新能源汽車鋰離子動力電池系統應用技術

摘要：隨著我國經濟的不斷發展，各種不可再生資源的利用量日益增大，不僅加劇了資源的過度消耗，而且對環境也造成了破壞，因此必須不斷提升環保節能意識，加強對能源安全和環境保護的重視。新能源汽車有無污染、能源清潔的優勢，在新時代形勢下得以快速發展。鋰離子動力電池的性能較好，在新能源汽車中得到了廣泛的應用，不僅起到了節能減排的效果，而且能滿足新能源汽車后續的發展需要。由此，針對新能源汽車中鋰離子動力電池系統應用技術進行探討與分析。

關鍵詞：新能源汽車；鋰離子動力電池；系統應用；技術分析

中圖分類號：U469 收稿日期：2023-03-08

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.09.008

1 前言

在新能源汽車市場的快速發展中，鋰離子動力電池起到了關鍵性的作用。鋰離子電池具備環保節能的優勢，得到新能源汽車以及相關行業的特別重視。鋰離子電池含有隔膜器鋰電材料，在使用過程中可以充分發揮其技術壁壘性能。但是目前我國的隔膜系生產技術水平不是很高，致使鋰離子動力電池發展受到一定的限制。因此，必須加強對新能源汽車鋰離子動力電池系統應用技術的發展，對相關技術應用進行改善，不斷推動動力電池系統技術的應用推廣，逐漸提高其使用性能，才能確保新能源汽車的可持續發展。

2 鋰離子動力電池的原理

新能源汽車在使用過程中，鋰離子動力電池是其主要的動力源，是當下新能源汽車普遍的基礎配置。動力電池在新能源汽車得到了廣泛使用，推動了鋰離子動力電池技術的快速發展，同時也促進了新能源汽車的可持續發展。以前，動力電池通常采用鉛酸動力電池、鎳氫堿性電池、鎳隔酸性電池類型，現在通常采用鋰離子動力電池。

根據電池所采用電解質材料的不同，可以將電池分為液態鋰離子電池、聚合物鋰離子電池。兩種電池的區別在于電解質的不一樣，液態鋰離子電池使用的是液體電解質，聚合物理離子電池通常采用聚合物電解質。但是無論是哪種形態的電池，它們所采用的正負極材料都是相同的物質，工作原理也是一致的。

鋰離子動力電池在使用原理上通常表現為鋰離子濃差電池的機理，電池的正負電極都是利用不同的鋰離子嵌入化合物而形成的。電池正極常用的鋰化合物包括LiCoO2、LiNiO2、LiMnO4；電池負極常用的是鋰碳層間化合物LiC6，而電解質常見的是LiPF6、LiAsF6等有機溶液。電池的充電和放電過程是利用鋰在正負電極間的往返嵌入和脫嵌所形成的。

當電池在充電期間，鋰離子從電池的正級脫嵌，在經過電解質后再嵌入到電池的負極，這時的負極便處于富鋰狀態，而電池的正極處于貧鋰狀態，同一時間電子的補償電荷便會從外電路提供到碳負極，從而維持負極的電平衡。電池的放電原理與充電時相反，放電時鋰從負級脫嵌，然后經過電解質再嵌入到電池的正極，這時正極的鋰處于富態狀態，而負極的鋰處于缺少狀態。

所以當電池在正常的充放電情況下，鋰離子從所在的層狀結構碳材料以及層狀結構氧化物的層間嵌入和嵌出，都只能引起層面間距的普通變化，不會對鋰離子的晶體造成破壞。電池在放電過程中，正負級所使用的材料化學結構發生變化的幾率較低。因此，觀察鋰離子電池的充放電狀態得知，鋰離子電池的反應屬于理想中的可逆反應。

3 鋰離子動力電池的性能

鋰離子動力電池使用時優勢較多，具有安全、可靠及兼顧充電效率等方面的性能。電池在充電期間，通常采用兩段式的充電方法，第一階段采用恒流限壓方式，第二階段采用恒壓限流方式。鋰離子電池在使用期間和使用前期的電壓比較穩定，電力的消耗比較緩慢，但是在后期使用時，電壓會出現快速下降。所以在后期使用時，必須對電池進行有效控制，防止電池迅速放電而破壞的電池內部結構，從而造成不可逆的損傷。鋰離子動力電池在充電過程中，可以對電池組進行大流量的充電，等到電壓達到一定的限壓后，便在后期使用恒壓充電方式，這種方式不僅可以減少充電的時間，同時也可確保充電的安全性。鋰離子電池在充電過程中，充電電流的大小會直接影響到電池的整體性能，所以充電時如果電流較大，會導致電池組內阻耗加大。由此可知，在鋰離子動力電池充電過程中，必須要綜合各種因素，選擇適中的充電電流，有效控制電池組內阻能的消耗，提升電池的使用性能。鋰離子電池工作原理圖如圖1所示。

4 鋰離子動力電池的主要材料

4.1 負極材料

負極材料的合理應用，是有效決定鋰離子電池整體性能的因素之一。負極材料必須具備比容量較高、容量衰減率較小、安全性能較高等優勢，才能合理地將其利用到鋰離子動力電池中。

4.2 石墨

石墨是在鋰離子動力電池碳材料里應用最廣、最早、最多的材料之一，也是被人們研究得最早的材料之一。石墨具有一定的優勢，它本身含有完整的層狀晶體結構，屬于層狀結構布局，所以更有利于在鋰離子電池中得到利用，方便鋰離子的脫嵌，更能形成鋰與石墨層之間的一種化合物。石墨具有良好的充放電壓性能，可以與鋰源正極材料進行良好的匹配使用，利用石墨所形成的電池組可以平穩輸出電壓，所以是性能較好的一種鋰離子電池負極材料。鋰離子電池負極材料結構如圖2所示。

4.3 氧化物

氧化物是當下人們極為關注的一種負極材料，其中包括金屬氧化物、金屬基復合氧化物和其他氧化物。但是金屬氧化物、金屬基復合氧化物雖然使用時有著較高的理論比容量，但是從氧化物中進行置換時，金屬單質會消耗大量的鋰，從而降低電池的容量性能，直接降低電池高容量的優勢。由于氧化物所形成的負極材料循環壽命較長，充電和放電的效率都可以達到100%，所以目前在儲能型鋰離子電池中得到了廣泛的應用。

4.4 金屬鋰

金屬鋰是最早使用的電池負極材料，它的使用優勢也較多，其理論比容量較大，所以金屬鋰在商業化的電池中得到廣泛應用。金屬鋰電池在充電過程中，電池負極會開成枝晶，很容易導致電池出現短路情況，所以人們現在普遍使用石墨、氧化物等替代原來的金屬鋰的負極材料。

5 新能源汽車鋰離子動力電池系統應用技術分析

5.1 電池材料技術

鋰離子電池的性能主要受到電池材料的影響，包括正負極材料、電解質和隔膜材料等。目前，正極材料主要采用鋰鐵磷酸鐵鋰、鋰鎳錳鈷酸三元材料等，負極材料則采用石墨。電解質和隔膜材料在研發中也在不斷改進，以提高電池的能量密度、安全性和壽命。同時，隨著科技的不斷發展，研究人員也在尋找更加優化的材料來改善鋰離子電池的性能。

正極材料的選擇對電池性能起著重要作用。鋰鐵磷酸鐵鋰作為一種常見的正極材料，具有較高的安全性和循環壽命，但其能量密度較低，限制了電池的續航能力。為了克服這一問題，研究人員正在開發更高能量密度的正極材料，如鋰鎳錳鈷酸三元材料。相比于鋰鐵磷酸鐵鋰，鋰鎳錳鈷酸三元材料具有更高的能量密度，能夠為電池提供更長的使用時間。

負極材料也是影響鋰離子電池性能的關鍵因素之一。目前，石墨是最常用的負極材料，但其能量儲存能力有限，導致電池的能量密度無法進一步提升。為了解決這個問題，研究人員正在尋找新型的負極材料，如硅和氮化硅等。這些材料具有更高的能量儲存能力，能夠顯著提升電池的能量密度和續航能力。

5.2 電池管理系統技術

電池管理系統（BMS）負責監測、控制和保護電池的工作狀態，包括電池溫度、電壓、電流等參數的實時監控和調節。BMS技術的發展能夠提高電池的安全性和穩定性，延長電池的壽命，并提高整個動力電池系統的效率[4]。隨著電動汽車的普及和需求的增加，BMS技術也在不斷發展和創新。

一方面，BMS可以根據電池的工作狀態進行實時監測和調節，確保電池在安全范圍內運行。例如，BMS能夠監測電池溫度，一旦溫度過高，BMS就會通過控制系統及時降低電池的工作溫度，防止電池過熱而損壞。

另一方面，BMS還可以監測電池的電壓和電流，保證電池的正常運行和充放電過程的穩定性。通過實時監控和調節，BMS能夠減少電池的能量損失，提高電池的效率，同時延長電池的使用壽命。除了實時監測和調節功能外，BMS還具備電池保護的重要作用。當電池出現故障或異常情況時，BMS能夠及時發出警報并采取相應的措施，以保護電池以及整個動力電池系統的安全。

例如，當電池電壓過高或過低時，BMS會自動切斷電池與負載的連接，防止電池損壞或引發火災等嚴重后果。另外，BMS還可以監測電池的剩余容量和健康狀況，提前預警電池的壽命和性能衰減情況，為用戶提供更精確的電池管理和維護建議。

5.3 快速充電技術

為了滿足用戶對快速充電的需求，新能源汽車鋰離子動力電池系統需要具備快速充電技術。目前，國內外正在研發和推廣的充電技術包括直流快速充電（DCFC）、交流快速充電（ACFC）以及無線充電等。

DCFC是當前應用最廣泛、效率最高的充電方式之一。它采用直流電源將電能直接輸送到動力電池中，大大縮短了充電時間。與傳統的交流充電方式相比，直流快速充電技術能夠將充電時間縮短至幾十分鐘甚至更短，為用戶提供了更便捷的充電體驗。

另一種快速充電技術是ACFC。與直流快速充電不同，ACFC技術利用交流電源將電能輸送到動力電池中。它在某些特定情況下具備一定的優勢，例如在停車場等公共場所設置交流充電樁，可以為多個車輛提供同時充電的服務，提高充電效率。

除了直流快速充電和交流快速充電技術，無線充電也受到了越來越多的關注。無線充電技術通過電磁感應或者電磁輻射將電能傳輸到汽車的動力電池中，免去了插拔充電線的繁瑣步驟。用戶只需將電動車停放在支持無線充電的區域，即可實現自動充電。這種技術的便捷性和無需人工干預的特點，使得無線充電技術在特定場景下具備廣闊的應用前景。

6 結語

新能源汽車的運行，電池為主要動力源，所以對動力電池系統應用技術進行不斷改善是重中之重。要不斷引入各種新型環保的電池制作材料，不斷優化電池制作技術，提高電池的使用安全性，才能保證電池的使用效率，更能促進新能源汽車的穩定持續發展。

參考文獻：

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[6]韓超.鋰離子動力電池行業的機遇與挑戰[J]. 商用汽車，2016（增1）：31-33.

作者簡介：

武珊，男，1991年生，助理工程師，研究方向為車輛工程。