浅析锂离子电池在电动汽车中的应用

浅析锂离子电池在电动汽车中的应用

摘要：随着中国的快速发展，对能源的需求越来越大，而目前面对着能源紧缺和环境污染的日益严峻问题，特别是近年来各地出现的雾霾天气，给中国的可持续发展敲响警钟，为了减少对汽车等交通工具的石油消耗和尾气排放，以锂离子电池新能源材料为动力的电动汽车成为了研究主流方向，而开发出能量高，比功率大，使用寿命长，成本低的锂离子电池则是电动汽车的关键。本文简单介绍了车用高功率里离子电池的电性能、安全性以及电池工作原理等设计制造方面的初步知识。

关键词：电动汽车；锂离子电池；工作原理；发展

Abstract: with the rapid development of Chinese, demand for energy is more and more big, and now facing the increasingly serious problem of energy shortage and environmental pollution, especially the emergence in recent years the haze weather, sounded the alarm to the sustainable development of China, in order to reduce the oil consumption of vehicles and emissions, to the new energy materials for lithium ion battery powered electric vehicle has become the research direction of the mainstream, and developed a high energy, high specific power, long service life, low cost of the lithium ion battery is the key of electric vehicle. This paper briefly introduces the preliminary knowledge of design and manufacturing of high power Li ion battery for vehicle electrical performance, security and other aspects of the work principle of battery.

Key words: electric vehicle; lithium ion battery; working principle; development

绪论:在电池的过去数十年发展中，包括：铅酸、镍镉、锂离子、锌空气及氢氧燃料电池等，每一种电池皆有其特性。但是考虑到电动汽车所需的安全性、高容量、高能量密度以及使用寿命，使得锂离子电池在电动汽车上的应用推动了其向安全、环保、低成本及比能量高的方向发展。现在对锂离子电池性能提高和使用技术的研究已成为动力电池研究的重点和前沿。

除了锂离子电池本身所具有的优势性能外，我国还有以下有力的条件：第一，资源优势。锂离子动力电池的主要原材料锂、锰、铁、钒等在我国都是比较丰富的；第二，技术优势。我国的小功率锂离子电池早已实现产业化，形成了上下游结合的完整产业链，电池产量超过世界市场的三分之一，锂离子动力电池技术已经达到国际先进水平，产业化条件也基本成熟[1]。

因此，无论是锂离子电池本身优势的特点，还是我国目前的现状，发展锂离子动力电池都将是我国电动汽车的明智之选。

1锂离子电池的发展现状

电池是电动汽车的核心部件，很显然，氢镍电池和锂离子电池将是电动汽车的主要动力电池，锂离子电池是世界上最新一代的充电电池，它的负极是碳素材料，正极是含锂的过渡金属化合物LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4等，电解质是锂盐的有机溶液或聚合物[2]。充电时，正极中的锂离子脱离LiCoO2、LiFePO4晶格,经过电解质运嵌入电池的碳材料负极，放电时则相反。

目前，锂离子电池行业结构发生重大调整，汽车工业要求锂离子动力电池的寿命比小型电池长两倍以上，成本降百分之五十，单体容量增加10倍以上，生产规模增加几十倍甚至上千倍。动力电池的产业化正伴随着材料、工艺和装备的重大革新开始起飞，传统的钴基氧化物正极材料正在被成本更低、安全性好的锰基氧化物和磷酸盐材料取代，用于小型电池的电极制备工艺也将逐渐被高效、低能耗和污染小的新工艺所取代，大型动力电池的散热和高功率输入/输出要求使电池结构从卷绕式圆柱型走向叠片式方型,相应的材料制备技术、电池制造技术、工艺和装备正在不断地创新和深入发展。

2锂离子电池的基本原理

锂离子电池按照外形形状可以分为方形锂离子电池、圆柱形锂离子电池；按照锂离子电池正极的材料不同可以分为锰酸锂离子电池、磷酸铁锂离子电池、镍钴锂离子电池、镍钴锰锂离子电池等[3]。

2.1 锂离子电池的工作原理

锂离子电池是以锂离子嵌入化合物为正极材料的电池的总称。锂离子电池充放电过程的基本电化学反应式为：

正极LiCoO2→Li1-xCoO2 + xLi+ + xe-

负极6C + xLi+ + xe-→Li x C6

总反应LiCoO2 +6C→ Li1-x CoO2 + Li x C6

电池在充电时，锂离子电池从正极材料的晶格中脱出，通过电解质溶液和隔膜嵌入到负极中；放电时，锂离子从负极脱出，通过电解质溶液和隔膜，嵌入到正极材料晶格中。在整个充放电过程中，锂离子往返于正负极之间，所以锂离子电池又叫摇椅电池[4]。

2.2 锂离子电池的结构

锂离子电池主要由正负极集流体、正负极材料、隔板、电解液和安全阀等组成。电池的集流体既是与外电路的连接部分，也是正负极材料的载体。它本身是金属，电特性满足欧姆定律，可等效为一定阻值的纯电阻。在锰酸锂离子电池中，正极物质以锰酸锂为主要原料，在磷酸铁锂离子电池中，正极以磷酸铁锂主要原料，在镍鈷锰锂离子电池中，正极以镍鈷锰锂为主要原料。在正极活性物质中再加入导电剂、黏合剂等。负极活性物质是由碳材料与黏合剂的混合物再加上有机溶剂，涂覆在铜基上。正负极材料主要参与电化学反应的物质，它决定了电池的电压、容量等