混合动力电动汽车用高功率锂离子电池的开发

混合动力电动汽车用高功率锂离子电池的开发为减少环境污染，非化石燃料动力的机动车——纯电动车(EV)和混合电动车(HEV)近年来一直备受关注。由于混合电动车对电池的功率性能要求较高(比功率高于1000W/kg)，相比于铅酸、MH-Ni电池和Cd-Ni电池等，锂离子电池具有更优越的能量和功率性能，有希望成为最适合HEV使用的电池。本文研究开发了具有高功率特性的叠片结构铝塑膜锂离子电池，通过优化体系和工艺，提高了电池的功率性能和温度特性，电池性能可满足目前HEV的使用要求。1实验本文优化的锂离子电池体系采用自主研发的新型层状锰系材料LiMnxCoyNizO2为正极材料，人造石墨为负极材料，电解液成分为1mol/LLiPF6/EC+EMC+DMC(1:1:1)+添加剂。锂离子电池的外包装材料较常见的有钢壳和铝塑膜。在电池裸芯相同的情况下两者相比，采用铝塑膜包装电池的成本更低，重量更轻，安全性更好，更有利于HEV电池提高功率密度[4]。电池内阻对电池的功率性能影响甚大，相同容量的电池，其内阻越小，电池放电时的电压降越小，其功率性能越好。所以一切对电池内阻降低的因素都有利于提高电池的功率性能。层叠式结构的电池相比于卷绕式结构增加了极片的个数，大大增加了极片并联的程度，最大限度的降低了电池的内阻。为获得最佳的电池性能，本文采用铝塑膜层叠式结构开发出高功率锂离子电池。单体电池的照片如图1所示，尺寸为115×203×9(mm)，电池重量约290g，额定容量为7.5Ah，内阻小于1.5mΩ。图1单体电池照片Fig.1Photographofthecell2结果与讨论2.11C充放电特性按照7.5Ah的额定容量进行1C充放电，其特征曲线如图2所示。从中可以看出，采用7.5A的电流充电，电池大约70min可充满，其中电池1C放电的平均电压为3.64V，3.47V以上的放电容量占总放电容量的82.6%，显示了良好的1C充放电性能。同时从放电曲线可以看出，电池电压随放电时间呈一定坡度平稳下降，这表明可以通过监控电压的变化获得更准确的电池额电状态（SOC）。图21C充放特征曲线Fig.2Charge-dischargecharacteristicsofthecellat1Crate2.2循环性能按照7.5Ah的额定容量让电池在常温下进行长期的1C充放循环，其循环曲线如图3所示，900次循环后容量保持仍在93％以上，显示了研制的电池具有非常出色的循环性能。图31C循环曲线Fig.3Cyclecharacteristicsat1Crate2.3倍率放电按照7.5Ah的额定容量对电池进行0.2C到12C连续放电性能测试，同时测试了8C以上大倍率放电的电池表面温度。图4为放电电压－能量的曲线，放电的容量、平均电压和最高温度如表1所示。从中可以看出，12C的放电容量与1C容量的比值为90.2%，放电平台为3.430V，最高放电温度仅为48℃，并且与1C的放电平均电压相比，12C的放电平均电压仅降低了0.23V，显示了电池良好的倍率性能.(a)(b)图4倍率放电电压－能量曲线Fig.4voltagevs.energyprofileatvariousdischargerate(a)0.2C-3C;(b)1C-12C表1倍率放电数据表Table1Dischargeratecharacteristicsofthecell0.2C0.5C1C3C5C8C10C12CDischargecapacity(%)105.5102.4100.095.7693.7392.1791.3890.19Nominalvoltage(V)3.6883.6813.6653.6063.5603.4963.4673.430Thehighestdischargetemperature(℃)——————————424648Thevalueofdischargecapacityintableisequaltothedischargecapacitydivided1Cdischargecapacity.2.4温度特性满电状态下的电池在四个不同温度下进行了放电性能测试。测试过程均为常温充电，在放电前将电池在所需温度下开路搁置12h以上。图5为不同温度下的0.5C放电曲线，若以电池常温(25℃)下的放电容量为准，则电池55℃的放电容量为常温放电容量的102%，电压平台在3.68V；－27℃的放电容量为常温放电的73.5%，电压平台为3.30V。常温及高温温度下电池的放电能力较好，但低温放电时平均较低、放电容量较小，不利于机动车的低温启动使用，需要进一步改善。图5电池不同温度下放电曲线Fig.5Dischargeprofileatvariedtemperatures2.5不同DOD下脉冲充放电能力为检测电池在不同DOD下的脉冲充放电功率能力，根据FreedomCAR标准，对电池进行了脉冲放电电流为5C(以电池实际容量为准)的HPPC测试。实验通过1C的充放达到电池的不同放电深度，测试该DOD下的10s大电流脉冲充放电功率。图6为不同DOD下脉冲充放电功率及ASI(Area-SpecificImpedance)曲线，其中ASI为极化电阻率，从电池内在阻抗的角度表征电池做功能力，其数值越小电池做功能力越高，在数值上等于：ASI＝△U/△I×活性电极面积。表2为不同DOD下脉冲充放电功率密度的数据。(a)(b)图6不同DOD状态下电池脉冲充放电功率曲线与ASI曲线Fig.6(a)pulsepowercapacityvs.DOD;(b)ASIvs.DOD如图6(a)所示，电池的脉冲放电功率能力随DOD的升高而降低，在70%DOD后降幅明显加大;脉冲充电功率能力随DOD的升高而升高，但在60%DOD后增幅减缓，甚至在90%DOD时脉充充电功率有所下降，这说明在电池在70%DOD后功率能力有所下降。而HEV电源的使用范围一般在30-70％SOC，对应DOD为70～30％，测试结果表明电池在10～70％的广泛DOD范围内其脉冲充电和放电功率密度均在1800W/kg以上，其中50%DOD下的特征放电功率密度为2364.1W/kg，充电功率密度为2561.1W/kg，显示了电池优良的脉冲充放电能力。由图6(b)可知，ASI随DOD的升高而增加，表示电池做功能力随之下降，但在70％DOD时充放电ASI数值均小于15Ω•cm2，再次证明电池良好的大电流脉冲放电能力。2.6搁置性能由于HEV电池在使用时大部分时间处于搁置状态，所以搁置性能是HEV电池非常重要的一个性能。本文测试了电池常温及高温下的搁置状况。常温搁置试验是将电池1C充电至所需SOC，搁置一段时间后1C放出残余容量，再次1C循环获得恢复容量数据。表3为电池的常温和高温搁置数据。由表3可知，满电状态电池在55℃下搁置7天，其1C放电容量相比于搁置前保持在94.6%，容量恢复甚至达到97.8%。表明电池具有优良的常温及高温搁置性能。表2电池的搁置性能Table3StoragecharacteristicofbatteryatvarioustemperaturesStorageconditionCapacityretention(%)Capacityrecoveryratio(%)25℃，50%SOC，28days97.099.625℃，100%SOC，28days96.598.355℃，100%SOC，7days94.697.83结论本文研究开发了7.5Ah铝塑膜包装、叠片结构的HEV用高功率锂离子电池，并对电池进行了1C充放电循环性能、倍率性能、脉冲充放电性能(HPPC)、搁置等性能测试。测试结果表明，开发的HEV用锂离子电池在1C循环寿命、倍率放电能力、搁置性能上表现优良，其中在50％SOC下具有2364W/kg的脉冲放电功率密度和2561W/kg的脉冲充电功率密度。同时电池还表现出良好的常温和高温搁置性能，仅低温放电性能有待改善。