新能源汽车锂离子动力电池简析

新能源汽车锂离子动力电池简析

王超

黑龙江林业职业技术学院 黑龙江牡丹江 157011

摘要：锂离子电池是新能源汽车普遍使用的动力源，本文简单分析了锂离子动力电池的工作原理和充、放电性能。

0. 前言

新能源汽车的动力源与传统汽车动力源是有很大区别的，传统汽车的动力源是利用内燃机原理制造的各种发动机，如汽油发动机、柴油发动机等；新能源汽车采用的动力源一般有动力电池、锌空气电池、超高速飞轮、超级电容器、燃料电池等。

1. 锂离子动力电池原理

动力电池作为新能源汽车的动力源，是当前新能源汽车普遍采用的配置。随着动力电池在新能源汽车的大面积使用，也促进了动力电池技术的飞速发展，早期动力电池一般采用铅酸动力电池、镍氢/镍镉碱性电池，现在一般采用锂离子动力电池。

根据锂离子电池所用电解质材料不同，锂离子电池可以分为液态锂离子电池(Lithium Ion Battery，LIB)和聚合物锂离子电池(Polymer Lithium Ion Battery，LIP)两大类。它们的主要区别在于电解质不同，液态锂离子电池使用的是液体电解质，而聚合物锂离子电池则以聚合物电解质来代替。不论是液态锂离子电池还是聚合物锂离子电池，它们所用的正负极材料都是相同的，工作原理也基本一致。锂离子电池在原理上实际是一种锂离子浓差电池，正、负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物组成，正极采用锂化合物LiCoO2，LiNiO2或LiMn2O4，负极采用锂碳层间化合物LiC6，电解质为LiPF6和LiAsF6等有机溶液。经过Li+在正负电极间的往返嵌入和脱嵌形成电池的充电和放电过程。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌人负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保持负极的电平衡。放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入到正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。正常充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料和层状结构氧化物的层间嵌入和脱出，一般只引起层面间距的变化，不破坏晶体结构；在放电过程中，负极材料的化学结构基本不变。因此，从充放电的可逆性看，锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。

锂离子二次电池正极材料是具有能使锂离子较为容易地嵌入和脱出，并能同时保持结构稳定的一类化合物——嵌入式化合物，被用来作为电极材料的嵌入式化合物均为过渡金属氧化物。充放电循环过程中，锂离子会在金属氧化物的电极上进行反复的嵌入和脱出反应，因此，金属氧化物结构内氧的排列和其稳定性是电极材料的一个重要指标。作为嵌入式电极材料的金属氧化物，依其空间结构的不同主要可分为以下三种类型：层状化合物LiCoO2、LiNiO2；尖晶石型结构LiMn2O4；橄榄石型结构LiFePO4。LiCoO2具有放电电压高、性能稳定、易于合成等优点。但钴资源稀少，价格较高，并且有毒，污染环境。镍与钴的性质非常相近，而价格却比钴低很多，井且对环境污染较小。Mn元素含量丰富，价格便宜，毒性远小于过渡金属Co、Ni等。主要缺点是电极的循环容量容易迅速衰减，原因主要有：LiMn2O4的正八面体空隙发生变化产生四方畸变；LiMn204中的锰易溶解于电解液中而造成流失；电极极化引起内阻增大。LiFePO4中的强共价键作用使其在充放电过程中能保持晶体结构的高度稳定性，因此具有比其他正极材料更高的安全性能和更长的循环寿命。另外LiFePO4有原材料来源广泛、价格低廉、无环境污染、比容量高等优点。负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键因素之一，比容量高、容量衰减率小、安全性能好是对负极材料的基本要求。石墨是锂离子电池碳材料中应用最早、研究最多的一种，其具有完整的层状晶体结构。石墨的层状结构，有利于锂离子的脱嵌，能与锂形成锂一石墨层间化合物，其理论最大放电容量为372mA·h／g，充放电效率通常在90％以上。锂在石墨中的脱／嵌反应主要发生在0～0 .25V之间(相对于Li+/Li)，具有良好的充放电电压平台，与提供锂源的正极材料匹配性较好，所组成的电池平均输出电压高，是一种性能较好的锂离子电池负极材料。氧化物是当前人们研究的另一种负极材料体系，包括金属氧化物、金属基复合氧化物和其他氧化物。前两者虽具有较高理论比容量，但因从氧化物中置换金属单质消耗了大量锂而导致巨大容量损失，抵消了高容量的优点；Li4Ti5O12具有尖晶石结构，充放电曲线平坦，放电容量为150mA·h／g，具有非常好的耐过充、过放特征，充放电过程中晶体结构几乎无变化(零应变材料)，循环寿命长，充放电效率近100％，目前在储能型锂离子电池中有所应用。

2.锂离子动力电池的性能

锂离子电池充电从安全、可靠及兼顾充电效率等方面考虑，通常采用两段式充电方法。第一阶段为恒流限压，第二阶段为恒压限流。锂离子电池充电的最高限压值根据正极材料不同而有一定的差别。锂离子电池放电在中前期电压稳定，下降缓慢，但在放电后期电压下降迅速。在此阶段必须进行有效控制，防止电池过放电，避免对电池造成不可逆性损害。对于不同的锂离子电池，区别主要有两点：第一阶段恒流值，根据电池正极材料和制造工艺不同，最佳值存在一定的差别。一般采用电流范围为0.2～0.3C。不同锂离子电池在恒流时间上存在很大的差别，恒流可充入容量占总体容量的比例也存在很大差别。充电电流对充电特性的影响：在实际电池组应用中，可以以锂离子电池允许的最大充电电流充电，达到限压后，进行恒压充电，这样在减少充电时间的基础上，也保证了充电的安全性。对充电过程进行综合考虑，由于充电电流与内阻能耗成平方关系，是影响内阻能耗的主要因素，所以充电电流大的内阻能耗大。在实际电池应用中，应综合考虑充电时间和效率，选择适中的充电电流。放电深度对充电特性的影响：随放电深度增加，充电所需时间增加，但平均每单位容量所需的充电时间减少，即充电时间的增加同放电深度不成正比增加；随放电深度增加，恒流充电时间所占总充电时间比例增加，恒流充电容量占所需充人容量的比重增加；随放电深度增加，等安时充放电效率有所降低，但降低幅度不大。

3、小结：

锂离子动力电池的应用极大的提高了新能源汽车的续航里程，同时，随着技术的进步，新工艺、新材料、新方法的应用，新能源汽车的续航里程还将不断的提高。

参考文献

[1]蒋鸣雷.新能源汽车动力电池结构与检修[M].北京:机械工业出版社,2020

[2]孙萍.认识新能源汽车[M].北京：北京出版社，2020