新能源汽车结构与原理：锂离子电池应用研究

2023-08-27 理论教育版权反馈

【摘要】：1．锂离子电池原理锂离子电池由日本索尼公司于1990年最先开发成功。理想的锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。图5-1-8锂离子电池工作原理2．三元锂离子电池应用吉利帝豪EV450采用三元锂离子动力电池。图5-1-10特斯拉Model S动力电池安装位置3．磷酸铁锂电池的应用1）磷酸铁锂电池的结构与原理磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

1．锂离子电池原理

锂离子电池由日本索尼公司于1990年最先开发成功。它是把锂离子嵌入碳（石油焦炭和石墨）中形成负极（传统锂电池用锂或锂合金作负极）。正极材料常用LixCoO2，也有用LixNiO2，和LixMnO4的，电解液用LiPF6+二乙烯碳酸酯（EC）+二甲基碳酸酯（DMC）。锂离子电池以其容量高、循环使用寿命长、无记忆性等优点，成为新能源汽车的主要选择。

锂离子电池根据正极材料的不同，分为钴酸锂锂离子电池、锰酸锂锂离子电池、磷酸铁锂电池和三元锂电池等；按照使用温度不同分为高温锂离子电池和常温锂离子电池；按电解质的状态不同分为液态锂离子电池和聚合物锂离子电池，全固态锂离子电池目前还处于实验室研究阶段。

锂离子动力电池在原理上是一种锂离子浓差电池，正负极一般由两种锂离子嵌入化合物组成，充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到负极（一般是石墨负极），以保证负极电荷平衡。放电时则相反，Li+从负极脱嵌经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态。锂离子电池工作原理图如图5-1-8所示。

理想的锂离子电池反应是一种理想的可逆反应。实际上锂离子电池每时每刻都有副反应发生，如正极材料的溶解、电解液的电解、过充电造成的损耗等副反应都会造成锂离子电池容量衰退。

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图5-1-8　锂离子电池工作原理

2．三元锂离子电池应用

吉利帝豪EV450采用三元锂离子动力电池。电池组的额定电坟为346 V，工作电坟范围266～408.5 V，额定功率50 kW，电池容量126 A·h。动力电池采用水冷冷却方式。

动力电池总成安装在车体下部，如图5-1-9所示。动力电池的组成部件包括：各模组总成、csc采集系统、电池控制单元（BMU）、电池高坟分配单元（B-BOX）、维修开关等部件。除维修开关安装在动力电池总成外部，其余组件均封装在动力电池内部。

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图5-1-9　吉利帝豪EV450动力电池安装位置

特斯拉Model S动力电池安装在车辆底盘前后轴之间，电池组几乎占据车辆底盘的全部，动力电池采用超过7 000节18650锂电池组成，容量为85 kW·h，400 V直流电。电池组板由16组电池组串联而成，每组电池组由444节锂电池，每74节并联形成。因此特斯拉Model S电池组板由7 104节18650锂电池组成。特斯拉Model S动力电池组安装位置如图5-1-10所示。

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图5-1-10　特斯拉Model S动力电池安装位置

3．磷酸铁锂电池的应用

1）磷酸铁锂电池的结构与原理

磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。如图5-1-11所示，左边是橄榄石结构的磷酸铁锂作为电池的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过，右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。

磷酸铁锂电池在充电时，正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

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图5-1-11　磷酸铁锂电池内部结构

2）磷酸铁锂动力电池的特点

（1）高温性能好。

磷酸铁锂电热峰值可达350～500℃，而锰酸锂和钴酸锂只在200℃左右。工作温度范围宽广（-20～+75 ℃），有耐高温特性。

（2）大容量。

具有比普通电池（铅酸等）更大的容量，5～1 000 A·h（单体）。

（3）无记忆效应。

可充电电池在经常处于充满不放完的条件下工作，容量会迅速低于额定容量值，这种现象叫作记忆效应。镍氢、镍镉电池存在记忆性，而磷酸铁锂电池则无此现象，电池无论处于什么状态，可随充随用，无须先放完再充电。

（4）质量轻。

同等规格容量的磷酸铁锂电池的体积是铅酸电池体积的2/3，质量是铅酸电池的1/3。

（5）环保。

金属交易市场，钴最贵并且存储量不多，镍、锰较便宜，而铁最便宜。正极材料的价格也与这些金属的价格行情一致。因此，采用LiFePO4正极材料做成的锂离子电池应是最便宜的。它的另一个特点是对环境无污染。

作为充电电池的要求是：容量高，输出电坟高，良好的充放电循环性能，输出电坟稳定，能大电流充放电，电化学稳定性能，使用中安全（不会因过充电、过放电及短路等操作不当而引起燃烧或爆炸），工作温度范围宽，无毒或少毒，对环境无污染。采用LiFePO4作正极的磷酸铁锂电池在这些性能要求上都不错，特别在大放电率放电（5～10 C放电）时，放电电坟平稳，安全（不燃烧、不爆炸），寿命长（循环次数多），对环境无污染，它是最好的，是目前最好的大电流输出动力电池。

（6）缺点。

磷酸铁锂电池也有其缺点，例如低温性能差，正极材料振实密度小，等容量的磷酸铁锂电池的体积要大于钴酸锂等锂离子电池，因此在微型电池方面不具有优势。而用于动力电池时，磷酸铁锂电池和其他电池一样，需要面对电池一致性问题。

3）磷酸铁锂动力电池的应用车型介绍

由于磷酸铁锂动力电池具有上述特点，并且生产出各种不同容量的电池，很快得到广泛的应用。

（1）比亚迪e6。

比亚迪e6采用磷酸铁锂动力电池，该动力电池是正极采用磷酸铁锂材料的锂离子电池。比亚迪e6动力电池的单体电池电坟为3.3 V，由11个电池模组构成，共96节单体电池，标称电坟为316.8 V。电池安装在车辆的底部，如图5-1-12所示。动力电池的外观如图5-1-13所示。

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