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磷酸铁锂快充技术应用于新能源客车上

来源:【TRD】 发布日期:2020-07-28 分享 加入收藏 关注:508

1.引言



新能源汽车领域使用的常规锂离子电池,充电方式是小电流恒流充电,一般充电时间为5-8小时,甚至更长。基于磷酸铁锂快充技术的快充电池,充电时间短、安全啦字以及寿命长,为新能源客车的便利使用供应新的解决方法。



锂离子电池依靠锂离子在正极和负极之间移动来工作,充电过程中Li+从正极脱嵌,经过电解质嵌入负极,负极处于富锂状态;放电时则相反。在快充时,负极会极化过大,过电位高出现副产物,影响电芯的循环性和稳定性。针对快充过程中的瓶颈,磷酸铁锂快充电池从髙动力学负极、纳米改性磷酸铁锂正极、陶瓷涂层高孔隙率隔膜和先进热管理系统等方面进行改善,电池内部电阻小,在快速大倍率充电时出现的热量少,其寿命相比普通锂离子电池更长,电量/总里程比值大大高于普通锂离子电池。相比三元电池,磷酸铁锂快充电池在快充条件下循环寿命长,安全性能优异,且不含贵金属;比钛酸锂离子电池电压平台高,能量密度高,电池一致性更好,且无胀气风险,而钛酸锂材料与电解液易发生相互用途,在充放循环过程中出现气体析出,发生胀气,导致电芯鼓包,电性能也会大幅下降,加重电芯一致性差异。



采用磷酸铁锂快充技术的锂离子电池特点包括充电时间短,4C以上的充电能力,约15分钟就能使电池电量从零达到90%以上。



2.磷酸铁锂快充技术的技术要素



2.1纳米磷酸铁锂正极



新能源客车中,多采用磷酸铁锂材料作为正极。磷酸铁锂正极材料环保无污染,原料低价,资源极大丰富;结构稳定,安全性能最佳(0与P以强共价键牢固结合,使材料很难析氧分解);高温性能和热稳定性明显优于已知的其它正极材料;循环性能好;充电时体积缩小,与碳负极材料配合时的体积效应好,且与大多数电解液系统兼容性好。未经修饰的磷酸铁锂材料其离子电导和电子电导率低,经过充分纳米化处理,锂离子颗粒粒径小,减少锂离子在晶粒中的扩散距离,并通过混合掺杂改善锂离子的扩散通道,大幅提高锂离子扩散速度。碳包覆则是决定磷酸铁锂电子电导率的关键因素,通过在前驱体添加有机碳源的办法改善材料的导电性,选择特殊的包覆方式,例如气相沉积法,获得薄而致密的导电碳层,所得的磷酸铁锂材料粉末电导率较高,电化学性能优秀。磷酸铁锂材料修饰改性之前,材料本征电导率只有10_6S/cm,经过纳米化和特殊碳层包覆处理(图2),电导率可达10_2 ̄10_13/(1111,电导率提高了7个数量级,导电性能优于三元材料,成为实现快充功能的关键技术要素。



磷酸铁锂材料结构的动力学和热力学稳定性很高,所以具有优异的循环稳定性。单体电池电压越高,正极氧化性越强,与电解液的反应越剧烈,电芯失效越快。采用磷酸铁锂快充技术,属于3.65V的相对低电压体系,正极氧化性弱,副反应少而且速度慢,可高倍率(4C及以上,90%SOC)充放电循环10000次以上(图3)。破坏性实验表明,采用磷酸铁锂快充技术的锂离子电池安全性能很高,经穿钉、加热、短路和过充等滥用实验检测均符合安全标准。



2.2高动力学负极



电池充、放电时,锂离子在负极中嵌人与脱出,普通石墨类负极材料的层状结构端面较小,在大电流快速充电时难以实现锂离子快速嵌入,锂在石墨表面易沉积导致析锂。随着循环次数的新增,结构不易保持稳定而导致塌陷。若采用能量较低的非石墨材料如软碳、硬碳或钛酸锂,使负极具有承受快充的能力,则为了弥补能量密度的损失,需采用三元材料等髙能量密度正极材料,热稳定性差。为与纳米磷酸铁锂搭配使用,须采用高动力学负极,通过特殊的加工工艺,石墨表面处理获得环状修饰层,在石墨表面改性,加快锂离子在石墨层的嵌人(图4)。修饰后的石墨,在保持其原始高能量密度的前提下,实现快充功能。这一表面改性技术改变了石墨表面的锂离子扩散通道,减小锂离子扩散到负极时的界面阻抗,防止脉冲充电时锂在负极表面沉积或形成锂枝晶。同时优化负极孔道结构,改善液相传质速度。



2.3高电导率电解质



电解质对快充锂离子电池的性能影响非常大,必须保证在大电流下良好的化学稳定性,不易发生分解,具有较高的离子导电率,且对正负极材料是惰性的,不与其反应或溶解。电解质由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料按一定比例配制而成的有机溶剂是电解液的主体部分,与电解液的性能密切相关。为了实现快充,用高电导率溶剂与低粘度溶剂混合使用,选择适当的锂盐种类和浓度,添加能够降低负极表面SEI膜阻抗的添加剂,抑制在频繁大电流充放电时,负极表面因SEI破坏和再生导致的产气。



2.4陶瓷涂层高孔隙率隔膜



为使锂离子快速穿过隔膜进入负极,快充电池的隔膜必须高透气、强耐热、安全性高。陶瓷涂层高孔隙率高透气率隔膜,可确保快速充电放电时锂离子通过隔膜的速度,同时陶瓷涂层也帮助电池获得高安全性能。陶瓷涂层高孔隙率隔膜的涂层颗粒粒径均匀,能很好的粘接到隔膜上,又不会堵塞隔膜孔径,还可保证陶瓷颗粒对电解液的相容性及浸润性。以PP、PE或者多层复合隔膜为基体,在其表面涂覆单面或双面纳米级陶瓷材料,经过特殊工艺处理与基体粘连紧密。



涂覆陶瓷隔膜可中和电解液里面游离的HF,提升电池耐酸性,安全性提高。具有良好的吸液及保液能力。新增微孔曲折度,降低电池自放电,改善循环过程中微短路,有效提升循环寿命。



2.5热管理系统



热管理技术采用封闭式可循环的液体热管理系统,是磷酸铁锂快充技术的关键技术之一。快充条件下,电流成倍增大,必然带来发热量大的结果,电芯温度越高,正极与电解液的氧化反应越剧烈。长期在高温条件工作,将使电池的充放电性能受到不可逆影响,会破坏电池内的化学平衡,导致副反应,从而加速电池的老化。采用热管理系统,实现电池组内部的温度控制,解决快充电流大带来的发热问题,同时也使低温下的快成为可能,防止极端髙温和低温情况出现。封闭式可循环的液体热管理系统,集成电池包、板式换热器、冷凝器、压缩机、电子水泵、PTC等部件,兼具制热制冷功能,系统导热效率髙,有效解决电池组内部温度不均衡问题。整个热设计不但涵盖电池组,还包括DC-DC高压转换和充电器,连接器,线束这些部件的散热要求,要结合部件布置的环境和客车的实际使用环境条件统筹设计。一方面让热管理系统在要的温度高效运转;另一方面使其精确识别电池状态,降低能耗,使电池实现“全气候”条件下的有效使用。



热管理系统的设计结合仿真技术,采集车辆运行实际工况,换算电池组要放电和充电的大小和工况曲线,进行仿真和拟合,从而验算推导在整个放电和充电条件下电池组的产热情况。再从单电芯所要的散热条件出发,扩展到整个电池系统散热条件下选择热管理的导热方式和箱体结构,经济地设计流量。



3.磷酸铁锂快充技术应用在新能源客车上的效益分析



3.1市场分析



磷酸铁锂快速充电技术只需15分钟就可把电池充电到90%以上的容量。客车在实际运行中,通常不会把电池电量全部耗尽,电池组充电时仍有余电,所以充满电的平均时间只需10分钟即可,公交车辆可在进入场站的短暂休息时间内完成充电,成倍提高充电桩的使用频率,防止出现车辆白天运营时充电设施闲置,夜间又集中且长时间占用充电桩的问题,公交企业无需再为集中充电配套很大的充电场地和数量众多的充电桩,原燃油车辆的运营方式因快充技术而不受影响,对快充技术的市场需求会越来越大。



3.2效益分析



新能源客车的动力锂电池由于不能快速充电,为保证营运里程需求,配电量必须足够大,电池系统总重量大,总成本也高。在公交领域采用磷酸铁锂快充技术,利用车辆进入场站的短暂间隙进行快速补电,因此车辆无需配备大容量电池,配电量可大幅降低,节省成本,也减轻车辆整体重量,减少能耗。并且相较于常规电池3000~4000次左右的使用寿命,磷酸铁锂快充电池的长寿命(>1000循环)性能为电池带来性价比的成倍提升。在产品生命周期内,每千瓦时电池的使用总里程将达到常规电池的两到三倍,即新能源客车实现同样的总里程,所需的电池仅相当于常规电池的二分之一到三分之一。



3.3可靠性分析



应用于新能源客车领域的磷酸铁锂快充技术,将充电时间缩短到10分钟-15分钟,同时大幅延长电池整体寿命,使之与整车寿命相匹配(10000次循环)。热管理技术改善电池组内部管理效率,全封闭可循环的液体加热和冷却系统,散热和加热效率高,有效解决电池高温和低温使用以及热分布均衡问题。



磷酸铁锂快充技术将使车辆在使用便利性、经济性和安全性方面得到极大改善,为解决新能源汽车的续航里程焦虑和充电桩焦虑供应一条行之有效的解决路径。



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