汽车新能源之锂电池技术应用.docx

1、汽车新能源之锂电池技术应用摘要面对全球日益严峻的能源形势和环保压力，近年来，世界主要汽车生产国都 把新能源汽车产业发展作为提高汽车产业竞争力、保持经济社会可持续发展的重 大战略举措。我国新能源汽车产业发展尚处于起步阶段，当前面临的发展现状主 要是资金、人才均有较大缺口；市场宣传力度还不够；新能源汽车的技术还未取 得全面突破：政策的扶持力度上也不够细化。面对这些问题还需要政府企业提出 相关的发展对策，进一步完善新能源汽车技术消费市场环境。我国作为能源消耗 大国，发展新能源汽车产业是低碳经济时代必然的选择。同时，新能源汽车的产 业发展也将是汽车行业的新向导。关键词：新能源汽车；锂电池技术；Abst

2、ract本科生毕业论文专业代码： 汽车服务工程作者姓名： 学 号： 200940伯 43 单 位： 汽车与交通工程学院指导教师： 2013年5月20日汽车新能源之锂电池技术应用刖吞LI前，各国能源消费依然严重依赖石油，而石油储量有限的事实向全球经 济发展提出了严峻的挑战。自2006年起，中国取代日本成为仅次于美国的世界第 二大新车消费市场。中国能源问题已经成为国民经济发展的战略问题，并成为中 国能源安全战略的核心内容。汽车能源消耗不仅是造成全球石油短缺的主要原因， 也是环境污染和全球温室气体排放的重要原因。U前有80%以上的一氧化碳、40% 以上的氮氧化物以及20%30%的城市颗粒污染物，均来

3、自于机动车尾气的排放。 环境污染的问题越来越引起我国的重视，实现交通能源动力系统转型、发展新能 源汽车将是未来汽车行业发展的主要方向1。欧、美、日各国把发展新能源汽车作为解决LI前能源短缺的重要途径，但在 不同时期的新能源汽车技术路径是不同的。总的来看，新能源汽车发展趋势可归 纳为：能源逐渐山化石燃料向可再生、低排放棋至零排放的能源形式过渡是基本 趋势，电能、主物燃料和氢能将是汽车能源的最终解决方案。但在电能、生物燃 料和氢能最终替代化石燃料前，汽车能源呈现多元化局面。新能源汽车技术将出 现多种技术共存的的局面，先进汽油车、先进柴油车、混合动力汽车、纯电动汽 车、天燃气汽车、醇类燃料汽车、燃料

4、电池汽车都将占据一定的市场份额。但是山于忖前汽车新能源汽车技术繁多，每个国家在新能源汽车领域发展方 向有所不同。本课题以此为出发点，着重分析口前市场上的新能源汽车之中的锂 电池技术的应用。然而，电动汽车山于忖前在电池技术上存在着续航能力不足，充 电时间过长等问题。通过分析本课题最终提出解决这一问题的主要方案就是加快 充电站的建设，并且充电站建设将是以更换电池为主，整车充电为辅的运营模式。锂电池简介锂电池的产生自从1958年美国加州大学的一位研究生提出了锂，钠等活泼金属做电池负极 的设想后，人类开始了对锂电池的研究而从1971年日本松下公司的福田雅太郎 发明锂氟化碳电池并使锂电池实现应用化、商品

5、化开始，锂电池便以其比能量高, 电池电压高，工作温度范圉宽，储存寿命长等优点，广泛应用于军事和民用小型电 器中，如移动电话，便携式计算机,摄像机，照相机等。近年来更是在新能源汽车中 得到进一步的应用。电池的简锂单介绍锂电池是一类以金属锂或含锂物质作负极的化学电源的总称山于锂的标准 电极电位负值较大(相对标准氢电极电位为-3. 03V)而且理论比容量2高达 3. 88Ah/g.因此，与常规电池相比，具有电压高(3V左右)，比能量大 (200-450Wh/kg),可反复充放电(5000次以上)，无记忆效应，无污染，工作环 境宽等特点.已实用化的锂电池有 Li-Mn02 , Li 12, Li-Cu

6、O, Li-S0C12, Li-(CFx)n, Li-S02, Li-Ag2CrO4 等.而当这里的锂电极用碳 代替时，便成了最新式的锂离子蓄电池.锂离子电池的研究始于20世纪80年 代.1990年日本Nagoura等人研制成以石油焦为负极，以LiCo02为正极的锂离子 电 池:LiC61 LiC104-PC+EC|LiCo02同年Moli和sony两大电池公司宣称将推出 以碳为负极的锂离子电池.1991年，日本索尼能源技术公司与电池部联合开发了一 种以聚糖醇热解碳(PFA)为负极的锂离子电池.1993年，美国Bellcore(贝尔电讯 公司)首先报道了采用PVDF工艺制造成聚合物锂离子电池(

7、PLIB) o发展到今天性 能有了极大地提高，被广泛适用于手机、电脑等。锂离子电池的工作原理所谓锂离子电池实际上是一种锂离子浓度差电池，正负两极山两种锂离子嵌入化合物组成。充电时，锂离子从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，负极处于富 锂态，正极处于贫锂态，同时电子的补偿电荷从外电路供给到碳负极，保证负极 的电荷平衡，放电时则相反，锂离子从负极脱嵌，经电解质嵌入正极（这种循环 被形象的称为摇椅式机制）。在正常的充放电情况下，锂离子在层状结构的碳材料 和层状结构氧化物层间嵌入嵌出，因为过渡金属氧化物LiCo02、LiNiO2中低自旋 配合物多，晶格体积小，在锂离子嵌入脱嵌时，晶格膨胀收缩性小，结晶结构稳

8、 定，因此循环性能好，而且充放电过程中，负极材料化学结构基本不变，因此从 充放电反应的可逆性看锂离子电池反应是一种理想的可逆过程。人们将这种靠锂 离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象 地称为“摇椅式电池S俗称“锂电”。当电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。这就需要 一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳 定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCo02、LiNiO2、LiMn204。作为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材 料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧

9、化物包括SnO、 SnO2、锡复合氧化物 SnBxPyOz （x=0. 40.6, y=0. 60.4, z二（2 + 3x + 5y）/2）等。 电解质釆用L1PF6的乙烯碳酸脂（EC）、丙烯碳酸脂（PC）和低粘度二乙基碳酸 脂（DEC）等烷基碳酸脂搭配的混合溶剂体系。隔膜采用聚烯微多孔膜如PE、PP或它们复合膜，尤其是PP/PE/PP三层隔膜不 仅熔点较低，而且具有较高的抗穿刺强度，起到了热保险作用。外壳釆用钢或铝材料，盖体组件具有防爆断电的功能。锂离子电池的工作原理锂离子电池的应用锂离子电池的一个应用方向是电动汽车进入20世纪80年代，山于工业的发 展,汽车产量口增，大气污染成分的63%

10、来自燃油汽车，为了根治汽车尾气对环境造 成的污染，电动汽车及电动汽用电池的开发研究已经国内外汽车行业发展的新热 点，而LI前电动汽车商品化的难题主要是电池性能满足不了要求，而且价格髙，体 积大，质量大,而锂离子电池由于具有比能量高，自放电小，循环寿命长，无记忆效 应和对环境污染小等优点，成功晋级为“实现中期LI标的电动汽车动力电池”之一。 IJ前，在锂离子动力电池研究方面领先的厂商有日本Song、德国Va r t a和法国 Safto而未来，具更高能量的聚合物锂离子电池（PLIB）将成为远期LI标的电动 车用锂离子电池。制约电动汽车发展的锂电池四大技术难题口前山于电动汽车的制造成本太高，国家正

11、在对电动汽车进行高额补贴。电动汽 车的成本之所以很高，最主要的原因在于锂电池的成本过高，其成本超过了整车 的三分之一。然而，锂电池成本高的原因还与其涉及的化工材料密切相关。一、正极材料锂电池的正极材料主要有钻酸锂、镭酸锂、银猛钻三元材料及磷酸铁锂等。 其中，磷酸铁锂山于具有另外儿种材料所不具备的循环寿命、安全和材料成本方 面的潜在优势，而被业界看作理想的正极材料。口前存在的问题，一是主要原料 电子级碳酸锂(碳酸锂含量在99.5%以上)大部分来自进口，二是磷酸铁锂生产技 术也来自国外。据了解，电子极碳酸锂可山锂矿石或盐湖中提取出碳酸锂再提纯而来。我国 锂资源居世界第二，但山于技术问题，国内矿石提

12、取碳酸锂再提纯为电子极碳酸 锂的产量很低。盐湖提取电子级碳酸锂H前还没有产品问世。所以只能从国外大 量进口电子级碳酸锂。因为进口量大，导致国内企业基本没有定价权，完全由国 外厂商说了算。在技术上，我国磷酸铁锂发展本来与国际基本同步，但国内尚未诞生真正的 领军企业，行业缺乏原始创新技术。前，国际上在磷酸铁锂电池行业处于领先 地位的企业主要有3家，分别是美国的高博(A123)公司和威能(Valence)公司 以及加拿大的佛斯泰克(Fhostech)公司。磷酸铁锂技术在国外被看作战略性技 术，美国、加拿大等政府为此不惜以国家的力量参与技术壁垒的建立。在磷酸铁锂材料领域，有两大核心技术专利，其中一个是

13、包敷碳技术，另一 个是碳热还原技术。前者山加拿大佛斯泰克公司拥有独家使用权，并且已经在我 国申请专利。后者的专利权山美国高博公司所有，口前尚未在我国申请专利，但 是该公司现已在苏州成立了2家公司，分别负责磷酸铁锂材料的生产和电池制造。 磷酸铁锂电池方面的核心专利被儿家外国公司掌握，外国公司专利转让至中国企 业将会面临高昂的专利许可费，对该产业构成巨大的潜在威胁。要想摆脱在产业链中低端、被动的地位，就要从三方面努力：一是通过技术 研发从而加快国内磷酸铁锂专利申请。二是围绕国外企业的核心专利在外圉进行 布局。三是加强电池结构设计、电池组合控制方面的研究。二、电解液电解液在锂电池正、负极之间起到传导

14、电子的作用，是锂离子电池获得高电 压、高比能等优点的保证。电解液一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、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。锂电池主要使用的电解质有高氯酸锂、六氟磷酸锂等。但用高氯酸锂制成的 电池低温效果不好，有爆炸的危险，日本和美国已禁止使用。而用含氟锂盐制成 的电池性能好，无爆炸危险，适用性強，特别是用六氟磷酸锂制成的电池，除上 述优点外，将来废弃电池的处理工作相对简单，对生态环境友好，因此该类电解 质的市场前景十分广泛。目前电解液配套基本已实现国产化，但软肋是占电解液成本约一半的电解质 六氟磷酸锂，国内基本没有企业能够生产。目前六氟磷酸锂市场被儿家日本企

15、业如关东电化学工业、苏特瑞克秘法 (SUTERAKEMIFA)、森田化学等垄断。全球六氟磷酸锂产能在4000吨/年左右。日 本这3家厂商其产能在3430吨/年，占全球产能的85%左右。我国天津金牛电源材料 有限责任公司LI前的产能只有250吨/年，并且不对外出售。国内电解液生产厂家 所用的六氟磷酸锂主要从日本和德国进口。出现这一状况的的主要原因是六氟磷酸锂的技术门槛相当高。六氟磷酸锂要求纯 度高、水分低，但由于产品本身极易吸潮分解，因此生产难度极大，对原料及设 备要求苛刻，属于典型的高科技、高危生产环境、高难生产的三高技术产品。 六氟磷酸锂的三大主要原料是五氯化磷、无水氢氟酸和氟化锂，其中乂以

16、后两者 的生产难度最大，需要国内企业在生产工艺上取得突破。三、隔膜隔膜在锂电池中起着防止正、负极短路的作用，并在锂电池充放电过程中提 供锂离子运输通道。简而言之，隔膜就是一层多孔的塑料薄膜。但它直接影响了 电池的容量、循环性能以及安全性能。在锂电池的部件中它是技术含量最高的， 占锂电池成本的20%30%o而LI前我国80%的锂电池隔膜依鼎进口。隔膜技术含量高的原因在于它的造孔工艺难度大。U前国际上隔膜的主流产 品是经横向和纵向精密拉伸的单层聚丙烯(PP)纳米微孔膜、单层聚乙烯(PE) 纳米微孔膜、PP/PE/PP三层复合纳米微孔膜等类型。以双向精密拉伸法来生产PE、 PP隔膜，是一个多步骤、复

17、杂而精密的加工过程，包括吹塑、流延制膜、连续精 密拉伸等多个重要环节。国产隔膜在厚度的均匀度和孔的均匀度上与国外存在很 大差距。目前国际和国内市场基本被儿家实力强大的国外厂商掌控，如美国的卡 尔格德(Celgard)、恩特凯(Entek),日本的旭化成、东燃等。国内许多企业都在尝试突破国外技术壁垒，开发锂电池隔膜，但难度较大。 难度主要体现在以下3个方面：一是传统制备隔膜工艺的相关专利基本被美国和日 本的少数企业所垄断，我国在生产技术方面缺乏自主知识产权；二是国内企业在 生产隔膜的关键技术方面特别是产业化技术方面较为欠缺，很多企业在小试时往 往能够拿出较好的样品，但大规模生产时产品的一致性较差

18、；三是我国在新工艺、 新方法的研究方面与国际同步，但新的工艺往往对设备和工艺过程控制要求较高, 我国的精密加丄设备基础比较薄弱，限制了产业化。尽管难度大，但是国产隔膜已经开始起步。现在国内一些企业在国产化方面 已取得了一些技术突破，如深圳市星源材质科技股份有限公司、佛山市金辉高科 光电材料有限公司、河南新乡格瑞恩新能源材料股份有限公司等，这些公司都已 生产出具有自主知识产权的锂电池隔膜，但LI前大多是供应中、低端市场，还需 要膜技术的进一步成熟。随着新能源汽车的逐渐推广，到2012年，预计新能源汽车将令锂电池隔膜的 需求量翻10倍。解决了隔膜的国产化问题，不仅对锂电池行业，对整个电动汽车 行业

19、发展都将具有革命性的意义。四、负极负极材料技术含量比较低，一般用石墨做负极，是国内锂离子电池四大关键 组件中唯一实现产业化的材料。国内企业在技术含量低的领域，做得颇有成就。深圳贝特瑞新能源材料有限 责任公司、上海杉杉科技有限公司等已经跻身世界级公司。其中，深圳贝特瑞市 场占有率已居全球第二。客户包括松下、三星、日立、比亚迪等130多家厂商。但是，石墨负极材料虽成功商品化，可111于碳作为负极总是存在一些难以克 服的弱点，未来肯定要被非碳材料取代。因为石墨在电解液中会形成钝化膜，该 膜虽可传递锂离子，但会引起能量的损耗。而且当电池过充电时，石墨负极表面 会析出金属锂从而引起电池短路。随着温度的升

20、高，嵌锂状态下的石墨负极将首 先与电解液发生放热反应，有可能会生成易燃气体，发生燃烧。所以石墨不是最 理想的负极材料，寻找性能更为良好的非碳负极材料是锂离子电池研究的重要课 题。尽管当前人们正在广泛研究了各种非碳负极材料，特别是近年来纳米结构的 非碳负极材料（如锡的复合氧化物、钛氧化合物及钛酸盐类化合物等）受到越来 越多的锂电工作者的关注，但是这些材料还有许多问题没有解决，仍然无法大量 应用，还需要主产工艺的不断改进。4电动汽车应用的解决方式LI前解决电动汽车电池续航时间短的方法是加快充电站以及换电站的建设, 只有将这些基础设施建设完善才能弥补目前电池技术的不足。在我国，电动汽车充电站的业务才

21、刚刚起步，运营模式还没形成，各个相关 的利益群体对产业发展的倾向也不尽相同。根据技术与充电方式的不同，电动汽 车充电站的运营模式基本上可以分为“整车充电”与“电池更换”两种模式。4.1整车充电模式整车充电模式是很多国家研究试验的重点，这种模式把电池与车辆作为一个 整体来考虑，其规模化发展的关键是能够研制生产出“容量大、成本低、充电快、 寿命长”的电池产品，在便捷性上满足用户的需求，具体乂包括常规充电和快速 充电两种类型。4.1. 1常规充电1、 每天都充电即使您的电动车锂电池充一次电可以使用2到3天，还是建议您每天都充电。 因为使用后的锂电池处于浅循环状态，每天都充电会使电动车锂电池的寿命延长

22、。2、 及时充电因为锂电池在放电以后，会进入硫化过程，如果及时充电，就可以清除不严 重的硫化。所以，锂电池在使用完了以后要尽早的充电，尽可能使电池电量处于 饱满状态。3、定期深放电电池定期进行一次深放电也有利于活化电池，可以略微提升电池的容量。 一般的方法是，定期对电池进行一次完全放电。完全放电的方法是在平坦路面正常负荷的条件下骑车到第一次欠压保护。电池在第一次欠圧保护以后，电池经过一段时间以后，等电压乂恢复到非欠 压状态，这时对电池进行完全充电，会对电池容量有所提升。需要注意的是，在锂电池第一次欠压保护的时候，切记不要使用电池，这时 候对锂电池的伤害是很大的。4、尽量使用原装的充电器一般，各

23、个制造商的充电器一般都有个性化需求，在没有把握的时候不要随 意更换充电器。另外，不要去掉控制器的限速，去掉控制器的限速后，虽然可以 提高一些车的速度，但会降低电池的使用寿命。这种充电方式通常适用于：设计电动汽车的续驶里程尽可能大，需满足车辆 一天运营需要，仅仅利用晚问停运时间充电。现阶段技术条件下，电池的续驶里 程大约为200km,像私家车、市内环卫车、企业商务车等车辆日均行驶里程都在电 池的续驶里程范用之内，均可采用常规充电的方式;，而且这种充电方式能更好的 延长锂电池的使用寿命。4. 1.2快速充电快速充电乂称应急充电，是以较大电流短时间在电动汽车停车的20min至2h 内（具体的充电时间

24、山电动汽车动力电池的接收能力而定），为其提供短时充电服 务，一般充电电流为150400Ao充电时问短；充电电池寿命长（可充电2000次以 上）；没有记忆性，可以大容量充电及放电，在儿分钟内就可充70%80%的电； 山于充电在短时问内（约为1015min）就能使电池储电量达到80%、90%,与加油 时间相仿，使电动汽车使用起来非常方便。这种充电方式适用情况为：电动汽车 的日平均里程大于电池的续驶里程即200km,即在车辆运行的间隙进行快速补充 电，来满足运营需要；比如公交车、出租车等车辆它们的日平均行驶里程在300km 左右，则还有100km左右的电量需要在峰、平时段通过快速充电的方式进行补充。

25、 当然也可以釆用更换电池的方式来进行能量的补给。4.2更换电池模式更换电池模式也称租赁电池模式，是一种把车辆与电池分开考虑的思路。用 户只购买汽车，由专门的电池租赁公司负责电池的购买、租赁、充电、快速更换 及管理。可以让用户像“汽车加油” 一样方便地得到能源供给。它的运营模式是 通过各个电池更换站集中对标准化的电池充电，电动汽车用户需要补充能源时， 可以非常方便地到任意一个更换站更换充好的电池。电池更换站的运用模式可以 分为以下儿点。4.2. 1电池租赁能源供给企业购买电池后通过向中间运营商（建站企业）支付一定的建站费用11 来进行更换站的建设。电动汽车用户在购买“裸车”后，去电池更换站办理相

26、应 的“租赁手续”及交一定的租金就能使电动汽车投入使用。租赁的手续及租金由 相关部门协商而定，对于租金可以肯定的是，因为换给消费者的是一块充满电的 电池，加上一些其它成本，租赁电池的价格肯定要比消费者自己在家充电贵，但 是绝对远远低于燃油的费用。用户在电池的使用过程中不仅要交租金，每次更换 电池时根据电池电量的消耗情况用户还要向电池更换站交纳相应的所用电费。4.2.2电池的快速更换为了使得更换更加快捷，需要更换电池的车辆进站之前应向站台提出电池更 换请求，以便站台调度安排停车位置、通知电池更换库准备整车更换电池并运至 更换电池区、准备卸载设备。当车辆进站后，根据调度指令将车开到更换电池区 准确

27、位置，准备更换电池。4.2.3电池的维护当电池在使用过程中，个体电池的容量会出现严重不均衡的现象。这样在电 池串联充电时，只要有一只电池的充电电压达到最高限制电压，就要立即停止充 电，而此时电压较低的个体电池还处于欠充状态；反过来在电动汽车行驶过程中, 只要有一只电池的电压下降到最低限制电压，就要断开动力电池停止放电，而此 时电圧较高的个体电池容量不能充分利用I这样长期循环使用下去，电动汽车动 力电池的容量会越来越不均衡，一次充满电的行驶里程会大大降低。为充分利用 锂离子动力电池的储能效率，降低使用成本，充电站建设需要设置电池容量测试 与充放电维护设备，当电动汽车动力电池的容量明显出现下降时，

28、利用该设备可 以对单个电池进行容量测试，并对容量落后的电池进行多次的充放电操作，使其 活性物质充分激活，容量得到恢复。5未来电动汽车充电站的发展方向电动汽车充电站的运营究竞选取哪种模式，应圉绕“快速、健康、高效地推动 电动汽车产业的发展及普及”这一核心LI标，结合技术发展趋势和现实条件进行 综合考量。最主要包括以下三个方面：5.1整车充电中的慢速充电方式可以充分利用低谷电力充电，电费相对降低，但是充电时间过长使车辆的使用十分不便； 快速充电方式下充电时间短易于车辆的使用，但是充电费用较高，且会大大缩短 电池的使用寿命。换电池模式单纯的租赁费和电费支出可能比整车充电模式有一 定幅度增加，但是山于

29、节省购买电池的费用，如果政策和管理到位，理论上车辆 整个生命时期的运营费用会显著低于整车充电模式，且换电池模式的灵活性、方 便性都相对较好。5.2换电池模式属于能源新物流模式换电池模式有利于电池生产企业规模化、标准化生产，有利于能源供给企业 的规模化采购与集约化管理，能够显著降低总运营成本。能源供给企业作为一个 相对独立的中间运营商，有利于政府施加更具针对性的扶持和优惠政策，如电价 政策、购买电池补贴政策等，容易建立起清晰的财务盈利模式，比单纯提供充电 服务可获得更高的经济回报，具有更大的发展空间。5.3整车充电中的快充大量发展将使得电网谐波污染问题突出换电池模式集中充电便于统一调度、管理和监

30、控，能够最大程度发挥削峰填 谷作用，提高电力系统负荷率，最大限度减少谐波污染等对电网的不利影响，有 利于电网的安全稳定运行和电力资源的优化利用血。综上所述，换电池模式具有更突出的优势和更广阔的发展前景。考虑到差异 化需求和特殊情况下电能补给的需要，以更换电池为主、整车充电为辅的运营模 式将成为我国电动汽车充电站未来发展的主流模式。结论在全球汽车交通能源面临重大挑战的21世纪，我国汽车工业唯有坚持节能降 耗和开发新能源并举的双重战略举措：一方面发展节能汽车，以解决现阶段产 业发展、能源安全和节能环保问题；另一方面大力发展新能源汽车，实现车用能 源多元化，才能促进汽车工业的可持续发展，保障我国汽车工业逐步走向世界 前沿。