浅谈混合电动汽车用锂离子动力电池.docx

浅谈混合电动汽车用锂离了动力电池一、混合电动汽车与锂离子电池中国是一个经济正在高速发展的发展中国家，汽车已成为城市的主要污染 源，也是每年要花费大量外汇进口石油的原因油电混合式电动车（HEV）和电 油混合式电动车（PHEV）是目前国际上发展最快的两类电动车HEV完全靠加油 站添加燃料，不需要外部充电，这种车辆排放的污染气体不到通常汽车的30%, 油耗通常可降低25-50%,丰田年销售几十万量的Prius等已在市场上获得了成 功PHEV电池的容量较大，可以完全依靠电力行驶一定的里程，也有人称之为 插电式混合电动汽车，一般PHEV一次充满电可行驶20-80Km,短途行驶则完全 依靠电力运行，当需要长距离行驶时，油箱中有油，切换到HEV模式运行，这种 车辆可以更大幅度地减少汽油的用量，对于家用小轿车，美国有人预测其节油可 达90% o PHEV的另一个好处是可充分利用夜间的低谷电以实现电网电力的充分 利用，受到电网公司的欢迎HEV和PHEV的行驶距离和加油方式均和通常汽油 车没有区别，易于为消费者接受，不仅在美国受到热捧，近期也有报道德国有超 过30%的人表示愿意购买混合动力汽车电池是混合电动汽车的核心部件，在可预见的将来，镣氢电池和锂离子电池 是混合电动动汽车的主要电池。

锂离子电池是目前世界最新一代的充电电池，它 的负极是碳素材料，正极是含锂的过渡金属化合物LiCo02. LiMn204. LiFeP04等， 电解质是锂盐的有机溶液或聚合物充电时，正极中的锂离子脱离LiCo02. LiFeP04或LiMmO」晶格，经过电解质输运嵌入电池的碳材料负极，放电时则相反 与其他蓄电池比较，锂离子蓄电池具有电压高、比能量高、充放电寿命长、无记 忆效应、无污染、快速充电、自放电率低、工作温度范围宽和安全可靠等优点， 已成为、笔记本电脑等移动电子设备的基本配备电源相比于镣氢电池，混 合电动汽车采用锂离子电池可使得电池组的重量下降40-50%,体积减少20-30%, 能源效率也有一定程度的提高此外，在很长的一段时期内，锂离子电池的成本 还可能会大幅度降低，到最后，在混合动力车中它的成本与镣氢电池相比就相对 较低，预期会得到广泛应用图1显示的是对混合电动汽车领域，锂离子电池和 镣氢电池在未来几年内，随着销量的增加的一个成本预测由于镣氢电池使用大 量的有色金属，而且其生产制造工艺基本定型，其成本下降的空间很小而锂离 子电池，可以完全不使用较贵金属，如正极采用偏酸锂和磷酸铁锂的电池，其原材料成本下降空间非常大，而且随着其制造工艺的进一步成熟，制造成本也有大 幅度下降的可能。

预计在不久的将来，车用锂离子电池的成本将下降到镣氢电池 的三分之二SOO 一节«>>~2£图1、锂离子电池成本预测'目前锂离子电池行业正在和即将发生结构上的重大调整，汽车工业要求锂 离子动力电池的寿命比小型电池长两倍以上，成本降50%,单体容量增加10倍 以上，生产规模增加几十甚至上千倍动力电池的产业化正伴随着材料、工艺和 装备的重大革新开始起飞，传统的钻基氧化物正极材料正在为成本更低和安全性 好的镒基氧化物和磷酸盐材料取代，用于小型电池的电极制备工艺也将会逐渐地 被高效、低能耗和污染小的新工艺所取代，大型动力电池的散热和高功率输入/ 出要求使电芯结构从卷绕式圆柱走向叠片式方型，相应的材料制备技术、电池制 造技术、工艺和装备不断地创新和深入发展大规模的产业发展对资源和环境也 造成了挑战，发展锂离子电池回收处理技术以实现材料的循环使用也已成为一个 紧迫的任务二、混合电动汽车用锂离子动力电池的电性能理想的混合电动汽车电源对比功率和比能量这两项核心指标都要求达到很 高的水平，且能在宽广的工作温度范围内工作，寿命更要求与汽车的使用寿命相 当，从表1即可看出HEV轿车要求其电池组具有很高的比功率、高比能量和超长 寿命。

如电池组重量小于40Kg,电芯总重量应小于30Kg,寿命中止时比功率应 达1700W/Kg,比能量应达70W/Kg,考虑到功率和容量衰减的因素和宽广的工作 温度范围，要求生产出的电池具有更高的比功率和比能量目前国内的高功率锂 离子电池已具有80Wh/Kg的比能量和高于2000W/Kg的比功率，国外已有 3000W/Kg高功率锂离子电池用于电动车辆的报道公开资料显示SAFT America. Yardney等正在研制比功率高达10000W/Kg的锂离子电池车用锂离子电池的寿 命要同事考虑里程寿命和周期寿命，里程寿命测试方法是按照车辆模拟工况做循 环寿命测试，依据被测电池组性能达到设定的中止条件时的循环次数推测电池组 的里程寿命周期寿命主要考虑电池搁置状态下性能会发生自然衰减，与电池温 度有密切的关系，一般通过室温和高温搁置的对比测试来预测电池组的周期寿 命，汽车工业要求电池具有15年的周期寿命目前对我们仍然是一个很大的挑战 表1显示的是理想的HEV轿车对电池组的主要的电性能的要求表1.理想的HEV轿车电池组主要电性能要求功率10秒放电最大电流（25度）50KW10秒充电最大电流（25度）50KW能量能量输出（25度）2 KW总能量输出（寿命终止）> 12M Wh寿命里程寿命>200, 000 公里周期寿命>15年温度工作温度-25 〜+55° C存储温度-40 〜+80 ° C从表1中我们可以看出，对于HEV轿车来说，大电流充放电，长寿命和宽工 作温度范围是混合汽车用高功率电池的最重要指标。

苏州星恒电源有限公司借助国家汽车重大专项的支持，依托中科院物理所 的基础研究支持，经过几年的努力，其生产的车用锂离子蓄电池的电性能基本达 到了混合电动车用高功率电池的要求图2显示的是8Ah混合电动车用高功率电 池的20C倍率放电曲线从图中可以看出，在50%S0C下20C放电，其放电深度 可以超过75%图2、高功率8Ah电芯50%S0C下20C放电性能(>75%D0D)作为家用的汽车，在冬天使用时，外界气温降低于0度，低温大电流启动也 是一项车用电池的基本性能要求图3显示的是高功率8Ah锂离子电池的低温倍 率特性在一10度的环境中保存24小时以上的电池，在5C放电倍率下，仍能 够放出超过3Ah的电能图4显示的是在极低温情况下的电池的放电特性枷6蛟5^0005JJ00D4^0004jOOODd35000 f3JMOO^—I)2期O& 2W3 wol1JOOOOSOOD 00图4、极低温放电性能对于高功率电池而言，其倍率特性是其一个基本的性能要求，但由于锂离子 电池体系的特殊性，存在随着时间和使用次数的增加，电池的内阻等会有所增加 那么如何保证即使在寿命终止时，电池的倍率特性仍能满足车用的要求，也就成 了一个关键因素。

下图显示的是高温55度条件下电芯内阻随着搁置时间的变化 情况，可以看出高功率电芯随着高温搁置时间其内阻增加量很少0 5 0 5 02 11 (mqo HI) s

随着电池容量的增加，电 池体积也在增加，其散热性能变差，出安全事故的可能性大幅度增加因此，将 锂离子蓄电池做成动力电池，就必须提高其安全性能，单体电池愈大，要求达到 的安全性指标也就愈高如沿用电池常用的钻酸锂和石墨作为锂离子动力电 池的正负极材料，电池大型化后的安全性将无法得到保障国内刚开始开展锂离子电池电动车研发时，曾出现若干爆炸和燃烧事故，一 个主要的原因是使用通常电池采用的钻酸锂做为电池的正极材料钻酸锂材 料的理论比能量超过270mAh/g,但为保证其循环性，实际使用比容量只有理论 容量的一半，即140mAh/g左右在使用过程中发生某些意外的情况下，比如管 理系统损坏而导致电池充电电压过高，正极中剩余的一部分锂就会脱出经电解液 到负极表面以金属锂的形式沉积，而金属锂的表面电沉积极易形成“枝晶”，从 而刺穿隔膜，将正负极短路，引起起火爆炸等安全事故另外，金属锂非常活泼, 熔点也低，在电池温度局部过高或者壳体破损接触空气的情况下易于着火当时 寻找替代钻酸锂的正极材料以解决安全问题是动力型锂离子电池研发人员最优 先考虑的问题我国高功率锂离子电池安全问题在“十五”期间，得到了较好的 解决。

采用改性镒酸锂材料降低了正极的氧化性，活性锂的含量也比钻酸锂的低 但有关负极、电解液和制造、使用等方面的问题仍需注意，镒酸锂单体电池容量 可以大到什么程度也还有争论，日本批量生产的镒酸锂电池单体容量不大，如公 开报道的用于东京电力3000辆车的电池为216只13Ah的镒酸锂电池采用可耐更高温度的新型隔膜和加阻燃剂的电解液也是提高锂离子电池安全性 的技术手段下图显示的是苏州星恒用于燃料电池混合电动轿车的高功率8Ah镒酸锂电池经过各种安全试验后的部分实物照片o图6短路试验图7挤压试验图8针刺试验图9高温炉热试验图10金属块体挤压应该说，在国家863重大项目的支持下，在包括物理所同事在内的广大兄弟单 位的帮助支持下，苏州星恒经过多年的努力，针对使用镒酸锂作为正极材料的8Ah 高功率电芯的安全性方面取得了不错的成绩四、锂离子电池的设计与制造按电池外形分，车用锂离子电池芯可以分为圆柱和方形（包括软包装型）两种 类型，圆柱形锂离子电池内部极组为卷绕式，壳盖间采用塑料密封胶卷，以机械 方式进行卷边压缩密封，电池盖子是一个组合件，具有多种保护功能，其中有在 内压过高时自动破裂的安全阀和压力过高时断路保护机构。

方形锂离子电池内部 极组可为卷绕式或叠层式，目前的商品电池均采用卷绕式为主，方形电池采用激 光焊接，实现了壳盖一体化，壳或盖上有内压过高时自动破裂的安全阀国外企业前几年公布的动力锂离子电池一般采用卷绕方式，但基于卷绕的锂 离子动力电池工艺有致命的弱点，卷绕式电池芯内的极片和隔膜在电池充放电过 程中受到的局部应力非常不一致，在小电池因其直径小应力影响不是很大，但对 于体积大10倍以上的动力电池，则易于出现极片断裂和其他问题叠片式生产 工艺可采用极片包膜工艺以解决卷绕式电芯在高温下经常遇到的因隔膜收缩而 导致的短路问题，从电池的散热角度讲也是更为合理的设计根据最近公开的信 息，日本最新的电动汽车用锂离子电池即采用镒酸锂正极材料和叠片式结构电池的制造涉及材料筛选和评价、极片制造、电芯制造和电池组装配等一系 列流程，制造过程直接关系到对电池的一致性、安全性电极材料的好坏直接决 定了电芯所能达到的性能极限，。