高功率型磷酸铁锂动力电池的研制

发布时间:2018-07-02 来源: 日记大全 点击:


  [摘 要]随着我国新能源汽车产业发展的不断推进,高功率型磷酸铁锂动力电池的应用范围也在不断扩大,其在满足动力汽车安全运行的同时,也实现了社会工业的低碳经济、循环经济发展目标。所以,要想使该动力电池技术得到更好的提升,就要对其整体设计和制造工艺进行深入的研究。
  [关键词]高功率型磷酸铁锂;动力电池;研究分析
  中图分类号:S383 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2018)24-0278-02
  高功率型磷酸铁锂电池的主要制作材料主要以正极材料为主(LiFePO4),其不仅具有高效的循环使用寿命和热稳定性能,而且生产资源也是十分丰富,在经济层面和环保层面上,也有着一定的应用优势。现阶段,我国国产混合动力汽车,都是依托高功率型磷酸铁锂电池,才能实现安全平稳的运行。但是在实际应用时,也会存有很多不完善的地方,所以,为了促进该电池得到更长远的发展,本文也会对其整体研制过程进行全面的分析,进以根据分析结果,提出一些可行性的优化措施,以便为有关单位作为参考。
  1.锂离子电池工作原理和组成结构
  1.1 工作原理
  众所周知,电池可以分为一次电池和二次电池两种类型,其中,一次电池的特性是在电量使用完毕后,无法通过再充电进行恢复;而二次电池则具有较强的循环使用功能,其在一次放电完毕后,还可以进行反复的充电、放电,使用寿命十分长远。现阶段,二次电池的应用范围较为突出,其生产类型也是多种多样,常见的有:铅酸电池、镍福电池、镍氢电池和锂离子电池等。在这些电池中,尤以锂离子电池最受欢迎,已成为全世界公认的综合性能最优异的二次电池体系。
  1.2 组成结构
  锂离子电池的组成结构十分复杂,主要包括:正极、负极、隔膜、电解液和电池外壳等构造,其生产类型一般可分为LIB液态锂离子电池及PLIB聚合物锂离子电池两种形式,两者的差异主要是电解质不一样,但工作原理却是基本相同,如图1所示。
  锂离子电池的正极是由多种锂化合物活性材料所构成,如:LiCo02、LiMn204、LiFeP04等材料;负极则是由炭系材料天然石墨或人造石墨等活性物質所组成;电解质则主要以溶解LiPF6等锂盐的有机电解液为主,其工作原理属于名副其实的浓度差锂离子电池。
  锂离子电池在实际充电时,Li+会从正极材料中脱离出来,经过电解液和隔膜直接迁移到负极材料中,进而使电池负极处于富锂态、正极处于贫锂态,这样电子的补偿电荷就会通过外电路提供给电池负极,使其保持良好的充电效果。相对,电池的放电程序,则是Li+从负极材料中脱离出来,经过电解液和隔膜直接迁移到正极材料中,进以使电池正极处于富锂态、负极处于贫锂态,这样电子的补偿电荷就会通过外电路提供给电池正极,使其放电效率得到有效的延缓。
  由此可见,无论锂电池充电还是放电,其中内含的Li+都会从正负极活性材料中脱离出来,且不会对材料晶体结构造成任何破坏。同时,也不会产生任何金属锂的沉积,可以始终保持良好的循环性能和安全性能,从化学角度来看,这种电池的工作原理属于较为理想的可逆性电化学反应,因此,适宜于在动力汽车控制系统中大力采用。
  2.锂电池的组装流程及化学性能
  2.1 组装流程
  高功率磷酸铁锂动力电池,也可称为LiFeP04动力电池,其具体组装流程如图2所示,主要是先组装正负极片的检片、焊极耳和吸尘,然后再组装正负极片和隔膜,并严格按照相应的操作规范和组装要求,来合理设置卷绕成卷芯,在其冲压装壳后,还要对正负极和盖帽进行紧密的焊接。最后,要对电池进行脱气处理,在处理完毕后向其内部注入适宜的电解液,封盖后放置在干燥通风的储存环境中搁置。
  2.2 化学性能
  2.2.1 恒流充放电性能
  高功率磷酸铁锂动力电池的恒流充放电性能,应采用BTS-5V400A
  电池综合性能检测仪来进行检测,正常情况下,其标准值为2.50-3.65V,温度值为20℃±50℃。
  2.2.2 循环伏安性能
  循环伏安法性能的检测,是将对称三角波扫描电压加在固定面积的工作电极和参比电极之间,然后根据电压和电流关系曲线图上的波形、氧化还原峰电位和氧化还原峰电流的数值及其比值等,推断出电极反应机理和循环伏安性能。一般情况下,锂电池正极材料的电压测试范围为2.3-4.2V。
  2.2.3 交流阻抗性能
  锂电池交流阻抗性能测试,主要是将不同小振幅频率的交流正弦电势波施加到电化学系统上,然后通过测量电流信号与交流电势之间的比值,来分析正弦波频率的变化规律,这样根据电池等效电路的构成和各元件大小,就可推测出电池的具体交流阻抗性能。
  3.锂电池的关键制备技术
  3.1 电极及电池设计
  一般情况下,高功率单体动力电池只有在达到一定容量的基础上,才能发挥出高倍率放电功能,而为了避免单体电池在串并联后会发生离散现象,在对其电极及电池进行设计时,应采用以下几种工艺技术:
  第一,正极活性材料要以LiZr0.03Fe0.94P04/C为主,负极活性材料以中间相炭微球材料为主。
  第二,为了控制大电流充放电时负极影响大于正极影响的情况发生,应采用双面粗糙度相同的铜箔,来进行电池浆料涂布、碾压及分条工序,以便可以最大化提升锂电池的抗张力和抗断裂性能。
  第三,涂布后活性物质时,为了使基体铜箔和铝箔的附着力得到最大化增强,应尽采用大分子量的粘结剂,这样才能延长电池的大电流充放电时间,避免其在充放电循环后出现极片掉料的情况。
  第四,为了提升锂电池的导电性,要采用Ks6和鳞片石墨以质量比1:1混合而成的导电剂,这样才能降低电池充放电过程中的欧姆极化,增强Ks6和鳞片石墨颗粒间的接触,使电池的导电性达到最高标准。

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