摘 要：基于鋰離子電池在不同充電條件下的循環(huán)老化數(shù)據(jù)，建立低溫充電容量衰減的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停欠治鲭姵氐蜏乩匣?guī)律的有效手段，對(duì)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(jià)值和工程意義。

關(guān)鍵詞：新能源汽車鋰離子電池;快充技術(shù)

前言：近年來(lái)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(wú)記憶效應(yīng)、充放電壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)成為新能源汽車首要的儲(chǔ)能設(shè)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(wèn)題，大多數(shù)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(gè)能可逆的嵌入與脫嵌的鋰離子化合物作為正負(fù)極構(gòu)成的二次電池。鋰離子電池按照正極材料、負(fù)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(shí)際上是一種鋰離子濃差電池。鋰電池主要由正極板、負(fù)極板、電解質(zhì)、隔膜與外殼組成。其中，正極板上的活性物質(zhì)一般選用LixCOO2、LixNiO2或者LixMn2O4，負(fù)極板上的活性物質(zhì)一般選用鋰碳層間化合物L(fēng)ixC6。電解質(zhì)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(fù)合膜。外殼采用鋼或者鋁材料。當(dāng)電池充電時(shí)，鋰離子從正極中脫嵌，在負(fù)極中嵌入。當(dāng)電池放電時(shí)，鋰離子從負(fù)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(jié)構(gòu)的碳材料和層狀結(jié)據(jù)了國(guó)內(nèi)主導(dǎo)市場(chǎng)。

二、新能源汽車鋰離子電池快充技術(shù)

1.目前業(yè)界的快充方式均有弊端。眾所周知，對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，電池系統(tǒng)的充放電性能是決定車輛實(shí)際使用效果的重要指標(biāo)。高能量密度和快速充電能力不僅是各動(dòng)力電池廠商不斷努力開(kāi)發(fā)的技術(shù)方向，更是新能源技術(shù)的核心領(lǐng)域。衡量電動(dòng)車充電效率的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)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(chǔ)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(lái)。業(yè)界普遍認(rèn)為，電動(dòng)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(shí)間小于30 min 的技術(shù)。快充技術(shù)的核心，就是通過(guò)化學(xué)體系和設(shè)計(jì)優(yōu)化，加速鋰離子在正負(fù)極間移動(dòng)的速度。但是，在研發(fā)快充技術(shù)時(shí)光考慮速度還不行?？斐鋾r(shí)，鋰離子需要加速瞬時(shí)嵌入到負(fù)極。這對(duì)負(fù)極快速接收鋰離子的能力挑戰(zhàn)很大。普通化學(xué)體系的電池，在快充時(shí)負(fù)極會(huì)出現(xiàn)析鋰等副產(chǎn)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(fù)極材料來(lái)做到快充。目前業(yè)界為了實(shí)現(xiàn)快速充電，普遍采用鈦酸鋰和無(wú)定形碳作為負(fù)極活性材料，但是鈦酸鋰和無(wú)定形碳在實(shí)際應(yīng)用中均不可避免地存在能量密度嚴(yán)重不足、成本高的缺陷，常規(guī)增加導(dǎo)電材料用量的設(shè)計(jì)，也會(huì)影響電芯的能量密度?！敖陙?lái)，部分廠商開(kāi)始探索將石墨作為活性材料，但石墨在作為快充材料時(shí)面臨的難題是，如何讓鋰電子快速?gòu)恼龢O釋放出來(lái)，再快速?gòu)呢?fù)極進(jìn)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(guò)。也就是說(shuō)，石墨并非天生適合于快充技術(shù)的材質(zhì)。“但我們用技術(shù)突破了材質(zhì)本身瓶頸，它的殺手锏就是‘快離子環(huán)和‘超電子網(wǎng)。”在石墨表面打造一圈高速通道，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(fù)極的嵌入速度，并且，修飾后的石墨兼顧超級(jí)快充和高能量密度的特性，不會(huì)在快充時(shí)在負(fù)極會(huì)出現(xiàn)副產(chǎn)物，影響電芯的循環(huán)和穩(wěn)定性?！贝送猓夹g(shù)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了“超電子網(wǎng)”技術(shù)修飾正極材料，結(jié)合正負(fù)極極片的晶體取向和容量過(guò)量系數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)配，優(yōu)化電解液、正負(fù)極的動(dòng)力學(xué)性能，使化學(xué)體系和電池設(shè)計(jì)參數(shù)達(dá)到最優(yōu)匹配。此外，在機(jī)械件設(shè)計(jì)方面，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地對(duì)電池單體頂蓋進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，將電極端子設(shè)置到頂蓋板側(cè)面并減小端子厚度，顯著降低內(nèi)阻，有效控制快充發(fā)熱量，保證快充可靠性的同時(shí)提高5%以上能量密度。“我們的快充技術(shù)具備4C～5C快充能力，實(shí)現(xiàn)10～15min快速充電，與鈦酸鋰負(fù)極的快充體系相比，具有明顯的能量密度和成本優(yōu)勢(shì)，與行業(yè)內(nèi)同樣用石墨作負(fù)極的其他快充技術(shù)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(xiàn)象的方法。（1）強(qiáng)制消除。在大電流充電過(guò)程中，對(duì)蓄電池實(shí)施瞬時(shí)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(guò)程中，讓蓄電池瞬時(shí)停止充電，歐姆極化將迅速消失。同時(shí)，電化學(xué)極化和濃差極化起到緩沖作用。高質(zhì)量的充電方法應(yīng)使得電池具有以下優(yōu)點(diǎn)：長(zhǎng)的循環(huán)壽命、高的充放電效率、充電時(shí)間短，而多階恒流充電方法具有以上優(yōu)點(diǎn)。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(gè)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(guò)程中產(chǎn)生的極化現(xiàn)象，延長(zhǎng)大電流充電時(shí)間，使得充電電流按照快速充電特性曲線變化，實(shí)現(xiàn)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(dāng)?shù)膮?shù)作為階段恒流充電終止的判斷依據(jù)。通過(guò)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(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)保持穩(wěn)定。

結(jié)束語(yǔ)：

電池充放電過(guò)程中產(chǎn)熱發(fā)現(xiàn)，相同條件下，當(dāng)電池充電時(shí)，恒流充電階段電池最大產(chǎn)熱速率總比恒壓階段大;當(dāng)電池放電時(shí)，由于放電后期極化內(nèi)阻產(chǎn)熱不斷增加，導(dǎo)致電池最大產(chǎn)熱速率總出現(xiàn)在放電末期。本文為電動(dòng)車用鋰電池?zé)岚踩芯刻峁┝丝煽康膮⒖家罁?jù)。

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作者簡(jiǎn)介：

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