電動汽車用鋰離子電池的性能研究

李瑩

遼寧營口職業技術學院機電系，遼寧 營口 115000

電動汽車用鋰離子電池的性能研究

李瑩

遼寧營口職業技術學院機電系，遼寧 營口 115000

針對目前用于電動汽車的蓄電池的發展進行了綜合總結，對鉛酸蓄電池、鎳氫電池、鋰離子電池性能和特點作了全面的對比，最后結合試驗對鋰電池的充放電性能進行了研究，獲得了鋰離子電池充放電性能的一些初步認識。

動力電池；鋰離子電池

引言

日益枯竭的自然資源和不斷攀升的能源需求，是人類面臨的矛盾問題。電動汽車的研制與開發已經成為當今世界各國汽車行業的熱點。然而，電動汽車發展的瓶頸之一就是電源問題。目前阻礙電動汽車推廣的主要障礙是一次充電的續駛里程和初始價格。國內外正在研發的電動汽車有三種,即:完全以電池作為動力的電動車(BOEV)，以內燃機為主動力，電池為輔助動力的混合式電動車(HEV)以及燃料電池電動車(FCEV)。

1 幾種常用動力電池的比較

電池的開發和利用是電動汽車成敗的關鍵。電動車電池是可充電電池或稱二次電池。目前普遍動力車使用的二次電池有:鉛酸電池、鎳鎘電池、鎳氫電池和鋰離子電池。

1.1 鉛酸電池

它是采用金屬鉛作為負極，二氧化鉛作為正極，用硫酸作為電解液，其化學反應式為：放電時，鉛和二氧化鉛都與電解液反應生成硫酸鉛。充電時反應過程正好相反。它的優點是技術比較成熟，可靠性好、原材料價格便宜，比功率基本上能滿足電動汽車的動力性要求。缺點是比能量較低，導致一次充電的行駛里程短，并且質量和體積較大，增加了汽車的自重和自身功率消耗。另外鉛酸電池的使用壽命短，使用成本較高。鉛酸電池的最大缺點是比能量低、效率低和污染環境。目前，國內鉛酸電池仍然有旺盛的市場生命力。如城市客車安凱客車、安源客車、廈門金旅仍然在使用鉛酸電池。

1.2 鎳氫電池

Ni-MH電池正極活性物質采用氫氧化鎳，負極活性物質為貯氫合金，電解液為氫氧化鉀溶液，電池中的主要反應為：

式中M－貯氫合金；MHab－為貯有氫的貯氫合金。電池充電時，正極的氫進入負極貯氫合金中，放電時過程正好相反。在此過程中，正、負極的活性物質都伴隨著結構、成分體積的變化，電解液也發生變化。

鎳氫電池也屬于堿性電池,鎳氫電池安全性能高，無污染物，被譽為“綠色電源”，對環境污染小。比能量與比功率均較高。但是目前阻礙其應用的一個重要問題是初始成本的太高，而且還有記憶效應和充電發熱等問題，大電流充電性能略差；充電發熱會引發安全問題。鎳氫電池是市場上應用最為廣泛，技術最為成熟的動力電池。目前，市場上絕大部分的混合動力汽車都采用鎳氫電池作為輔助動力源。

1.3 鋰離子電池

鋰離子電池使用鋰碳化合物作負極，鋰化過渡金屬氧化物作正極，液體有機溶液或固體聚合物作為電解液。在充放電過程中，鋰離子在電池正極和負極之間往返流動。電化學反應方程式為：

放電時，鋰離子由電池負極通過電解液流向正極并被吸收。充電時，過程正好相反。

鋰離子電池具有高的電池單體電壓、高的比能量和能量密度,可以說是當前比能量最高的電池，工作穩定。它的性能指標都可以滿足USABC制定的電動車中期目標。這樣就使得鋰離子電池在電動汽車上得到了廣泛的應用。

表1 四種二次電池的基本性能

2 鋰離子電池電池性能試驗

我們特針對鋰離子電池鋰離子電池進行了試驗，分別為：不同放電電流條件下的鋰離子電池放電容量試驗研究；不同溫度條件下的鋰離子電池放電容量試驗研究；不同充電電流條件下鋰離子電池充電時間試驗。

2.1 不同放電電流條件下的鋰離子電池放電容量試驗

由于電動汽車在爬坡、啟動、加速時都要求動力電池能夠提供大的比功率，即足夠大的電流放電以提供足夠的動力。我們對鋰離子電池進行了C/3、C/2、C/1倍率的放電試驗，數據見表2。從試驗結果中可知，隨著電池放電電流的增大，蓄電池的放電容量上升后下降，這是由于鋰離子在電池內的擴散速度較慢，隨著放電電流的增大，使離子擴散速度變快，提高了放電容量；但是隨著放電電流的進一步增大，電池內的濃差極化增大，電池固有內阻所引起的電壓降也增大，從而使電池的放電容量相應下降。

表2 不同放電電流條件下的電池放電試驗

圖1：不同溫度條件下的鋰離子電池放電容量試驗

由于汽車在的工況變化很大，所以我們對鋰離子電池進行了在-15℃、0℃、40℃溫度相關的放電試驗，數據見表3。從試驗結果中可知，隨著電池工作溫度的升高，蓄電池的放電容量明顯上升。這是由于低溫下鋰離子在電池內的擴散速度較慢，隨著溫度升高電池活性增強的結果。但是保溫時間增長后電池整體溫度上升使離子活動進一步趨于紊亂，導致內阻上升，放電容量略有下降。

表3 不同溫度條件下的鋰離子電池放電試驗

圖2 不同充電電流條件下鋰離子電池充電時間試驗

由于充電的時間要遠遠長于加油的時間，所以電動汽車與內燃機汽車相比重要的一個特征就是補充能量的時間不可忽略。同時充電容量與充電時間也密切相關。我們都選取電壓為終止標志，由表4可見，充電電流越大，則充電時間越短，但充電容量也越少。這是因為充電電流增大使電池內部離子濃度失衡更嚴重，由此造成的電極化增強，能更快達到充電終止電壓但充入的電量就越少。

表4 不同充電電流條件下鋰離子電池充電時間試驗

圖3 不同充電電流條件下鋰離子電池充電時間試驗

3 結語

鉛酸動力電池最安全，成本最低，當然是電動汽車的可選動力電源，但比能量、比功率都較低。鎳氫動力電池比功率和比能量方面都比鉛酸動力電池有所提高，但是成本高，還存在安全問題，為提高安全性需要使用電池管理系統。鋰離子電池具有良好的性能指標，必將有廣闊的發展前景，預計到2020年前后，電動汽車業必將成為鋰離子電池的時代。

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10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.082