锂离子电池能量密度影响因素研究进展(车用)

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摘要:着眼于影响锂离子电池密度的因素,综述了电池正极材料、负极材料、电解液、隔膜、结构和内阻的研究现状,综述了为提高锂离子电池能量密度而进行的一致性管理和安全管理研究现状。提高锂离子电池能量密度受安全和成本等因素制约,提高电池管理水平是充分利用电池能量的有效途径。
关键词:锂离子电池;正极;负极;一致性;安全性;能量密度

由于环保与能源的压力,发展电动汽车替代传统燃油汽车作为交通运输工具是目前必然趋势。2009年前电动汽车动力源的主流是镍氢电池[1],目前电动汽车产业界用得更多的是锂离子电池。电动汽车电池要求高的能量密度、功率密度,低的价格,长的寿命,良好的使用安全性和环境安全性[2],目前锂离子电池这些性能远未能满足需要,这是电动汽车还是未能商业化原因之一,尤其是电池能量密度不能满足要求是商业化瓶颈之一……

1 电池材料与结构
电池反应物质的选择确定了电池的理论容量、电动势,确定了电池的理论能量密度,由于极化电压的存在、电池内阻的存在、活性物质利用不完全、电池非反应物质的存在等原因,实际能量密度必然小于理论能量密度,两者关系如下[4]……

1.1 正极材料
由式2可知,提高电池电动势,可以提高锂离子电池的理论能量密度。目前业界大多用相对于锂0-1V的碳材料作为锂离子电池的负极[4],要提高电池电动势就要着力提高正极电位,要使电池电动势在3V以上,正极材料必须使用4V级别的材料。正极电位与晶格能、离子化能、锂离子溶液的溶剂化能有关,其中晶格能影响最大,因此电池电动势主要由正极结晶结构决定[5,6]。理论上采用电化当量更小的正极材料可以得到更高的理论能量密度,但达到理论能量密度的程度受到反应原理、材料结构、制造工艺、制造成本、环保和安全等因素制约……

1.2 负极材料
理论上凡是能嵌入锂离子的物质都可以作为锂离子电池的负极,储锂能力是确定电池能量密度的关键因素。目前业界的主流是用碳素材料作负极,其化学组成通常用……

1.3 电解液
锂离子电池用电解液的电导率一般只有0.01s/cm甚至更低,是酸性电池和碱性电池的几百分之一,因此锂离子电池在大电流放电时来不及从电解液中补充Li+,会发生电压下降。提高电导率是提高电池能量的途径之一,对电解质的改性或寻找替代电解质、对溶剂优化都没有取得突破性的进展,通过增加添加剂,比如电极碳包覆和掺杂金属、金属离子……

1.4 隔膜
隔膜的主要评价指标是孔隙率、浸润性和热安全性,其中的孔隙率通过影响电导率来影响电池的能量密度。隔膜核心生产技术是造孔工艺,目前主要问题是隔膜的厚度……

1.5 原理与结构
锂离子电池的充放电过程,实际就是锂离子在正负电极间的迁入和迁出、嵌入和脱嵌过程,此过程伴随着与锂离子等当量电子的迁移。这个过程必然存在极化现象,也就存在着极化电压,极化电压升高,电池能量下降。影响电极极化的因素很多,电解液组……

2 电池内阻
内阻是电池运行状态重要特性参数之一,同时它表征着电池寿命,其大小衡量电子和离子在电极间传输难易程度,是影响电池放电效能的重要性因素[24]。内阻初始大小主要受电池的材料、制造工艺、电池结构等因素的影响,使用过程中受多种因素影响。温度对电池的能量有着重要影响,影响途径有多种,主要通过影响电池内阻来影响能量,温度变化可引起阻抗变量和化学反应的变化,而内阻的变化反过来又影响温度的变化。温度对锂……

3 电池一致性
锂离子电池单体电压都不超过4V,而为了提高电动机的效率,工作时需要几十、上百节电池串联,由于制造过程中工艺上的问题和材质的不均匀,这些电池单体之间的初始电压、内部阻抗、放电容量和工作温度必然存在差异,这个一致性问题影响电池组能量密度的提高。王震坡、麻友良等[30,31]研究认为,使用时,由于电池组中各个电池的所处位置温度、通风条件、充放电过程等差别的影响,在一定程度上增加了电池的电压、内阻及容量等参数的不一致,其中温度的影响较大。电池的材料存在差异,工作过程中必然形成温度差异,如上所述,锂离子电池的一个特点是内部阻抗是温度的函数,使用过程中每个电池单体温度变化情况不一致引起制造时就存在的不一致现象更加明显……

4 电池安全性
锂离子电池起火或爆炸的诱导原因是管理系统失效、散热能力不足[4]。过充电使负极表面沉积有金属锂,锂活性非常高,极易与氧气发生反应,且是比热最高的金属,而金属锂的……

5 总结与展望
自1991年被索尼公司发明以来,锂离子电池发展到今天已有20年的历史,无数科研人员力图通过种种途径提升它的能量密度,主要有通过优化材料的合成工艺、材料纳米化以提高正负极的嵌锂容量,通过添加导电材料以提高电导率、减低极化电压,以此来提高电池的性能,也有开发替代材料的研究,期间也有某些材料在实验室几乎得到理论比容量的报道,但商业化生产条件无法等同实验条件,目前商业化生产的各种锂离子电池的能量密度仅有实验室的1/5左右。在影响锂离子电池能量密度的关键因素未取得突破时,提高电池的管理水平、尽可能利用电池能量是提高电动汽车水平的有效途径。
能量是电压与容量乘积的产物,目前常见的各种锂离子电池输出电压都在3-4V之间,即使电极容量得以提高到理论值,电池能量密度也仅是汽油、柴油的十几分之一,锂离子电池汽车所有性能要达到传统燃油车水平是不可能的。相比传统燃料,锂离子电池有着更多引起爆炸的因素,从这个角度看,电动车辆有着更大的安全隐患,尤其是在目前电池安全管理技术不足够先进的情况下更是如此。版权所有:《汽车零部件》