锂离子电池在电动汽车中的应用

锂离子电池在电动汽车中的应用

【摘要】：在环境污染日益严重、能源消耗日益加剧的今天，能源成为了我们迫切需要解决的问题之一。如今，新能源得到了人们的认同和推广,新能源汽车在汽车发展方向备受关注。近年来，锂离子电池已被研究人员用在电动车上作为动力能源，成为电动车发展的一个新趋势。相对以前的电池，锂离子电池中无镉、汞、铅三种元素，这与我们国家的可持续发展战略的要求相符合。本文介绍了锂离子电池在电动汽车中的应用、特点及原理。

【关键词】：新能源、锂离子、汽车、应用

近些年来，随着人们生活水平的提高及环境保护意识的的增强，人们都意识到能源是一个很值得关注的问题。出于能源和环境的考虑，电动汽车在各国政府和汽车制造商的推动下得到了快速的发展，其中，纯电动汽车以其能真正实现“零排放”而成为电动汽车的重要发展方向1。锂离子电池凭借其优良的性能成为新一代电动汽车的理想动力源，它具有重量轻、储能大、功率大、无污染、也无二次污染、寿命长、自放电系数小、温度适应范围宽泛，是电动自行车、电动摩托车、电动小轿车、电动大货车等较为理想的车用蓄电池2。缺点是价格较贵、安全性较差。现已有的一些新型材料有：钴酸锂，锰酸锂、磷酸铁锂、磷酸钒锂等，他们很大程度上提高了锂离子电池的安全性。

1、锂离子蓄电池：

1.1 锂离子蓄电池作为动力电池的简介：

锂离子蓄电池是通过涂在电极上的活性材料存储和释放锂离子，即通过锂离子在电极活性材料上的脱附来存储电能。锂离子动力蓄电池分为单体电池、模块和系统等三个层次，将若干个锂离子蓄电池的单体电池组合成带有监测电路、电气和通讯接口及通风散热功能的蓄电池管理系统。动力蓄电池模块可由上百个单体电池串联及并联而成。串联的目的是提高蓄电池模块总电压，并联的目的是提高蓄电池模块容量3，将这些锂离子电池用在车上作为动力源成为电动汽车的一个重要发展方向，目前已经有公司致力于这方面的研究和推广，成效显著。

1.2 锂离子蓄电池的特点4：

锂离子电池有许多优越特性，比如高能量，较高的安全性，工作温度范围宽，工作电压平稳、贮存寿命长(相对其他的蓄电池)。从安全性来讲，锂离子电池要比其他蓄电池安全的多。特别是采取了控制措施后，锂离子电池的安全性有了很大的保证，电池经过过充、短路、穿刺、冲击等滥用实验，均无危险发生。锂离子电池与Cd-Ni，MH-Ni电池一样，可以快速充电，且无记忆效应，远比Cd-Ni 电池优越；它的自放电率远比MH-Ni电池低。从环境保护的角度看，世界环境保护组织早已把Cd、Hg、Pb三种元素列为有害物质。因此含有这三种元素的电池的使用受到了限制，特别是在欧洲，有些政府大幅度提高了某些电池的环境税，与之相比，锂离子电池则不存这些问题。当然，锂离子电池也有一些缺点，比如低温放电率不高，电池的价格也比较高等。

1.3 锂离子蓄电池的组成及工作原理：

锂离子电池一般由正极、负极和高分子隔膜构成。

锂离子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Li

x CoO

2

，Li

x

NiO

2

以及尖晶石结构的LiMn

2

O

4

等，这些正极材料的插锂电

位都可以达到4V以上。负极材料一般用锂碳层间化合物Li

x C

6

，其电解质一般采

用溶解有锂盐LiPF

6、LiAsF

6

的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极(焦

炭、石墨)、正极氧化钴锂(Li

x CoO

2

）和有机电解液三部分组成5。

锂离子电池的电化学可以表达为：

正极反应：

负极反应：

电池反应：

式中：M=Co、Ni、Fe、W等。

图1 锂离子电池充放电结构示意图6

以炭材料为负极，以含锂的化合物作正极的锂电池，在充放电过程中，没有金属锂存在，只有Li+，这就是锂离子电池。当对电池进行充电时，电池的正极上有Li+生成，生成的Li+经过电解液运动到负极。而作为负极的碳呈层状结构，它有很多微孔，达到负极的锂离子就嵌入到碳层的微孔中，嵌入的锂离子越多，充电容量越高，新的研究发现钛酸盐可能是更好的材料。同样，当对电池进行放电时（即我们使用电池的过程），嵌在负极碳层中的锂离子脱出，又运动回正极。回正极的锂离子越多，放电容量越高。我们通常所说的电池容量指的就是放电容量。在锂离子电池的充放电过程中，锂离子处于从正极→负极→正极的运动状态。锂离子电池就像一把摇椅，摇椅的两端为电池的两极，而锂离子就象运动员一样在摇椅来回奔跑。所以锂离子电池又叫作摇椅式电池7。

一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间8，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间，就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。

2、锂离子蓄电池在汽车中的应用现状：

特斯拉汽车公司——世界上第一个采用锂离子电池的纯电动车公司。

全新的Tesla Roadster采用了极为先进的锂离子能量存储系统而使其在一次充电后的巡航里程可达352公里，而其所配备的能量再生制动系统则还可在车子减速时为锂离子电池组充电，从而使得车子在行走途中就可获得能量的补给9。

美国EnerDel公司在“第七届国际高级汽车蓄电池与超级电容研讨会”上介绍了其混合动力汽车用锂离子蓄电池的正极采用锰酸锂，负极采用铁酸理。放电倍率为1C时，-30℃条件下可以确保90%以上放电容量。EnerDel公司在温度55℃放电深度(DOD)100%，反复对单体电池进行充放电，基本没有出现容量下降现象10。

美国阿尔泰技术公司，利用钛酸锂纳米晶体作为负极，研制出一种快速充放电的新型锂离子蓄电池，充放电次数最高达2万次，快速充满电只需5min。

我国在锂离子电池方面的研究水平还是挺不错的，已能自主开发出用量在50~80公斤以下，可适用于电动自行车、电动摩托车、混合动力车，行驶距离在80公里以内的小型、轻型供上下班使用的家用电动小轿车的锂离子蓄电池，并有足够好的安全行驶性能。从1997年开始产业化经验的苏州星恒作为国家锂离子动力电池产业化示范工程项目基地，他们研发的动力电池组已通过美国的一些权威机构的测试认证，并在苏州建成第一条动力锂离子电池的生产线并顺利试产，目前已实现量产11。

另外，我国珠海银通新能源有限公司引进美国阿尔泰公司技术，生产钛酸锂为负极的锂离子蓄电池作为储能式应急电源。中信国安盟固利动力科技有限公司已经开发出了以钛酸锂为负极的储能型锂离子蓄电池12。

3、结论：

锂离子电池它具有重量轻、储能大、功率大、无污染等特点，是未来车用动力电池的首选技术。如今，它在各个领域的应用也越来越广泛，它的研究和生产都取得了很大的进展，锂离子电池在电动车上作为动力能源，成为电动车发展的一个新趋势。

【致谢】：

感谢宋波老师和李耀文老师对如何写论文的指导，让我知道了写论文的一些要点和基本注意事项。同时也感谢百度提供的一些资料。

【参考文献】：

1.姜久春、文锋、温家鹏、郭宏榆、时玮，《纯电动汽车用锂离子电池的建模和模型参数识别》，北京交通大学电气工程学院。

2.百度文库《电动汽车用锂离子电池技术的国内外进展简析》

3.王青松，孙金华，陈思凝等锂离子电池热安全性的研究进展[J].电池, 2005, 35(3)：240-241.

4.百度百科

5.百度文库《锂离子电池工作原理》

6.百度文库《锂离子电池的发展趋势》