锂离子电池充电与放电特性分析

锂离子电池简介

2017-02

1. 锂离子电池原理

充电的时候，在外加电场的影响下，正极材料LiCoO2中的锂元素脱离出来，变成带正电荷的锂离子（Li+），在电场力的作用下，从正极移动到负极，与负极的碳原子发生化学反应，生成LiC6，于是从正极跑出来的锂离子就很“稳定”的嵌入到负极的石墨层状结构当中。从正极跑出来转移到负极的锂离子越多，电池可以存储的能量就越多。

放电的时候刚好相反，内部电场转向，锂离子（Li+）从负极脱离出来，顺着电场的方向，又跑回到正极，重新变成钴酸锂分子（LiCoO2）。从负极跑出来转移到正极的锂离子越多，这个电池可以释放的能量就越多。

在每一次充放电循环过程中，锂离子（Li+）充当了电能的搬运载体，周而复始的从正极→负极→正极来回的移动，与正、负极材料发生化学反应，将化学能和电能相互转换，实现了电荷的转移，这就是“锂离子电池”的基本原理。由于电解质、隔离膜等都是电子的绝缘体，所以这个循环过程中，并没有电子在正负极之间的来回移动，它们只参与电极的化学反应。

2. 锂离子电池构成

锂离子电池内部需要包含几种基本材料：正极活性物质、负极活性物质、隔离膜、电解质。

正负极需要活性物质，是为了更容易参与化学反应，从而实现能量转换。正负极材料不但要活泼，还需要具有非常稳定的结构，才能实现有序的、可控的化学反应。一般选用锂的金属氧化物，如钴酸锂、钛酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍钴锰三元等材料。负极通常选择石墨或其他碳材料做活性物质。

电解质是锂离子传导的介质，要求锂离子电导率要高，电子电导率要小（绝缘），化学稳定性要好，热稳定性要好，电位窗口要宽。人们找到了由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、和必要的添加剂等原料，在一定条件下、按一定比例配制而成的电解质。有机溶剂有PC（碳酸丙烯酯），EC（碳酸乙烯酯），DMC（碳酸二甲酯），DEC（碳酸二乙酯），EMC（碳酸甲乙酯）等材料。电解质锂盐有LiPF6，LiBF4等材料。

电动汽车能量流研究需要考虑电池充放电效率的影响，然而目前针对不同充放电模式下的充放电效率研究并不充分，实验方法、测试系统与分析结果仍不具备普遍适用性。因此，本文提出了一种电动汽车充放电效率表征方法和试验方法，并搭建了测试台架系统；在此基础上，针对某款电动汽车动力电池，定量研究了不同充电模式、放电工况下充放电效率的变化规律，从而为整车能量流研究提供了一种有效的动力电池充放电效率测试方法，接下来就为大家详细的讲解一下希望对大家有所帮助。

1 动力电池及其充放电效率

动力电池是电动汽车的能量来源，锂离子电池以其高能量密度和功率密度、长循环寿命、低自放电率等优势，成为电动汽车的首选动力电池；其中，磷酸铁锂电池（LiFePO4）和三元锂离子电池（NCA、NMC）等具有更高的安全性能，因此广泛应用于电动汽车领域。图1 所示为锂离子电池的基本结构与工作原理示意图，其充放电过程是通过Li+在正负极柱之间嵌入和脱出实现的。

2 实验平台和测试方法

实验平台结构包含试验箱、电池模拟器、12V 开关电源、冷却循环水机、上位机等试验仪器及设备。其中，动力电池系统在实验过程中放置于试验箱内，由高压线连接至电池模拟器，通过控制电池模拟器的功率及电流方向，实现动力电

池不同模式下的充放电；同时电池充放电数据通过CAN 总线进行通讯，并上传至上位机系统。实验过程中，电池模拟器及电池管理系统BMS 实时检测动力电池组总电压、单体电压、电池组温度等参数并设置保护措施，从而保证实验过程电池处于安全工作状态。

3 实验及结果分析

实验用动力电池系统采用三元电芯作为单体电池，整体模块标称能量为46kwh。充放电过程中，设置系统总电压、单体电压、温度等参数的安全范围；一旦检测到参数超出上下限安全阈值，将电池模拟器输出电流设置为0，并切断电池模拟器与动力电池系统的连接。

实验过程中，分别采用2.6kw 慢充、6.6kw 定功率充电、快充、1/3C 标准充电（15.3kw）以及1C 充电（46kw）对电池包进行充电，并通过变功率、45kw、6.5kw 、14.9kw 以及28.4kw 等效模拟车辆NEDC 工况、1C 放电、60km/h 等速、90km/h 等速、120km/h 等5 种驾驶工况。

令狐采学创作

令狐采学创作 针对锂离子电池过充电、过放电问题

令狐采学

过充电：锂离子电池过充时，电池电压随极化增大而迅速上升，会引起正极活性物质结构的不可逆变化及电解液的分解，产生大量气体，放出大量的热，使电池温度和内压急剧增加，存在爆炸、燃烧等隐患。

过放电：电池放完内部储存的电量，电压达到一定值后，继续放电就会造成过放电，电池过放电可能会给电池带来灾难性的后果,特别是大电流过放，或反复过放对电池影响更大。一般而言，过放电会使电池内压升高，正负极活性物质可逆性受到破坏，电解液分解，负极锂沉积，电阻增大，即使充电也只能部分恢复，容量也会有明显衰减。

解决措施：

1、 改变正极材料：目前钴酸锂正极活性材料在小电芯方面是很成熟的体系，但是充满电后，仍旧有大量的锂离子留在正极，当过充时，残留在正极的锂离子将会涌向负极，在负极上形成枝晶（使其晶面的半高宽变大，导致 某一方向的晶粒尺寸变小，晶体结构的改变导致碳材料出现裂纹，进而破坏负极表面的 SEI 膜并促进 SEI 膜的修复，SEI 膜的过度生长消耗活性锂，因此造成了电池的不可逆容量衰减。如图1所示）这是采用钴酸锂材料的电池过充时必然的结果。甚至在正常充放电过程中，也有可能会有的产生多余的锂离子游离到负极形成枝晶（由于石墨的嵌脱锂电位较低，接近锂的还原电位，因此在某些条件下负极容易出现锂沉积，锂沉积会消耗活性锂，产生不可逆容量损失）。因此寻求高能量密度、高安全、环保和价格便宜的电极材料是动力电池发展的关键。目前国家选择的安全令狐采学创作

令狐采学创作 正极材料有锰酸锂、磷酸铁锂等。

（锰酸锂LiMnO4分子结构上面可以保证在满电状态，正极的锂离子已经完全嵌入到负极炭孔中，从根本上避免了枝晶的产生。同时锰酸锂稳固的结构使其氧化性能远远低于钻酸锂，分解温度超过钴酸锂10O℃，即使由于外力发生内部短路、外部短路、过充电时，也完全能够避免了由于析出金属锂引发燃烧、爆炸的危险。

锂离子电池快速充电及高倍率放电性能

刘小虹

【摘 要】就正极中导电剂含量和功能电解液对电池的快速充电及高倍率放电性能的影响进行了研究,同时重点考察了导电剂和功能电解液对电池的高倍率放电性能和快速充电高倍率放电循环性能的协同效应。结果表明,增加正极中导电剂含量和使用功能电解液,可以提高电池的快速充电及高倍率放电性能;正极中导电剂含量和功能电解液对电池高倍率放电性能和快速充电高倍率放电循环性能具有良好的协同效应。通过优化组合,得到的电池20 C放电容量可达1 C放电容量的95.1%;4.5 C充电9 C放电循环300周后,电池容量仍然保持在89%以上,具有优异的快速充电高倍率放电循环性能。

【期刊名称】《电源技术》

【年(卷),期】2011(035)007

【总页数】4页(P768-771)

【关键词】锂离子电池;快速充电;高倍率;功能电解液;协同效应

【作 者】刘小虹

【作者单位】东莞市迈科科技有限公司,广东东莞523800

【正文语种】中 文

【中图分类】TM912.9

锂离子电池因其电压高、能量密度大，被广泛地应用于便携式电子产品、电动工具等领域，也被认为是EV、HEV以及PHEV的主要发展方向之一。由于电动汽车电池快速充放电发展的需要，锂离子电池高倍率性能的研究引起了广泛的重视 [1-5]。在高倍率锂离子电池中使用的正极材料主要有：Li-CoO2、LiMn2O4、LiFePO4以及三元材料 LiMn x Ni y Co z O2等。Li-CoO2因其价格高，有安全隐患等问题，只限于在小型倍率电池上使用；LiMn2O4因其高温稳定性差，循环性能不好，限制了其在倍率电池上的普遍应用；LiFePO4由于其电压低，低温性能差，在倍率电池应用上有其局限性。比较而言，三元材料LiMn x Ni y Co z O2(三元材料)因其优良的循环性能以及其他综合性能，成为高倍率电池材料的重要选择之一。本文在前期电池结构设计、材料匹配等的基础上，就正极中导电剂含量和功能电解液对电池的快速充电及高倍率放电性能进行了研究，同时重点考察了导电剂和功能电解液对快速充电前提下高倍率放电循环性能的协同效应。