力電池在新能源汽車得到了廣泛使用，推動(dòng)了鋰離子動(dòng)力電池技術(shù)的快速發(fā)展，同時(shí)也促進(jìn)了新能源汽車的可持續(xù)發(fā)展。以前，動(dòng)力電池通常采用鉛酸動(dòng)力電池、鎳氫堿性電池、鎳隔酸性電池類型，現(xiàn)在通常采用鋰離子動(dòng)力電池。

根據(jù)電池所采用電解質(zhì)材料的不同，可以將電池分為液態(tài)鋰離子電池、聚合物鋰離子電池。兩種電池的區(qū)別在于電解質(zhì)的不一樣，液態(tài)鋰離子電池使用的是液體電解質(zhì)，聚合物理離子電池通常采用聚合物電解質(zhì)。但是無(wú)論是哪種形態(tài)的電池，它們所采用的正負(fù)極材料都是相同的物質(zhì)，工作原理也是一致的。

鋰離子動(dòng)力電池在使用原理上通常表現(xiàn)為鋰離子濃差電池的機(jī)理，電池的正負(fù)電極都是利用不同的鋰離子嵌入化合物而形成的。電池正極常用的鋰化合物包括LiCoO2、LiNiO2、LiMnO4；電池負(fù)極常用的是鋰碳層間化合物L(fēng)iC6，而電解質(zhì)常見的是LiPF6、LiAsF6等有機(jī)溶液。電池的充電和放電過(guò)程是利用鋰在正負(fù)電極間的往返嵌入和脫嵌所形成的。

當(dāng)電池在充電期間，鋰離子從電池的正級(jí)脫嵌，在經(jīng)過(guò)電解質(zhì)后再嵌入到電池的負(fù)極，這時(shí)的負(fù)極便處于富鋰狀態(tài)，而電池的正極處于貧鋰狀態(tài)，同一時(shí)間電子的補(bǔ)償電荷便會(huì)從外電路提供到碳負(fù)極，從而維持負(fù)極的電平衡。電池的放電原理與充電時(shí)相反，放電時(shí)鋰從負(fù)級(jí)脫嵌，然后經(jīng)過(guò)電解質(zhì)再嵌入到電池的正極，這時(shí)正極的鋰處于富態(tài)狀態(tài)，而負(fù)極的鋰處于缺少狀態(tài)。

所以當(dāng)電池在正常的充放電情況下，鋰離子從所在的層狀結(jié)構(gòu)碳材料以及層狀結(jié)構(gòu)氧化物的層間嵌入和嵌出，都只能引起層面間距的普通變化，不會(huì)對(duì)鋰離子的晶體造成破壞。電池在放電過(guò)程中，正負(fù)級(jí)所使用的材料化學(xué)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化的幾率較低。因此，觀察鋰離子電池的充放電狀態(tài)得知，鋰離子電池的反應(yīng)屬于理想中的可逆反應(yīng)。

3 鋰離子動(dòng)力電池的性能

鋰離子動(dòng)力電池使用時(shí)優(yōu)勢(shì)較多，具有安全、可靠及兼顧充電效率等方面的性能。電池在充電期間，通常采用兩段式的充電方法，第一階段采用恒流限壓方式，第二階段采用恒壓限流方式。鋰離子電池在使用期間和使用前期的電壓比較穩(wěn)定，電力的消耗比較緩慢，但是在后期使用時(shí)，電壓會(huì)出現(xiàn)快速下降。所以在后期使用時(shí)，必須對(duì)電池進(jìn)行有效控制，防止電池迅速放電而破壞的電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，從而造成不可逆的損傷。鋰離子動(dòng)力電池在充電過(guò)程中，可以對(duì)電池組進(jìn)行大流量的充電，等到電壓達(dá)到一定的限壓后，便在后期使用恒壓充電方式，這種方式不僅可以減少充電的時(shí)間，同時(shí)也可確保充電的安全性。鋰離子電池在充電過(guò)程中，充電電流的大小會(huì)直接影響到電池的整體性能，所以充電時(shí)如果電流較大，會(huì)導(dǎo)致電池組內(nèi)阻耗加大。由此可知，在鋰離子動(dòng)力電池充電過(guò)程中，必須要綜合各種因素，選擇適中的充電電流，有效控制電池組內(nèi)阻能的消耗，提升電池的使用性能。鋰離子電池工作原理圖如圖1所示。

4 鋰離子動(dòng)力電池的主要材料

4.1 負(fù)極材料

負(fù)極材料的合理應(yīng)用，是有效決定鋰離子電池整體性能的因素之一。負(fù)極材料必須具備比容量較高、容量衰減率較小、安全性能較高等優(yōu)勢(shì)，才能合理地將其利用到鋰離子動(dòng)力電池中。

4.2 石墨

石墨是在鋰離子動(dòng)力電池碳材料里應(yīng)用最廣、最早、最多的材料之一，也是被人們研究得最早的材料之一。石墨具有一定的優(yōu)勢(shì)，它本身含有完整的層狀晶體結(jié)構(gòu)，屬于層狀結(jié)構(gòu)布局，所以更有利于在鋰離子電池中得到利用，方便鋰離子的脫嵌，更能形成鋰與石墨層之間的一種化合物。石墨具有良好的充放電壓性能，可以與鋰源正極材料進(jìn)行良好的匹配使用，利用石墨所形成的電池組可以平穩(wěn)輸出電壓，所以是性能較好的一種鋰離子電池負(fù)極材料。鋰離子電池負(fù)極材料結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4.3 氧化物

氧化物是當(dāng)下人們極為關(guān)注的一種負(fù)極材料，其中包括金屬氧化物、金屬基復(fù)合氧化物和其他氧化物。但是金屬氧化物、金屬基復(fù)合氧化物雖然使用時(shí)有著較高的理論比容量，但是從氧化物中進(jìn)行置換時(shí)，金屬單質(zhì)會(huì)消耗大量的鋰，從而降低電池的容量性能，直接降低電池高容量的優(yōu)勢(shì)。由于氧化物所形成的負(fù)極材料循環(huán)壽命較長(zhǎng)，充電和放電的效率都可以達(dá)到100%，所以目前在儲(chǔ)能型鋰離子電池中得到了廣泛的應(yīng)用。

4.4 金屬鋰

金屬鋰是最早使用的電池負(fù)極材料，它的使用優(yōu)勢(shì)也較多，其理論比容量較大，所以金屬鋰在商業(yè)化的電池中得到廣泛應(yīng)用。金屬鋰電池在充電過(guò)程中，電池負(fù)極會(huì)開成枝晶，很容易導(dǎo)致電池出現(xiàn)短路情況，所以人們現(xiàn)在普遍使用石墨、氧化物等替代原來(lái)的金屬鋰的負(fù)極材料。

5 新能源汽車鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)分析

5.1 電池材料技術(shù)

鋰離子電池的性能主要受到電池材料的影響，包括正負(fù)極材料、電解質(zhì)和隔膜材料等。目前，正極材料主要采用鋰鐵磷酸鐵鋰、鋰鎳錳鈷酸三元材料等，負(fù)極材料則采用石墨。電解質(zhì)和隔膜材料在研發(fā)中也在不斷改進(jìn)，以提高電池的能量密度、安全性和壽命。同時(shí)，隨著科技的不斷發(fā)展，研究人員也在尋找更加優(yōu)化的材料來(lái)改善鋰離子電池的性能。

正極材料的選擇對(duì)電池性能起著重要作用。鋰鐵磷酸鐵鋰作為一種常見的正極材料，具有較高的安全性和循環(huán)壽命，但其能量密度較低，限制了電池的續(xù)航能力。為了克服這一問(wèn)題，研究人員正在開發(fā)更高能量密度的正極材料，如鋰鎳錳鈷酸三元材料。相比于鋰鐵磷酸鐵鋰，鋰鎳錳鈷酸三元材料具有更高的能量密度，能夠?yàn)殡姵靥峁└L(zhǎng)的使用時(shí)間。

負(fù)極材料也是影響鋰離子電池性能的關(guān)鍵因素之一。目前，石墨是最常用的負(fù)極材料，但其能量?jī)?chǔ)存能力有限，導(dǎo)致電池的能量密度無(wú)法進(jìn)一步提升。為了解決這個(gè)問(wèn)題，研究人員正在尋找新型的負(fù)極材料，如硅和氮化硅等。這些材料具有更高的能量?jī)?chǔ)存能力，能夠顯著提升電池的能量密度和續(xù)航能力。

5.2 電池管理系統(tǒng)技術(shù)

電池管理系統(tǒng)（BMS）負(fù)責(zé)監(jiān)測(cè)、控制和保護(hù)電池的工作狀態(tài)，包括電池溫度、電壓、電流等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)。BMS技術(shù)的發(fā)展能夠提高電池的安全性和穩(wěn)定性，延長(zhǎng)電池的壽命，并提高整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的效率[4]。隨著電動(dòng)汽車的普及和需求的增加，BMS技術(shù)也在不斷發(fā)展和創(chuàng)新。

一方面，BMS可以根據(jù)電池的工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)，確保電池在安全范圍內(nèi)運(yùn)行。例如，BMS能夠監(jiān)測(cè)電池溫度，一旦溫度過(guò)高，BMS就會(huì)通過(guò)控制系統(tǒng)及時(shí)降低電池的工作溫度，防止電池過(guò)熱而損壞。

另一方面，BMS還可以監(jiān)測(cè)電池的電壓和電流，保證電池的正常運(yùn)行和充放電過(guò)程的穩(wěn)定性。通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，BMS能夠減少電池的能量損失，提高電池的效率，同時(shí)延長(zhǎng)電池的使用壽命。除了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)功能外，BMS還具備電池保護(hù)的重要作用。當(dāng)電池出現(xiàn)故障或異常情況時(shí)，BMS能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)并采取相應(yīng)的措施，以保護(hù)電池以及整個(gè)動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全。

例如，當(dāng)電池電壓過(guò)高或過(guò)低時(shí)，BMS會(huì)自動(dòng)切斷電池與負(fù)載的連接，防止電池?fù)p壞或引發(fā)火災(zāi)等嚴(yán)重后果。另外，BMS還可以監(jiān)測(cè)電池的剩余容量和健康狀況，提前預(yù)警電池的壽命和性能衰減情況，為用戶提供更精確的電池管理和維護(hù)建議。

5.3 快速充電技術(shù)

為了滿足用戶對(duì)快速充電的需求，新能源汽車鋰離子動(dòng)力電池系統(tǒng)需要具備快速充電技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外正在研發(fā)和推廣的充電技術(shù)包括直流快速充電（DCFC）、交流快速充電（ACFC）以及無(wú)線充電等。

DCFC是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛、效率最高的充電方式之一。它采用直流電源將電能直接輸送到動(dòng)力電池中，大大縮短了充電時(shí)間。與傳統(tǒng)的交流充電方式相比，直流快速充電技術(shù)能夠?qū)⒊潆姇r(shí)間縮短至幾十分鐘甚至更短，為用戶提供了更便捷的充電體驗(yàn)。

另一種快速充電技術(shù)是ACFC。與直流快速充電不同，ACFC技術(shù)利用交流電源將電能輸送到動(dòng)力電池中。它在某些特定情況下具備一定的優(yōu)勢(shì)，例如在停車場(chǎng)等公共場(chǎng)所設(shè)置交流充電樁，可以為多個(gè)車輛提供同時(shí)充電的服務(wù)，提高充電效率。

除了直流快速充電和交流快速充電技術(shù)，無(wú)線充電也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。無(wú)線充電技術(shù)通過(guò)電磁感應(yīng)或者電磁輻射將電能傳輸?shù)狡嚨膭?dòng)力電池中，免去了插拔充電線的繁瑣步驟。用戶只需將電動(dòng)車停放在支持無(wú)線充電的區(qū)域，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)充電。這種技術(shù)的便捷性和無(wú)需人工干預(yù)的特點(diǎn)，使得無(wú)線充電技術(shù)在特定場(chǎng)景下具備廣闊的應(yīng)用前景。

6 結(jié)語(yǔ)

新能源汽車的運(yùn)行，電池為主要?jiǎng)恿υ?，所以?duì)動(dòng)力電池系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)進(jìn)行不斷改善是重中之重。要不斷引入各種新型環(huán)保的電池制作材料，不斷優(yōu)化電池制作技術(shù)，提高電池的使用安全性，才能保證電池的使用效率，更能促進(jìn)新能源汽車的穩(wěn)定持續(xù)發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：

武珊，男，1991年生，助理工程師，研究方向?yàn)檐囕v工程。