电动汽车用锰酸锂与磷酸铁锂动力电池性能比较分析

尖晶石锰酸锂和橄榄石磷酸铁锂离子电池是当前电动汽车用动力电池的主体,采用实验比较研究的方法,对比了两种动力电池正极材料电化学特性,研究了两种材料制备成动力电池的能量密度、功率密度、温度特性、循环寿命以及应用特性.结果表明:除低温性能和功率密度外,磷酸铁锂动力电池在其他方面的性能均优于锰酸锂动力电池.     

磷酸铁锂电池低温性能的研究

为了提高磷酸铁锂(LiFePO4)电池的低温性能,采用电导率较高的碳纳米管作为磷酸铁锂电极的导电剂,以LiFePO4和金属锂为正负极材料,低温性能测试结果表明,碳纳米管在电极中易形成良好的导电网络,减轻电极的极化,能有效改善磷酸铁锂电池的低温放电性能.     

形貌对磷酸铁锂电池内阻特性影响

采用XRD、SEM等测试手段对不同形貌磷酸铁锂物理性能进行表征.对球形与非球形形貌磷酸铁锂电池的内阻和交流阻抗谱进行测试,研究了形貌对磷酸铁锂电池内阻特性影响,分析了内阻特性对电池倍率性能影响.结果表明:相比非球形磷酸铁锂,球形形貌磷酸铁锂电池内阻降低了17.4 mΩ,电荷转移阻抗降低了将近35 mΩ,Warburg阻抗系数σ降低了4.58 mΩ·s~(-1/2),10 C下容量保持率(相对0.5 C)仍能达到66%.     

用昂萨格唯象关系估算嵌入型电极材料中锂离子表观扩散系数

锂离子嵌入型电极材料中锂离子和电子会在二者电化学位梯度的推动下流动,锂离子的"嵌入"和"脱出"涉及锂离子和电子在电极材料中的扩散过程。导出了用著名的昂萨格唯象关系估算的等温条件下锂离子表观扩散系数和电子表观电导率的计算通式,并给出在磷酸铁锂(LixFe-PO4)正极中锂离子表观扩散系数D*1的估算实例。计算结果表明:D*1随嵌入度x的变化,主要是由于系统内部电场对浓度场的影响所造成的,而与离子流和电子流之间的相互作用关系不大。在x很小、电极材料组成接近FePO4相时D*1值很大,如在x=0.01处D*1的计算值为10-12cm2.s-1,但随着x的增加D*1值急剧下降;在x=0.1~1.0之间,D*1值下降趋缓,约为10-13~10-14cm2.s-1,其均值约为8×10-14cm2.s-1;当x=1.0且电极材料组成为LiFePO4相时,D*1值最低,约为2×10-14cm2.s-1。     

基于AFFDRLS-AHIF对动力锂离子电池单体SOC估计

针对动力锂离子电池的SOC估计,提出一种带自适应遗忘因子的阻尼递推最小二乘法(AFFDRLS)联合改进的自适应H∞滤波(AHIF)的方法对动力锂离子电池的荷电状态(SOC)估计.建立了磷酸铁锂动力电池单体的戴维南(Thevenin)等效电路模型,以AFFDRLS在线辨识模型参数,以AHIF实时在线估计电池单体的SOC,实现了电池单体的模型参数和SOC的实时联合估计.在Matlab/Simulink中建立了AFFDRLS-AHIF的仿真模型,以估计磷酸铁锂动力电池单体的SOC.根据某电动乘用车分别在NEDC和UDDS工况下的功率需求进行单体实验,测得动力电池单体的电流、电压,并以此作为输入,采用所建立的仿真模型进行动力电池单体的SOC估计;并且与传统扩展卡尔曼滤波法(EKF)和HIF的SOC估计结果比较,结果表明:AFFDRLS-AHIF的估计精度高且鲁棒性好,可以为车辆使用的动力电池SOC估计提供参考.     

裂解聚合物锂盐制备Li4 Ti5 O12电极材料

通过采用裂解聚合物锂盐和TiO2前驱体制备了电导率较高的Li4Ti5O12电极材料. 该合成方法以聚合物锂盐为碳源和锂源,避免了向反应物中引入额外的碳源,减少了反应相,从而更有利于制得物相均一、粒度小的电极材料. 以该方法制得的Li4Ti5O12/C复合材料作为锂离子电池负极材料,具有高倍率充放电特性.     

电动汽车动力电池技术研究进展

 从锂离子电池材料技术、单体电池、电池系统等几个方面对锂离子动力电池的发展进行了评述。锰酸锂一般应用于轻型电动车辆,也可与三元材料混合提升新能源车辆用电池的安全性和倍率性能;磷酸铁锂适用于中等比能量要求的动力电池;三元材料通过材料、隔膜涂层和电池技术的改进提升安全性后适用于高比能量型电池;石墨负极目前仍然是广泛应用的负极材料,在碳负极材料中添加硅等高容量材料的努力仍在进行中,液体电解液在向高电压和宽工作温区方向发展;小圆柱电池、方形金属壳电池和软包电池各有特点,适应了多元化的电动汽车应用需求,国产制造设备技术水平持续提升,电池系统技术方面需要整车和电池方面合作努力以提升安全性和可靠性。锂离子动力电池是目前最具实用价值的动力电池,预期其比能量在不久的将来可提升至300 (W·h)/kg,满足新能源汽车产业未来10年的发展需求。     

均相沉淀法制备LiFePO4 正极材料的电化学性能研究

采用均相沉淀法制备前驱体,再通过高温煅烧制备了球形锂离子电池正极材料磷酸铁锂. 扫描电镜(SEM)照片显示材料为球形颗粒,XRD图谱显示该材料为橄榄石结构的磷酸铁锂,无明显杂质峰存在. 在0.5 C下,首次放电比容量为124 mAh/g,25周循环后无明显衰退.     

电动汽车动力电池容量衰减的层析图像检测

常用的电动汽车动力电池容量衰减循环充放电检测方法由于忽略了电池在充放电过程中所发生的"伴随有电荷转移的化学反应",因而难以正确、非破坏性地检测动力电池容量及其衰减状况.鉴于此,文中根据电池电化学和计算机层析图像测量原理,以电动汽车车用磷酸铁锂动力电池容量衰减为研究对象,研究了处于电化学反应过程中的动力电池电性能参数与其内部活性物质结构形态之间的关系,提出了电动汽车动力电池容量衰减层析图像检测方法,在此基础上建立了动力电池容量衰减检测实验系统,并以此对某款典型的纯电动汽车车用磷酸铁锂动力电池的容量衰减进行了实验验证.结果表明,该方法具有实用、快速和可非破坏性地检测动力电池容量衰减的特点.     

锂离子电池Li_xC_6扩散性质的分子动力学模拟

采用分子动力学方法,模拟充电过程中锂离子在石墨层间的扩散行为.研究了300 K温度下石墨阳极材料的锂离子扩散性质;计算了Einstein关系下LiC_6,LiC_(12)和LiC_(18)的扩散系数,得到了Li_xC_6扩散系数与锂离子浓度的关系曲线.结果表明,在充电过程中锂离子电池的扩散系数随嵌锂浓度的变化而变化.在阶段和一阶段,扩散系数分别随浓度的增大而减小,而在LiC_(12)附近,扩散系数由于结构相变而发生较大变化.此外,通过分子动力学可视化图像显示了Li_xC_6晶体的微观结构.实验结果为锂离子电池电极变形的连续尺度模型研究提供了基础数据.     

基于电化学机理模型的锂离子电池早期内短路电热特征研究

锂离子电池的内短路故障是诱发其热失控的主要原因之一,早期内短路特征研究能够为电池管理系统的故障诊断和安全预警提供支撑,对提高电动汽车的安全性具有重要意义。构建了锂离子电池内短路电化学机理模型,实现了不同内短路阻值下的锂枝晶内短路故障模拟。结果表明,由锂枝晶导致的电池内短路产热98%以上来源于正负极产生的焦耳热,早期内短路过程中正负极集流体表面的温升小于1.5 K,不显著的外部热特征无法用于早期内短路故障诊断。与正常电池相比,内短路故障将使得电池充电速度变慢,放电速度变快,端电压异常下降,上述电特征可以为构建早期内短路故障诊断方法提供依据。     

动力锂电池变电阻均衡充电方法研究

针对动力锂电池组中单体电池之间电压不一致性,提出一种变电阻均衡充电方法。在分析了单体电池间电压不一致性的原因、设计数字可变电阻器和可变电阻仿真模型的基础上,采用Matlab/Simulink软件对可变电阻均衡充电进行仿真,根据电池端电压大小调节均衡电阻值。结果表明变电阻均衡控制可使电压误差控制在0.3 mV以内,有效的减小单体电池之间的不一致性、延长电池的使用寿命。     

磷酸铁锂电池充电后静置的电压预测方法

混合动力电动汽车在行驶过程中的动态充电后静置开路电压不稳定。特别是再生制动充电时开路电压的变化,而导致常用的开路电压法存在SOC估计误差大和混合动力电动汽车动力控制策略难以实施。以磷酸铁锂电池为对象,依据电化学理论分析了其充电后静置过程中正负极表面锂离子扩散对开路电压的影响机理以及开路电压随时间的变化关系。再通过充电后静置实验和参数辨识方法,建立了充电后磷酸铁锂电池静置开路电压预测模型。以此对其充电后静置的开路电压进行了预测实验。结果表明,在实验工况下,该模型的最大预测误差为0.017V。     

Equilibrium lithium transport between nanocrystalline phases in intercalated TiO(2) anatase

Microcrystalline TiO(2) with an anatase crystal structure is used as an anode material for lithium rechargeable batteries, and also as a material for electrochromic and solar-cell devices. When intercalated with lithium, as required for battery applications, TiO(2) anatase undergoes spontaneous phase separation into lithium-poor (Li(0.01)TiO(2)) and lithium-rich (Li(0.6)TiO(2)) domains on a scale of several tens of nanometres. During discharge, batteries need to maintain a constant electrical potential between their electrodes over a range of lithium concentrations. The two-phase equilibrium system in the electrodes provides such a plateau in potential, as only the relative phase fractions vary on charging (or discharging) of the lithium. Just as the equilibrium between a liquid and a vapour is maintained by a continuous exchange of particles between the two phases, a similar exchange is required to maintain equilibrium in the solid state. But the time and length scales over which this exchange takes place are unclear. Here we report the direct observation by solid-state nuclear magnetic resonance of the continuous lithium-ion exchange between the intermixed crystallographic phases of lithium-intercalated TiO(2). We find that, at room temperature, the continuous flux of lithium ions across the phase boundaries is as high as 1.2 x 10(20) s(-1) m(-2).     

石墨填充磷化铁复合碳电极性能研究

以磷化铁和石墨为导电材料制备复合型碳电极,研究了石墨和磷化铁填充量对复合电极的电阻和循环伏安性能的影响,分别在浓度均为1mmol.L-1的K4[Fe(CN)6]溶液和对苯二酚溶液中循环伏安扫描.结果表明:复合电极电阻随着磷化铁含量的增加而增大,(1)在K4[Fe(CN)6]溶液中,当磷化铁含量为5%时,电极表面的氧化还原峰的对称性和可逆性较好,其氧化峰电流与扫描速度的ν1/2成线性关系,其线性方程为Ipa/(μA)=7.701ν1/2-1.295(r2=0.973),表明复合碳电极表面的氧化还原过程受扩散过程控制;(2)在对苯二酚溶液中,复合电极对对苯二酚具有良好的电催化活性,在对苯二酚的浓度为5×10-6～25×10-6 mol.L-1范围内,线性回归方程为Ipa/(μA)=18.60+1.90C(μmol.L-1),r2=0.994,检出限为9.76×10-7 mol.L-1.连续8次测定对苯二酚在复合碳电极上的重现性良好.     

A pore-scale smoothed particle hydrodynamics model for lithium-ion batteries

A mesoscopic pore-scale model of multi-disciplinary processes coupled with electrochemical reactions in lithium-ion batteries is established via a relatively novel numerical method—smoothed particle hydrodynamics(SPH)method.This model is based on mesoscopic treatment to the electrode(including separator)micro-pore structures and solves a group of inter-coupled SPH equations,including charge(ion in electrolyte phase and electron in solid phase),species(Li?in electrolyte phase and lithium in solid active materials),and energy conservation equations.Model parameters,e.g.the physicochemical properties are location-dependent,directly associated with the local component of the medium.The electrochemical reactions are prescribed to occur exactly at the interface of solid active materials and electrolyte.Simulations to isothermal discharge processes of a battery of 2-dimensional idealized micro-pore structure in electrodes and separator preliminarily corroborate the reasonability and capability of the developed SPH model.     

应用麻雀搜索和概率神经网络的储能电池故障诊断

储能是构建新型电力系统的核心技术,其中,锂离子电池电化学储能是当前的主要形式,对实现“双碳”目标意义重大。故障诊断对于保障电池储能系统安全运营意义重大,尤其是微小故障的准确诊断能有效预防严重故障的发生,然而,传统故障诊断方法时效性差、精度较低,难以捕捉微小故障特征。因此,提出了一种应用麻雀搜索算法(SSA)改进的概率神经网络(PNN)的储能电池微小故障诊断方法。首先,通过对锂离子电池故障类别分析故障特性,提取微小故障发生后的状态特征信息;然后,将磷酸铁锂储能电池故障信号分解成一系列特征向量并输入SSA-PNN模型;最后,开展了实验验证研究。结果表明,与传统的基于误差反向传播算法的故障诊断方法相比,基于SSA-PNN的故障诊断方法精度达到99.7%,具有更高的诊断精度和实时性。     

磷酸铁锂正极材料的研究现状

磷酸铁锂正极材料具有比容量大、安全性高、性价比高以及循环寿命长等优点,被认为是最具应用前景的锂离子电池正极材料之一。论述了橄榄石型磷酸铁锂的晶体结构特征以及充放电反应机制,综述了近年来采用葡萄糖、活性碳和石墨烯等不同的碳源进行碳包覆, 硫离子、镁离子、镍离子、氟离子、钒离子、钠离子和银离子等不同金属离子和非金属离子进行离子掺杂以及蒸发诱导自组装法、碳热还原法和喷雾干燥法等不同合成方法进行材料纳米化等改性方式对锂离子电池磷酸铁锂正极材料的影响。最后简要分析了目前改性方法仍存在的问题,并对其前景进行了展望。     

振动环境对锂离子电池热失控危险性的影响

基于民航运输锂离子电池过程中所引发的热失控安全问题,以及运输环境存在颠簸。利用自主搭建的实验平台,以21700型单体锂离子电池为研究对象,通过分析锂离子电池在振动环境中开路电压（Open Circuit Voltage,OCV）与内阻变化以及热失控过程中火焰温度与质量损失的变化情况,研究振动环境对锂离子电池性能及热失控危险性的影响。实验结果表明：在振动条件下锂离子电池的OCV基本保持稳定,而内阻值会增加16.7%;相对于空白实验,经过振动处理后锂离子电池发生热失控危险性减弱。直观表现在火焰温度峰值降低9.69%,质量损失减少13.54%;同时利用电压容量微分曲线（dV/dQ）深入分析振动条件对锂离子电池的影响机理。本研究可为提高锂离子电池性能一致性提供理论参考。     

等效滞回模型在锂离子电池SOC估计中的应用

锂离子电池荷电状态的快速准确估计是电池管理系统的关键技术之一.针对锂离子电池这一动态非线性系统,通过测试分析锂离子电池的滞回特性,建立了锂离子电池的二阶RC滞回模型,并利用容积卡尔曼滤波算法对电池荷电状态进行估算.实验结果表明,该模型能较好地体现电池的动态滞回特性,而且容积卡尔曼滤波算法在估算过程中能保持较高的精度.