三 鋰離子動力電池

1.鋰離子動力電池組成

鋰離子電池主要由電極、隔膜、電解質(zhì)和外殼組成，如圖1-6所示。正極主要為含鋰的化合物，如鈷酸鋰（LCO）、錳酸鋰（LMO）、磷酸鐵鋰（LFP）、三元鋰（NCM）等。負極材料有石墨材料、無序碳材料、硅碳復(fù)合材料、鈦酸鋰等。隔膜為具有電絕緣特性的物質(zhì)，將正負極隔開，只允許電解質(zhì)中的離子通過，主要有單層PP（聚丙烯）、單層PE（聚乙烯）、雙層PP/PE等。電解質(zhì)通常為有機溶液、電解質(zhì)鋰鹽和必要的添加劑等原料在一定條件下按比例配制而成。外殼采用鋼殼或鋁塑膜外殼，鋁塑膜外殼由耐磨層、鋁層、防腐蝕層和粘結(jié)層組成，其中耐磨層是電池的表面，防止電池可能受到的磨損，同時也起到密封作用，防止水分進入電池。

2.鋰離子動力電池分類

（1）按鋰離子電池的外形分 可分為圓柱形、方形和紐扣形鋰離子電池，如圖1-7所示。電動汽車用鋰離子電池主要為圓柱形和方形。根據(jù)IEC61960標準，二次鋰離子電池型號的命名規(guī)則如下：

圓柱形鋰離子電池的命名用3個字母和5位數(shù)字來表示，方形鋰離子電池用3個字母的6位數(shù)字表示。第一個字母表示鋰離子電池的負極材料，I表示鋰離子電池，L表示鋰金屬電極或鋰合金電極；第二個字母表示電池的正極材料，C是基于鈷的電極、N是基于鎳的電極、M是基于錳的電極、V是基于釩的電極等；第三個字母表示電池的形狀，R是圓柱形電池，P是方形電池。

圓柱形鋰離子電池前兩位數(shù)字表示以mm為單位的最大直徑，后三位數(shù)字表示以0.1mm為單位的最大高度，如ICR18650即表示直徑為18mm，高度65.0mm的圓柱形二次鋰離子電池，如圖1-8所示。

方形鋰離子電池的前兩位數(shù)字表示電池的厚度，單位mm；中間兩位數(shù)字表示電池的寬度，單位mm；后兩位數(shù)字表示電池的高度。如ICP083448表示一個方形的鋰離子電池，正極材料是基于鈷，厚度約8mm，寬度約34mm，高度約48mm，如圖1-7所示。若電池型號后帶P，表示功率型，此電池可以大倍率放電；若帶E，表示容量型，屬大容量電池。

特斯拉電動汽車MODEL S（85kW·h版本）采用了松下公司生產(chǎn)的7104節(jié)18650圓柱形鋰離子電池，通過串并聯(lián)形成電池組。最新的MODEL 3淘汰了18650電池，而改用近4000節(jié)松下21700電池。從松下的動力鋰離子電池測試數(shù)據(jù)看，21700電池系統(tǒng)的能量密度達300W·h/kg，比18650電池系統(tǒng)的250W·h/kg提升了20%，成本下降了9%，而且自重更輕。

（2）按照外殼不同分 可分為硬殼和軟包鋰離子電池。其中硬殼鋰離子電池按外殼材料不同可分為鋼殼和鋁殼。軟包鋰離子電池只是液態(tài)鋰離子電池套上一層聚合物外殼，在結(jié)構(gòu)上采用鋁塑膜包裝，軟包鋰離子電池的強度不高，在出現(xiàn)安全事故如內(nèi)短路等情況下，電池容易鼓起排氣，降低了爆炸風(fēng)險。在發(fā)生安全隱患的情況下軟包電池最多只會鼓氣裂開，如圖1-9所示。

不同封裝形式的鋰離子電池各有優(yōu)缺點見表1-3。圓柱形鋰離子電池方面，目前中、日、韓等都有成熟的生產(chǎn)企業(yè)，采用圓柱形鋰離子電池的代表車型為特斯拉。方形鋰離子電池殼體多為鋁合金，內(nèi)部采用卷繞式或疊片式工藝，強度高，對單體電池的保護作用優(yōu)于軟包電池，在安全性方面，方形鋰離子電池含有防爆閥，安全性能比圓柱形鋰離子電池好。目前乘用車EV主要采用方形、圓柱形和軟包鋰離子電池；PHEV主要采用方形和軟包鋰離子電池。商用車主要采用方形和軟包鋰離子電池，低速車和物流車主要采用圓柱形和軟包鋰離子電池。

（3）按正極材料分 鋰離子電池可分為磷酸鐵鋰離子電池、錳酸鋰離子電池、鈷酸鋰離子電池和三元鋰離子電池（包括鎳鈷錳、鎳鈷鋁），鈦酸鋰用作鋰離子電池負極。第一代車用鋰離子電池主要是錳酸鋰離子電池，第二代車用鋰離子電池主要是磷酸鐵鋰離子電池，第三代車用鋰離子電池主流為三元鋰離子電池。不同正極材料的鋰離子電池性能對比如表1-4所示。

1）磷酸鐵鋰離子電池。磷酸鐵鋰離子電池目前國內(nèi)電動汽車較常采用的鋰離子動力電池之一，磷酸鐵鋰離子電池的優(yōu)點如下：

①安全性能好。可以在390℃以內(nèi)的高溫下保持穩(wěn)定，不會因過充、溫度過高、短路、撞擊而產(chǎn)生爆炸或燃燒，可以輕松通過針刺實驗。

②循環(huán)使用壽命較長。理論循環(huán)使用壽命為2000～3000次，裝車正常可以使用到7～8年。實驗顯示，經(jīng)過3000次0—100%的充放電使用，磷酸鐵鋰離子電池的容量也才會衰減到80%。

③熱穩(wěn)定性好。當(dāng)電池溫度處于500～600℃高溫時，其內(nèi)部化學(xué)成分才開始分解。

此外，磷酸鐵鋰離子電池平整的放電平臺也給電池荷電狀態(tài)SOC估算帶來了困難。

2）三元鋰離子電池。三元鋰離子電池是指正極材料使用鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷鋁酸鋰作為三元正極材料的鋰離子電池，三元鋰離子電池的優(yōu)點如下：

①能量密度高。三元鋰離子電池的理論能量密度達280W·h/kg，目前多數(shù)電池廠家生產(chǎn)的三元鋰電池的能量密度已經(jīng)達到了200W·h/kg，預(yù)計隨著電池技術(shù)的發(fā)展，三元鋰電池的能量密度會進一步提高。因此在同樣的能量下，三元鋰離子電池系統(tǒng)的重量更輕，體積更小，使得整車的續(xù)駛里程可以大幅提升。

②與磷酸鐵鋰電池相比，放電倍率高，一致性好，SOC估算簡便。

③低溫性能好，動力電池系統(tǒng)可實現(xiàn)-20℃直接充電，這大幅縮短了冬季充電時間。

3）錳酸鋰離子電池。錳酸鋰離子電池標稱電壓達到3.7V，能量密度中等，由于錳元素儲量高，資源豐富，生產(chǎn)制造錳酸鋰離子電池的成本也較低，同時錳酸鋰離子電池的安全性較好，在第一代車用動力電池中被廣泛使用。但因其能量密度不高、循環(huán)壽命衰減較快，現(xiàn)已逐漸退出車用動力電池應(yīng)用。

4）鈦酸鋰離子電池。鈦酸鋰離子電池快充性能好，放電倍率大，循環(huán)壽命長，安全性能好，低溫性能好。但因其能量密度低，成本高，只在個別電動客車上使用，如銀隆電動客車。

3.鋰離子電池的充放電特性

（1）鋰離子電池的充電特性 鋰離子電池對充電終止電壓的精度要求很高，一般誤差不能超過額定值的1%。終止電壓過高，會影響鋰離子電池的壽命，甚至造成過充電現(xiàn)象，對電池造成永久性的損壞；終止電壓過低，又會使充電不完全，電池的可使用時間變短。

充電電流方面，鋰離子電池的充電電流應(yīng)根據(jù)電池生產(chǎn)廠的建議選用。理想的充電電流通常為0.5C～1C。大電流充電可縮短充電時間，但充電過程中電池內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生熱，因此會有一定的能量損失，同時必須監(jiān)測電池的溫度以防過熱損壞或產(chǎn)生爆炸。鋰離子電池的充電溫度一般控制在0～60℃。

鋰離子電池有不同的充電方法，最簡單的就是恒壓充電。恒壓充電時，充電電流不斷下降，當(dāng)充電電流降到低于0.1C時，就認為電池被充分充電了。但恒壓充電這種方式需很長的充電時間。兼顧充電過程的安全性、快速性和高效性，鋰離子電池常采用先恒流后恒壓的充電方式，如圖1-10所示。對于放電電壓低于3V的電池，一開始就采用大電流充電對電池是一種損害，這時采用0.1C的小電流進行涓流預(yù)充電，可有效修復(fù)過放電的電池。因此恒流恒壓充過方式通常包括三個過程：預(yù)充電、恒流充電、恒壓充電。

圖1-11所示為三元鋰離子電池的采用先恒流后恒壓充電方式時充電特性，恒流電流為0.2C～1C，恒壓充電電壓4.2V。從圖1-11中可以看出，1C恒流充電結(jié)束時，電池容量已達到80%以上，充電時間約為50min左右。

（2）鋰離子電池的放電特性 放電方面，鋰離子電池的最大放電電流一般被限制在2C～3C。更大的放電電流會使電池發(fā)熱嚴重，對電池的組成物質(zhì)造成損壞，影響電池的使用壽命。同時，由于大電流放電時，電池的部分能量轉(zhuǎn)變成熱能，電池的放電容量將會降低。在過放電（低于3.0V）時，還會造成電池的失效。

1）不同放電倍率的放電特性。圖1-12為不同放電倍率下鋰離子電池的放電特性。鋰離子電池放電時有如下要求：一是放電電流不能過大，過大的電流會導(dǎo)致內(nèi)部發(fā)熱，有可能會造成永久性的傷害；二是電池電壓低于放電終止電壓后，若仍然繼續(xù)放電，將產(chǎn)生過放現(xiàn)象，這也會造成電池永久性損壞。不同的放電率下，電池電壓的變化有很大的區(qū)別。放電倍率越大，相應(yīng)剩余容量下的電池電壓就越低。從圖中可以看出，采用0.2C放電倍率，單體電池電壓下降到3V時，可放出約700mA·h，而采用2C放電率時，只能夠給放出約620mA·h，大電流放電時，電池的放電容量下降。

2）不同溫度的放電特性。溫度對放電性能的影響直接反映到放電容量和放電電壓上。溫度降低，電池內(nèi)阻加大，電化學(xué)反應(yīng)速度放慢，極化內(nèi)阻迅速增加，電池放電容量和放電平臺下降，影響電池功率和能量的輸出。鋰離子電池工作溫度為-25～45℃，隨著電解質(zhì)及正極的改進，有望能擴展到-40～70℃。從圖1-13中可以看出，鋰離子電池最理想的放電溫度在20℃左右，此時的充放電性能均能最大化。

通過以上鋰離子電池的充放電特性可以看出，在電動汽車使用過程中，理想的充放電要求是淺充淺放。具體是指在車輛使用過程中，減少使用大電流的放電的情況，如急加速，這樣會導(dǎo)致電池的放電容量急劇減少，使得單次行駛續(xù)駛里程快速縮短。車輛電量低于20%之前就開始充電，條件許可的情況下，做到隨用隨充，對提高電池的使用壽命是有益的。