锂离子蓄电池是用锰酸锂、磷酸锂或钴酸锂等锂的化合物作正极,用可嵌入锂离子的碳材料作负极,使用有机电解质的蓄电池。目前纯电动汽车上应用的储能装置主要是锂离子蓄电池1.锂离子蓄电池的分类： 按照锂离子蓄电池的外形,可以分为方形锂离子蓄电池和圆形锂离子蓄电池,如图1-26所示。 按照锂离子蓄电池正极的材料不同,汽车用锂离子蓄电池主要分为锰酸锂离子蓄电池、磷酸铁锂离子蓄电池、钴酸锂离子蓄电池、镍钴锰锂离子蓄电池等。 (1)锰酸锂离子蓄电池锰酸锂离子蓄电池是指正极使用锰酸锂材料的电池,其标称电压达到3.7V,以成本低、安全性好被广泛使用。锰酸锂(LiMn2O4）具有尖晶石结构,其理论容量为148mA·h/g,实际容量为90~120mA·h/g,工作电压范围为3~4V。主要优
点是锰资源丰富、价格便宜、安全性高、比较容易制备。缺点是理论容量不高;材料在电解质中会缓慢溶解,即与电解质的相容性不太好;在深度充放电的过程中,材料容易发生晶格畸变,造成电池容量迅速衰减,特别是在较高温度下使用时更是如此。
(2)磷酸铁锂离子蓄电池：磷酸铁锂离子蓄电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子蓄电池。磷酸铁锂( LiFePO4)具有橄榄石晶体结构,其理论容量为170mA·h/g,在没有掺杂改性时其实际容量已高达110mA·h/g。通过对磷酸铁锂进行表面修饰,其实际容量可高达165mA·h/g,已经非常接近理论容量,工作电压为3.4V左右。磷酸铁锂具有高稳定性、更安全可靠、更环保并且价格低廉的特性。磷酸铁锂正极材料被认为是最有发展前途的动力电池正极材料。其缺点是电阻率较大,电极材料利用率低。
目前,正极材料广泛采用碳复合磷酸铁锂。碳复合磷酸铁锂正极材料按照充放电特性和使用要求分为能量型和功率型。
(3)钴酸锂离子蓄电池：钴酸锂离子蓄电池是指用钴酸锂作为正极材料的锂离子蓄电池。钴酸锂离子蓄电池电化学性能优越,易加工,性能稳定,一致性好,比容量高,综合性能突出;但是安全性较差,而且成本高。
(4)镍钴锰锂离子蓄电池：镍钴锰锂离子蓄电池是指用镍钴锰三元材料作为正极的锂离子蓄电池。镍钴锰锂离子蓄电池能量密度大,功率密度高,循环寿命长,易加工,且安全性较好。
几种正极材料的比较见表1-7。
2.锂离子蓄电池的结构：
锂离子蓄电池主要由正极、负极、隔膜板、电解液和安全阀等组成。圆形锂离子蓄电池的基本结构如图1-27所示。
(1)正极：正极物质由含锂的过渡金属氧化物组成,在锰酸锂离子蓄电池中以锰酸锂为主要原料,在磷酸铁锂离子蓄电池中以磷酸铁锂为主要原料,在镍钴锂离子蓄电池中以镍钴锂为主要材料,在镍钴锰锂离子蓄电池中以镍钴锰锂为主要材料。在正极活性物质中再加入导电剂、树脂黏合剂,并涂覆在铝基体上,呈细薄层分布。
(2)负极：负极活性物质是由碳材料与黏合剂的混合物再加上有机溶剂调和制成糊状并涂覆在铜基上,呈薄层状分布。
(3)隔膜板：隔膜板的功能是关闭或阻断通道,一般使用聚乙烯或聚丙烯材料的微多孔膜。所谓关闭或阻断功能是指电池出现异常温度上升时,阻塞或阻断作为离子通道的细孔,使蓄电池停止充放电反应。隔膜板可以有效防止因外部短路等引起的过大电流而使电池产生异常发热现象。这种现象即使产生一次,电池也不能正常使用。
(4)电解液：电解液是以混合溶剂为主体的有机电解液。为了使主要电解质成分的锂盐溶解,必须具有高电容率,并且具有与锂离子相容性好的溶剂,即不阻碍离子移动的低黏度的有机溶液为宜,而且在锂离子蓄电池的工作温度范围内,必须呈液体状态,凝固点低,沸点高。电解液对于活性物质具有化学稳定性,必须良好适应充放电反应过程中发生的剧烈的氧化还原反应。又由于使用单一溶剂很难满足上述严酷条件,因此电解液一般混合不同性质的几种溶剂使用。
(5)安全阀：为了保证锂离子蓄电池的使用安全性,一般通过对外部电路的控制或者在蓄电池内部设有异常电流切断的安全装置。即使这样,在使用过程中也有可能其他原因引起蓄电池内压异常上升,这样,安全阀释放气体,以防止蓄电池破裂。安全阀实际上是一次性
非修复式的破裂膜,一旦进入工作状态,便保护蓄电池使其停止工作,因此是蓄电池的最后保护手段。
3.锂离子蓄电池的工作原理：
锂离子蓄电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径,目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物,如锂化合物Li-CoO2、LiNO2或尖晶石结构的LiMn2O4,这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上;
负极材料一般采用锂碳层间化合物LiC6;电解液一般采用溶解有锂盐LiPF6、 LiAsF6的有机溶液。
如图1-28所示为锂离子蓄电池的工作原理,充电时,锂离子在正极脱嵌,通过电解质进入负极,同时由于隔膜的作用,电子只能通过外电路从正极流向负极,形成充电电流,保持正、负极电荷平衡。同理,放电时锂离子在负极脱嵌,流向正极,电子在外电路形成放电电流。
电池反应过程中既没有消耗电解液,也不产生气体,只是锂离子在正负极间移动,所以锂离子蓄电池的结构可以做成完全封闭的。此外,正常条件下,电池充放电过程中没有其他副反应,所以锂离子蓄电池充电效率很高,甚至达到100%。
4.锂离子蓄电池的规格和外形尺寸。
锂离子蓄电池单体结构示意图如图1-29所示。
5.锂离子蓄电池的要求：
锂离子蓄电池的要求分为单体蓄电池的要求、蓄电池模块的要求以及蓄电池总成的要求。其中对锂离子单体蓄电池的要求和对金属氢化物镍单体蓄电池的要求是一样的;对锂离子蓄电池模块的要求与对金属氢化物蓄电池模块的要求相比,只有低温放电容量、荷电保持与容量恢复能力不同,其他是一样的。
锂离子蓄电池模块低温放电容量要求是,锂离子蓄电池模块按规定方法进行试验时,其
放电容量应不低于初始容量的70%;锂离子蓄电池模块荷电保持与容量恢复能力要求是,锂离子蓄电池模块按规定方法进行试验时,其室温及高温荷电保持率应不低于初始容量的85%,容量恢复应不低于初始容量的90%。
锂离子蓄电池总成是指由一个或若干个锂离子蓄电池模块、电路设备(保护电路、锂离子蓄电池管理系统、电路和通信接口)等组成的,用来为用电装置提供电能的电源系统。对锂离子蓄电池总成主要有以下技术要求。
(1)锂离子蓄电池的一致性：锂离子蓄电池的一致性是指组成锂离子蓄电池模块和总成的单体蓄电池性能的一致性特性。这些性能主要包括实际电能、阻抗、电极的电气特性、电气连接、温度特性差异、衰变速度等多种复杂因素。这些因素的差异,将直接影响运行过程中输出电参数的差异。组成锂离子蓄电池模块和总成的蓄电池的一致性特性应在规定的负荷条件和荷电状态下进行试验。锂离子蓄电池的一致性特性分为充电状态一致性特性和放电状态一致性特性。若没有具体规定,应以放电状态测试的一致性特性为锂离子蓄电池模块或总成的一致性特性。
锂离子蓄电池的一致性划分为5个等级,见表1-9。一致性指数超过5级的为不合格产品。
(2)正极和负极输出连接：组成锂离子蓄电池总成的锂离子蓄电池模块正极和负极连接可采用螺栓连接方式或可插拔连接器连接方式。正极和负极连接处应有清晰的极性标志。正极采用红色标志和红色电缆,负极采用黑色标志和黑色电缆(3)接口和协议：组成锂离子蓄电池总成的蓄电池管理系统的接口和协议包括电路接口和接口协议、通信接口和通信协议。其中电路接口和接口协议包括充电控制导引接口和接口协议、单体蓄电池电压监测电路接口和接口协议、充放电控制电路接口和接口协议、I/O充放电接口电路和接口协议;通信接口和通信协议包括内部通信接口和通信协议、充放电通信接口和通信协议、用户通信接口和通信协议。蓄电池总成接口和通信协议应符合JB/T11138-2011《锂离子蓄电池总成接口和通信协议》的规定。
(4)额定电能：当采用标称电压相同的锂离子蓄电池模块组成锂离子蓄电池总成时,蓄电池总成的额定电能值等于组成动力锂电池总成中电能最小的蓄电池模块的电能与模块数量的乘积。当采用不同标称电压的蓄电池模块组成蓄电池总成时,蓄电池总成的额定电能等于由蓄电池模块的额定电能除以蓄电池模块标称电压最小值与蓄电池总成标称电压的乘积(5)电源功率消耗：特指组成锂离子蓄电池总成的蓄电池管理系统电路消耗的峰值功率,应符合制造厂商提供的产品技术文件的规定。
(6)标称电压：采用锂离子蓄电池模块组成的锂离子蓄电池总成的标称电压见表1-10。
(7)使用寿命：锂离子蓄电池总成的使用寿命分为标准循环使用寿命和工况循环使用寿命。磷酸亚铁锂蓄电池标准循环使用寿命大于或等于1200次;锰酸锂蓄电池标准循环使用寿命应大于或等于800次。电动汽车用锂离子蓄电池总成的工况循环使用寿命可采用行驶里程数来表示。
