混合動力電動汽車用高功率鋰離子電池的開發(fā)

1、混合動力電動汽車用高功率鋰離子電池的開發(fā)為減少環(huán)境污染，非化石燃料動力的機(jī)動車純電動車(EV)和混合電動車(HEV)近年來一直備受關(guān)注。由于混合電動車對電池的功率性能要求較高(比功率高于1000W/kg)，相比于鉛酸、MH-Ni電池和Cd-Ni電池等，鋰離子電池具有更優(yōu)越的能量和功率性能，有希望成為最適合HEV使用的電池。本文研究開發(fā)了具有高功率特性的疊片結(jié)構(gòu)鋁塑膜鋰離子電池，通過優(yōu)化體系和工藝，提高了電池的功率性能和溫度特性，電池性能可滿足目前HEV的使用要求。1 實(shí)驗(yàn)本文優(yōu)化的鋰離子電池體系采用自主研發(fā)的新型層狀錳系材料LiMnxCoyNizO2為正極材料，人造石墨為負(fù)極材料，電解液成分為

2、1 mol/L LiPF6/EC+EMC+DMC(1:1:1)+添加劑。鋰離子電池的外包裝材料較常見的有鋼殼和鋁塑膜。在電池裸芯相同的情況下兩者相比，采用鋁塑膜包裝電池的成本更低，重量更輕，安全性更好，更有利于HEV電池提高功率密度4。電池內(nèi)阻對電池的功率性能影響甚大，相同容量的電池，其內(nèi)阻越小，電池放電時的電壓降越小，其功率性能越好。所以一切對電池內(nèi)阻降低的因素都有利于提高電池的功率性能。層疊式結(jié)構(gòu)的電池相比于卷繞式結(jié)構(gòu)增加了極片的個數(shù)，大大增加了極片并聯(lián)的程度，最大限度的降低了電池的內(nèi)阻。為獲得最佳的電池性能，本文采用鋁塑膜層疊式結(jié)構(gòu)開發(fā)出高功率鋰離子電池。單體電池的照片如圖1所示， 尺寸

3、為1152039(mm)， 電池重量約290 g， 額定容量為7.5 Ah， 內(nèi)阻小于1.5 m。圖1 單體電池照片F(xiàn)ig.1 Photograph of the cell 2 結(jié)果與討論2.1 1C充放電特性 按照7.5 Ah的額定容量進(jìn)行1C充放電，其特征曲線如圖2所示。從中可以看出，采用7.5A的電流充電，電池大約70min可充滿，其中電池1C放電的平均電壓為3.64 V，3.47V以上的放電容量占總放電容量的82.6%，顯示了良好的1C充放電性能。同時從放電曲線可以看出，電池電壓隨放電時間呈一定坡度平穩(wěn)下降，這表明可以通過監(jiān)控電壓的變化獲得更準(zhǔn)確的電池額電狀態(tài)（SOC）。圖2 1C充放

4、特征曲線Fig.2 Charge-discharge characteristics of the cell at 1C rate2.2 循環(huán)性能按照7.5 Ah的額定容量讓電池在常溫下進(jìn)行長期的1C充放循環(huán)，其循環(huán)曲線如圖3所示，900次循環(huán)后容量保持仍在93以上，顯示了研制的電池具有非常出色的循環(huán)性能。圖3 1C循環(huán)曲線Fig.3 Cycle characteristics at 1C rate2.3 倍率放電按照7.5 Ah的額定容量對電池進(jìn)行0.2C到12C連續(xù)放電性能測試，同時測試了8C以上大倍率放電的電池表面溫度。圖4為放電電壓能量的曲線，放電的容量、平均電壓和最高溫度如表1所示。

5、從中可以看出，12C的放電容量與1C容量的比值為90.2%，放電平臺為3.430 V，最高放電溫度僅為48 ，并且與1C的放電平均電壓相比，12C的放電平均電壓僅降低了0.23 V，顯示了電池良好的倍率性能. (a) (b)圖4 倍率放電電壓能量曲線Fig.4 voltage vs. energy profile at various discharge rate (a) 0.2C-3C; (b) 1C-12C 表1 倍率放電數(shù)據(jù)表Table 1 Discharge rate characteristics of the cell0.2C0.5C1C3C5C8C10C12CDischarge

6、capacity(%)105.5102.4100.095.7693.7392.1791.3890.19Nominal voltage(V)3.6883.6813.6653.6063.5603.4963.4673.430The highest discharge temperature()424648The value of discharge capacity in table is equal to the discharge capacity divided 1C discharge capacity.2.4 溫度特性滿電狀態(tài)下的電池在四個不同溫度下進(jìn)行了放電性能測試。測試過程均為常溫充電

7、，在放電前將電池在所需溫度下開路擱置12 h以上。圖5為不同溫度下的0.5C放電曲線，若以電池常溫(25)下的放電容量為準(zhǔn)，則電池55的放電容量為常溫放電容量的102%，電壓平臺在3.68 V；27的放電容量為常溫放電的73.5%，電壓平臺為3.30 V。常溫及高溫溫度下電池的放電能力較好，但低溫放電時平均較低、放電容量較小，不利于機(jī)動車的低溫啟動使用，需要進(jìn)一步改善。圖5 電池不同溫度下放電曲線Fig.5 Discharge profile at varied temperatures2.5 不同DOD下脈沖充放電能力為檢測電池在不同DOD下的脈沖充放電功率能力，根據(jù)FreedomCAR標(biāo)準(zhǔn)

8、，對電池進(jìn)行了脈沖放電電流為5C(以電池實(shí)際容量為準(zhǔn))的HPPC測試。實(shí)驗(yàn)通過1C的充放達(dá)到電池的不同放電深度，測試該DOD下的10 s大電流脈沖充放電功率。圖6為不同DOD下脈沖充放電功率及ASI (Area-Specific Impedance )曲線，其中ASI為極化電阻率，從電池內(nèi)在阻抗的角度表征電池做功能力，其數(shù)值越小電池做功能力越高，在數(shù)值上等于：ASIU/I活性電極面積。表2為不同DOD下脈沖充放電功率密度的數(shù)據(jù)。(a) (b)圖6 不同DOD狀態(tài)下電池脈沖充放電功率曲線與ASI曲線Fig.6 (a) pulse power capacity vs. DOD; (b) ASI v

9、s. DOD如圖6(a)所示， 電池的脈沖放電功率能力隨DOD的升高而降低，在70%DOD后降幅明顯加大; 脈沖充電功率能力隨DOD的升高而升高， 但在60%DOD后增幅減緩，甚至在90%DOD時脈充充電功率有所下降， 這說明在電池在70%DOD后功率能力有所下降。而HEV電源的使用范圍一般在30-70SOC，對應(yīng)DOD為7030，測試結(jié)果表明電池在1070的廣泛DOD范圍內(nèi)其脈沖充電和放電功率密度均在1800 W/kg以上，其中50%DOD下的特征放電功率密度為2364.1 W/kg，充電功率密度為2561.1 W/kg，顯示了電池優(yōu)良的脈沖充放電能力。由圖6(b)可知，ASI隨DOD的升高

10、而增加，表示電池做功能力隨之下降，但在70DOD時充放電ASI數(shù)值均小于15cm2，再次證明電池良好的大電流脈沖放電能力。2.6 擱置性能由于HEV電池在使用時大部分時間處于擱置狀態(tài)，所以擱置性能是HEV電池非常重要的一個性能。本文測試了電池常溫及高溫下的擱置狀況。常溫擱置試驗(yàn)是將電池1C充電至所需SOC，擱置一段時間后1C放出殘余容量，再次1C循環(huán)獲得恢復(fù)容量數(shù)據(jù)。表3為電池的常溫和高溫擱置數(shù)據(jù)。由表3可知，滿電狀態(tài)電池在55 下擱置7天，其1C放電容量相比于擱置前保持在94.6%，容量恢復(fù)甚至達(dá)到97.8%。表明電池具有優(yōu)良的常溫及高溫擱置性能。表2 電池的擱置性能Table 3 Storage characteristic of battery at various temperaturesStorage conditionCapacity retention (%)Capacity recovery ratio (%)25，50%SOC，28days97.099.625，100%SOC，28days96.598.355 ，100%SOC，7days94.697.83 結(jié)論本文研究開發(fā)了7.5 Ah鋁塑膜包裝、疊片結(jié)構(gòu)的HEV用高功率鋰離子電池