電動汽車用鋰離子電池的溫度敏感性分析研究

鐘文京（南昌市工業技術研究院，江西南昌，330000 )

電動汽車用鋰離子電池的溫度敏感性分析研究

鐘文京
（南昌市工業技術研究院，江西南昌，330000 )

本文主要探討電動汽車用鋰離子電池的溫度敏感性，通過正負極材料的微觀改性、優化設計電極結構和電池結構、低溫下電池交流預熱與充電、聯合應用液冷方案等技術的革新，我們發現高溫和低溫環境下，鋰離子電池的性能和壽命都有不同程度的損耗和衰減。如果想完全的解決這個問題，需要在電池原材料改性、優化電池設計、電池系統熱管理等多方面努力。

電動汽車；鋰離子電池；電池系統；溫度敏感性；電池熱管理系統；充電制度

1 電動汽車溫度敏感性問題

本文對目前市面上的主要電動轎車進行研究，包括：日產Leaf，美國通用Volt和特斯拉的Model S三種車型。發現以下的情況：在城市路況，溫度為0℃的前提下，而且電池自身開啟熱管理系統的時候，特斯拉Model S車型的續航性能降低2.2%左右。零下25℃的條件下，沒有開啟電池熱管理系統的時候，日本Leaf車型的續航性能下降30%左右，因此Leaf車型會在后續的研發生產中加入加熱保護系統。在零下4℃的條件下，美國通用Volt車型會自動開啟加熱保護功能。

從上面的描述我們可以了解到，電動汽車設計研發公司會把電池的承受溫度調節在0℃左右，0℃以下電動汽車會自動開啟加熱保護，25℃以上會自動開啟制冷保護，這樣可以有效保護電池性能，延長電池使用壽命。

目前的電動汽車上都安裝有電池熱管理系統(battery thermalmanagement system, BTMS)，這樣可以有效維持鋰離子電池環境的溫度，彌補鋰離子電池在惡劣環境中的不足，經過統計分析我們了解到：1)電動汽車的動力提供主要有以下兩種：鋰離子電池和鎳氫電池但目前使用廣泛的是鋰離子電池。因為鎳氫電池存儲的能量較少，我發滿足動力汽車的續航要求，只有豐田Prius車型使用鎳氫電池提供動力需求。

目前在中國出售的純電動汽車，電池儲能E主要在21-30 kW h左右，最大儲能達到50 kWh以上；持續續航大多在150-200 km左右，250 km的續航汽車很少出現，我國的純電動汽車續航補貼最高達到250 km以上。3)混合動力汽車的電池儲能E大多在8-17 kW h左右，持續續航能力分為兩個梯度：第一梯度是35 km左右，第二梯度是60 km左右。4)鋰離子電池正極材料采用錳酸鋰和三元混合物，負極大多使用石墨，少量使用磷酸鐵鋰。

以上的研究我們發現，純電動轎車的鋰離子電池離不開熱管理系統，熱管理系統能夠在高溫、低溫的環境中自動的調節，保證鋰離子電池的續航效率。不同的溫度下，鋰離子電池有著不同的充放電功率、電流和電壓。磷酸鐵鋰電池的電壓在2.0-3.6 V左右(三元電池的電壓在2.7-4.2 V 左右)，工作時的放電溫度在零下20℃到零上55℃之間，充電溫度在0-45℃中間。若磷酸鐵鋰電池在這兩個溫度區間以外工作，電池使用壽命將急劇縮短，嚴重的還能產生安全問題；因此對鋰離子電池的溫度控制是我們關注的主要課題。

2 電池材料和結構的“負作用”

目前電動汽車鋰離子電池的正負極材料有很多的選擇，主要有以下幾種：錳酸鋰（LMO）、三元（鎳鈷錳-NCM；鎳鈷鋁-NCA）和磷酸鐵鋰（LFP），負極主要是石墨。

表1各種正極材料的鋰離子擴散系數和電子導電率值

從上表我們可以看出，磷酸鐵鋰是一維結構，它的離子導電性最低。因此我們知道，錳酸鋰電池在低溫環境下優于磷酸鐵鋰電池。

但是LMO (LiMn2O4)在經過Mn3.5+的歧化反應之后，結構會發生相應變化；同時Mn2+離子也會溶解，從而導致錳酸鋰電池耐高溫性能差。NCM/NCA材料以高的電池容量和高平臺電壓被廣泛用于動力電池領域。經過研究發現，NCM/NCA和LMO混合之后，Mn2+離子就不在發生溶解；這樣延長LMO的高溫使用年限，大大增加電池能量存儲，也彌補LMO和NCM/NCA各自存在的缺陷。

鋰離子電池的負極大多使用人造石墨，但石墨的層間距太小(0.35nm )，而且低溫環境下鋰離子容易析出，因此電池的能量儲存變小、低溫性能沒有更大的發揮。如今我們使用的是軟碳、硬碳和欽酸鋰( LTO)負極材料，他們比石墨的層間距大。硬碳負極的層間距為(0.37 nm),鋰離子的嵌人、脫出不受限制，因此它的性能大大提升，它的微觀結構也和石墨結構不同。欽酸鋰( LTO)負極選用尖晶石結構，鋰離子也可以自由的嵌人、脫出，電池壽命大大增強，低溫下的表現和安全性也增強。

除材質以外，結構的差異也會使電池熱場分布、散熱和安全性產生差異。Leaf車型的軟包裝疊片式電池的散熱性能好，環境溫度也穩定；Panasonic車型的卷繞式鋼殼小電芯制造工藝優良、生產效率高成本低，表面橫截面積大，散熱性能好，環境溫度也穩定，成為目前最經濟又高效優良的鋰離子電池結構。

3 主要對策

科研人員進行微觀、宏觀方面的研究、改進和應用，終于解決鋰離子電池溫度對電動汽車的制約。微觀層面有以下幾點：原材料、電解液配方優化、電極成分改進和電池結構設計；宏觀層面有以下幾點：電池電壓工作范圍調整，電池模塊通風優化和系統熱流程優化。

3.1 電池材料及電極

電池材料及電極的改進主要關注正極材料，因為正極材料存在電子導電性差的問題，負極材料的石墨電子導電率良好。上面我們已經提到磷酸鐵鋰，磷酸鐵鋰達到納米化(粒徑35nm)就能儲存更多的電量和提高低溫性能；另一種方法是碳包覆，碳包覆能夠有效提升起低溫性能，同時也能增大低溫條件下的鋰離子電池的電量存儲率。A 123和ATL等電池廠商使用的工藝為在鋁箔材質上涂抹導電炭黑，從而增強磷酸鐵銼電子導電性，這種工藝具有超前意識。正負極材料使用LiNi0.8Co0.2O2/MCMB體系，正極的錳酸鋰和三元材料主要關注電解液的改進優化，它制造出一種航空專用電池，可以在零下40℃的環境下運用。但在具體的使用過程中，溫度過低的電解液會折損鋰離子電池使用年限。

正極的改進目前已經達到一種極致，但電池的低溫問題仍舊沒有得到很好的解決，因此我們也展開對負極石墨材料的開發研究。通過研究發現，使用SBR+CMC和PVDF粘結劑能夠解決低溫放電和低溫循環性能方面的問題，特別是在低溫循環性能上有大幅度的明顯增加；另外日立(Hitachi)公司的硬碳研究成果突出，2010年出現第三代HEV鋰離子動力電池，此電池使用硬碳作為負極。日本東芝(Toshiba)則進行LTO的研發，在提高電子電導率、電解液的匹配性研究等方面有巨大的進展，并且研發出20 Ah電動車用電池。

3.2 電池的熱管理系統

電池熱管理系統(BTMS: Battery Thermal Manage-ment System)的功能如下：（1）進行電池溫度的檢測和監督（2）在溫度升高時候進行散熱和通風（3）溫度過低的情況進行加熱，使其保持穩定工作（4）及時排除電池工作的有害氣體（5）電池所在空間的溫度要均勻。因此電池包結構要合理、熱管理策略要恰當、熱管理方式要經濟，最重要的是保持單體電池溫度的一致性。如果單體電池的溫度不一致，會產生電池充放電的異常，而且單體電池性能的降低會使整個電池系統的性能降低。

4 結語

電動汽車使用人數的增多和范圍的增大，使鋰離子電池的研究成為汽車行業最重要的課題之一，特別是低溫鋰離子電池的研究。日產和LEAF等國際廠商在溫度敏感的鋰離子電池的研究性上有著很多突破進展，主要是以下的兩個方面：電池生產企業的合理化設計，要從原材料的選擇，電極配方和電池結構等方面的優化和生產線的成熟等的科研，使電池達到符合規定的溫度特性和整體環境的一致性；電動汽車企業也要對電池進行一定程度的優化，對電池熱管理系統進行改良，使電池的內部和外部都能發揮最大的性能，從而保證電動汽車行業持續發展。

[1]康飛宇,馬俊,李寶華.碳質材料對磷酸鐵鋰正極材料物理和電化學性能的影響(英文)[J]. 新型炭材料. 2011(03)

鐘文京，女，在職研究生， 高級工程師，主要研究方向：科技信息、新能源汽車技術、電子信息工程等研究。

Analysis of temperature sensitivity of lithium ion battery for electric vehicle

Zhong Wenjing
（Nanchang Industrial Technology Research Institute,Jiangxi Nanchang,330000)

This paper mainly discusses the electric vehicle with temperature sensitivity of lithium ion battery, through the positive and negative pole material of micro modification, electrode structure design and structure of the battery, low battery AC preheating and charging, joint application of liquid cooling scheme optimization and technology innovation, we found that the high and low temperature environment, the performance and service life of the lithium ion batteries have different degrees of loss and attenuation. If you want to completely solve this problem, you need to change the battery raw material, optimize the battery design, battery system heat management and other efforts.

electric vehicle; Li ion battery; battery system; temperature sensitivity; battery thermal management system; charging system