新能源汽车用锂离子动力电池单体选型方法研究

黄凯峰 王永

摘 要：近年来，我国加大对于能源节约力度，已经取得了非常不错的成效。锂离子动力电池是新能源型汽车的技术核心之一，在当下新能源汽车稳定发展的环境下得到了国内外的充分重视，有关汽车制造企业不断探索着利用新型材料或技术对现有电池进行改善，对新型电池的研發成为了新能源汽车领域中的一大重点。

关键词：新能源汽车;锂离子动力电池;单体选型方法

0 引言

时代的进步，科技的引领使得我国汽车行业发展非常迅速，改善我国人们的出行质量。随着能源安全与环境污染问题的日益严重，新能源车成为我国汽车发展的重要方向。动力电池作为新能源汽车的能量源，其性能直接决定了新能源汽车的整车性能，更成为决定电动车能否普及的关键因素。其中，锂离子电池因具有功率密度高、能量密度高、循环次数高、无记忆效应、成本低等优势，成为新能源汽车动力电池的主流。

1 锂离子电池

该类电池的物理化学特性在于，它的能量密度和电压都较高，当下在国防军事、社会生活两方面中，其应用愈发广泛。从电解液来对该类电池进行区分，锂离子电池有着聚合物电解质、液体电解质两类锂电池。而应用较广的聚合物电池中，以聚合物来进行区分，则可分为三元锂、锰酸锂或者钴酸锂等。该类电池的优势在于，其比能量较大，且重量较轻，污染和记忆效应都很小，其使用寿命相对较长。将其与镍氢电池相比，当体积重量一致时，该电池的蓄电能力比镍氢电池的1.5倍还要多。且从理论层面分析来看，该类电池的总电量仅仅开发有四分之一的水准，其开发前景广阔，作为一类真正能实现无污染的电池，对节能环保事业的开展十分有益。

2 新能源汽车

我国的新能源汽车发展模式，基本上是“政府+市场”型的，即政府积极参与和支持新能源汽车的研发及市场推广，带动新能源汽车生产企业自主研发，努力达到批量生产并成功推向市场的发展模式。经历了个人购车国家补贴阶段，从某种程度上也助推了新能源汽车的推广和普及。但是，就目前来看，新能源汽车个人购买的不多，市场占有率并不高，主要还是存在两方面的担心：一是担心电池的使用寿命。新能源电动汽车最主要的就是电池，怕一过保修期就要更换电池，而电池的价格并不低，这将是一笔不小的开支，还不如买一辆燃油车保险。二是担心续航能力跟不上。现在市场上的新能源电动汽车的续航能力大都在300到500公里之间，而这个续航能力只是在匀速的情况下的理论值，也就是说汽车在具体行驶的过程，很难做到一直匀速行驶，也就是说实际的续航能力肯定比这个还要小，一些人担心在上路行驶的过程中，特别是较长路段时，如果一时找不到充电桩，就会担心及时充不上电。也正是因为这两个关键性问题，导致了一些人迟迟不愿购买新能源汽车。

3 新能源汽车用锂离子动力电池单体选型

3.1 电池单体倍率充电特性

某电池单体的倍率充电特性曲线，充电倍率分别为1/3C、1C、3C，分别对应小功率、中等功率和大功率充电的情况，相关数据是整车性能仿真、制动能量回收控制和快充、慢充控制的重要支撑。倍率充电过程中的恒流充电量、恒压充电量、充电容量和充电能量等特性。相关数据可为前期分析电池总成的容量和能量（即电池成组）提供数据支撑，其中的充电容量比与充电能量比均以1/3C放电实际测量值为基准。

3.2 安全的电解液

锂离子热失控发生过程中，大多数放热反应都有电解液的参与，因此电解液在锂离子电池热失控过程中起着关键性的作用，提高电解液的稳定性，对于热失控的防止具有重要意义。目前，提高电解液安全性的方法主要有：添加阻燃剂、采用固态聚合类物质、采用离子液体和氧化还原钳制剂（Redoxshuttles）等。氟化碳酸乙烯（FEC）是研究最多的锂离子电解液添加剂（溶剂），最初的目的是改善SEI膜的成分和提高负极可逆的嵌入（脱）锂的库伦效率;同时，研究发现，PEC还可以提高LiNi0.8Co0.15Al0.015O2正极材料的热分解起始温度和减少放热;此外，与非氟化碳酸盐相比，PEC可以通过降低可燃性提高了电解液的安全性，并且，由于强碳-氟键的存在，其热稳定性也得到提高。近年来，科研人员研究发现，线性氟化碳酸酯（如（1-氟乙基）碳酸乙酯）也可能在提高锂离子电池电解液的安全性方面起决定性作用。对于锂离子电池常见的过充电危险，研究人员还在电解液中添加氧化还原钳制剂和具有特定电压隔绝作用的电解液添加剂来防止或延缓过充电对于电池的损害。

3.3 正极材料技术

电池技术的发展主要是依靠电池材料的不断发展，其中比能量的提高主要是电极材料的改进和提升。研究表明高比容量、高比功率、高安全性和长循环寿命的正极材料正成为电池产业研究的热点，从安全性角度来对正极材料应满足的基本条件进行设定：在要求的充放电电位范围内，与电解液具有良好的相容性;温和的电极过程动力学;可逆性好;在全锂化状态下稳定性好。另外从稳定性角度对正极材料的结构性也提出应满足以下几个特点：层状或隧道结构，以利于锂离子的脱嵌，且在锂离子脱嵌时无结构上的变化，以保证电极具有良好的可逆性;锂离子的嵌入和脱出量大，电极具有较高容量，并且锂离子脱嵌时，电极反应的自由能变化不大，以保证电池的充放电电压平稳;锂离子在其中应有较大的扩散系数，一般选用过渡性含锂金属化合物为正极材料。

4 结语

以实现电池总成精细设计为目标，提出了电池的设计流程，分析了电池单体选型及测试的重要性;针对电池单体选型及测试进行了详细论述，提出了包括否决项（安全性能和循环寿命）和参考项（性能）在内的电池单体性能测试方案。

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