车辆锂电池稳定控制技术

锂是最轻的金属元素，相对原子质量为6.94，同时，它也是电化学当量最小[0.26/（A·h）]、标准电极电位最负（-3.045）的金属。锂的这些特征决定它是一种高比能量的电极材料。在锂离子电池主要材料中，隔膜是非常重要的组成部分，主要作用是使电池的正、负极分隔开来，防止正、负极接触而短路，让电解质离子通过。其原理如图8-7所示。锂离子电池对隔膜强度的要求较高，隔膜直接接触有硬表面的正极和负极，电池内形成枝晶时，隔膜易被穿破而引起电池微短路，因此要求隔膜的抗穿刺强度高。锂渗透率可以表示膜的失效情况，锂渗透率在新膜中一般不超过1mA/cm²，但在失效的膜中可以达到10～20mA/cm²；开路电压可以反映锂从阳极穿透到阴极的情况，在膜失效后开路电压明显下降。

图8-7 锂电池工作原理

用光学干涉实验技术测试膜寿命演化过程，检测锂渗透率与耐久性的关系呈非线性，在使用寿命较长的情况下，锂渗透率在长时间内不发生变化；测试隔膜耐久性发现电池开路电压与膜失效情况有关联。钴酸锂（LiCoO₂）电化学性能稳定，可靠性高，其结构如图8-8a所示。为了使膜材料适应大电流的应用，提出大容量、长寿命的锂离子大电流稳定微结构来满足锂渗透率，增强耐久性，如图8-8b所示。热内应力对大电流锂离子电池电化学性能产生直接影响，多次充放电循环后，颗粒表面会出现许多裂缝。充放电时，两相之间会出现尖锐的界面，高强度内应力导致裂缝的出现。裂缝使得电极极化，也使得活性材料或导电添加剂与集流体的接触变弱，从而造成电池容量损失。

图8-8 匹配不同隔膜的钴锂电池薄膜微结构(www.xing528.com)

通过LiCoPO₄晶体结构可以看出，氧原子三维方向的六方合理堆积改善了Li^+的自由扩散，提高了大电流膜材料的循环寿命。基于锰酸锂材料的多层岩盐结构可满足大电容电动车的充电特性，如图8-9所示，在3.0～3.5V之间材料的容量为1.1～1.4A·h，将截止电压提高到3.8V容量可达1.5A·h。

图8-9 大电容薄膜及电池材料结构

隔膜热闭孔性能与热力学性能会对隔膜的寿命产生影响，对隔膜的热拉伸强度和横向热收缩率均有技术要求，膜在拉伸方向与垂直拉伸方向热强度不同，拉伸会导致垂直方向的收缩，这种收缩在高温下会导致电极之间的相互接触，因此调节隔膜结构要兼顾微孔膜的热闭孔性能，以获得优良性能和寿命的稳定控制技术。锂离子电池材料中纳米技术的应用，增加了大电容薄膜与电解液的接触面积，显著提高了电池的倍率性能。纳米技术产生的锂离子电池大电容薄膜均匀性好、结晶度高、颗粒小、各组分可达原子级混合水平。当纳米线屈曲后，将积累电荷释放到纤维上，实现纳米尺度电能的转化。薄膜缺水时，电极阻抗变大，膜电极出现缺水时，测量阻抗明显大于模型计算值，导致失效。利用碳纳米管作为锂隔膜材料，发现水淹趋势时，提升隔膜温度、降低进气温度、加大空气流量；发现缺水现象时，降低电池温度、提高进气温度、减小空气流量。将纳米尺度和阻抗诊断缺水相结合，考虑温度控制和流量调节，匹配纳米隔膜与电池故障诊断及自愈新技术。因此碳纳米管作为锂隔膜材料，容量可达700mA·h/g，远超过石墨嵌锂的理论容量372mA·h/g，电极经60次充放电循环后的放电容量保持率为65.3%。纳米技术的引入有利于缓解充放电过程中的相变或者锂离子的脱出产生的体积变化，保持晶格结构的稳定性，保证了服役性能，延长了使用寿命。