低速電動汽車鋰離子電池組結構的設計

雷永強 陳 璐 黃 理

襄陽汽車職業技術學院 湖北襄陽 441021

1 設計背景

隨著我國能源與環境雙重壓力的持續增大,電動汽車的需求量日益增長,節能、減排的電動汽車成為國家中長期發展規劃中重點支持和發展的產業[1]。鋰離子電池作為電動汽車的關鍵組件,是國家加快培育和發展的新興產業[2]。目前市場中使用的鋰離子電池,需要將電芯之間互相隔離,堆疊成模組,然后裝入箱體。電芯裝入箱體后,只有依靠箱體箱壁來限制電芯的熱膨脹。如果箱體的結構對限制電芯膨脹的力度小,電芯的膨脹產生內阻變大,那么將使電芯壽命縮短。 為了提高車用鋰離子電池組的可靠性,延長鋰離子電池組的使用壽命,增加續航里程,筆者設計了一種適用于低速電動汽車的鋰離子電池組結構[3]。

2 鋰離子電池充放電過程

鋰離子電池的充電電路如圖1所示。鋰離子電池分別采用兩個能可逆嵌入、脫嵌鋰離子的化合物作為正負極,構成二次電池,這表明鋰離子電池中的鋰永遠是以鋰離子的形態出現,而不會以金屬鋰的形態出現。當對鋰離子電池進行充電時,電池的正極上會有鋰離子生成,生成的鋰離子經過電解液運動到負極。作為負極的碳元素呈層狀結構,含有很多微孔。到達負極的鋰離子嵌入碳層的微孔中,嵌入的鋰離子越多,充電容量越大。同樣,當對鋰離子電池進行放電時,嵌在負極碳層中的鋰離子脫出,又運動回正極。回正極的鋰離子越多,放電電流越大,放電容量也越大。

圖1 鋰離子電池充電電路

鋰離子電池的放電電路如圖2所示。圖2中,I2為放電電流,U2為負載電壓。

圖2 鋰離子電池放電電路

鋰離子電池以碳素材料為負極,以含鋰的化合物為正極,沒有金屬鋰存在,只有鋰離子的運動,鋰離子電池的充電放電過程,就是鋰離子的嵌入和脫嵌過程。在鋰離子嵌入和脫嵌過程中,同時伴隨與鋰離子等當量電子的嵌入和脫嵌。在充放電過程中,鋰離子在正、負極之間往返嵌入和脫嵌,由此鋰離子電池被形象地稱為搖椅電池。

一般鋰離子電池充電倍率設定在0.2C～1C之間,充電電流越大,充電越快,同時鋰離子電池發熱量也越大。而且過大的電流充電會使容量不夠滿,因為鋰離子電池內部的電化學反應需要時間[4]。

鋰離子電池一般由五部分組成。

(1) 正極。正極的活性材料一般為錳酸鋰、鈷酸鋰、鎳鈷錳酸鋰,電動自行車普遍使用鎳鈷錳酸鋰或鎳鈷錳酸鋰+少量錳酸鋰,純的錳酸鋰和磷酸鐵鋰由于體積大、性能不好或成本高而逐漸淡出市場。導電極材料使用厚度為10～20 μm的電解鋁箔。

(2) 隔膜。隔膜是一種經過特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔結構,可以使鋰離子自由通過,而電子不能通過。

(3) 負極。負極的活性材料為石墨,或近似石墨結構的碳,導電集材料使用厚度為7～15 μm的電解銅箔。

(4) 有機電解液。有機電解液溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑,聚合物使用凝膠狀電解液。

(5) 外殼。外殼分為鋼殼、鋁殼、鍍鎳鐵殼、鋁塑膜等,蓋帽作為鋰離子電池的正負極引出端。

3 具體結構

鋰離子電池組箱體內腔為網格式內腔,包括16個網格,各鋰離子方形鋁殼疊片電芯依次放置于網格式內腔的網格內。網格式內腔由箱體內縱橫交錯的橫隔板、縱隔板組成。鋰離子電池組箱體結構如圖3所示,箱體與電芯裝配如圖4所示。方形鋁殼上端為蓋帽,負極柱、正極柱、透氣閥均裝于蓋帽上。疊片電芯置于方形鋁殼內,疊片電芯由正負極片經隔膜依次交替堆疊形成,各正極片的留白區組成正極耳,各負極片的留白區組成負極耳。方形鋁殼上端有正負極柱,疊片電芯兩側的正負極耳分別經匯流排與疊片電芯上端的正負極柱連接。匯流排為由鎳帶制成的L形彎折板,L形彎折板的橫板部與正負極柱連接,L形彎折板的立板部與正負極耳連接。電芯結構如圖5所示。

圖3 鋰離子電池組箱體結構

圖4 箱體與電芯裝配

圖5 電芯結構

橫隔板數量為n-1,縱隔板數量為m-1。n-1個依次排列橫向設置的橫隔板將箱體內腔分隔成n個模向單元腔,m-1個依次排列縱向設置的縱隔板將n個模向單元腔分成n×m個網格。箱體內部網格采用阻燃丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物材料。箱體上方開口處有上蓋,上蓋上有提手。正極耳為鋁極耳,負極耳為銅極耳。匯流排的立板部與正負極耳之間采用激光焊連接。留白區的寬度為1～3 mm。方形鋁殼上還有一個用于排氣的透氣閥。方形鋁殼上端為蓋帽,負極柱、正極柱、透氣閥均安裝于蓋帽上。

正極片結構如圖6所示,包括涂布區和位于涂布區側邊的留白區,涂布區均勻涂覆活性物質。

圖6 正極片結構

疊片電芯結構如圖7所示,由隔膜1、正極片、隔膜2、負極片依次交替堆疊形成。

圖7 疊片電芯結構

箱體上方開口處有上蓋,上蓋上有提手。上蓋結構如圖8所示。

圖8 上蓋結構

4 結束語

筆者設計的低速電動汽車鋰離子電池組結構采用網格式箱體,既提高箱體的機械強度,又提高對電芯膨脹的限制力度,從而延長鋰離子電池的使用壽命。電芯直接裝入箱體,不需要先做成電池模組后再裝箱,減少了安裝工序,提高了生產效率。電芯采用全極耳工藝,提高了電芯的功率和散熱性,在同樣的空間內,即可以增大電芯內部空間活性物質的裝載量,又能夠增大鋰離子電池的容量[5]。