关键词： Magn(?)li相亚氧化钛   磷酸铁锂   钛酸锂   锂离子电池   柔性电极  

摘要： 磷酸铁锂(LiFePO4),尖晶石型“零应变”钛酸锂(Li4Ti5O12)是常见的锂离子电池正负极材料,具有安全、环境友好、低成本等优点;但都因其低电子离子导电率而限制了实际运用。为改善运用现状,可以引入高导电率材料、制备特殊结构的电极材料等,提升其高倍率下的充放电性能、化学稳定性等。Magneli相亚氧化钛是一系列非化学计量比的钛氧化物(Ti-O)的总称,各相结构与金红石型(Rutile)TiO2结构相似,但Magneli相的结构每隔一定层数(结构单元)会出现一定数量的氧原子缺失。由于其独特的结构,Magneli相亚氧化钛具有比TiO2更优异的化学稳定性、耐腐蚀性、导电性,因此可以发展为一种潜在的新型锂离子电池材料。主要的研究内容如下:(1)由于不同温度下碳热还原法获得不同主相的TiOx的导电率不同,以及保温时间对产物粒径的影响,将主相为Ti4O7的制备参数设定为:以TiO2为Ti源,与3.8 wt%的C混合后,在Ar气氛下加热至1075℃,保温3 h。并将不同比列(3%,5%,7%,9%)的Ti4O7作为导电剂与LiFeP04复合,以金属锂为对电极,组装成纽扣半电池进行电化学性能测试,实验结果表明,TiOx的添加有助于改善LiFePO4的倍率、循环性能,且当TiOx添加量为3%时,可使LiFePO4获得最佳的综合性能,在大倍率(10 C)下,其比容量可达40 mAh g-1左右。(2)基于液相沉积法,提出了 Ti4O7、CNTs对LiFePO4的双重改性方法,形成LiFePO4/Ti4O7/CNTs复合材料制备工艺。研究表明,CNTs、Ti4O7能有效提高LiFePO4的导电性能,且以CNTs构成的导电网络可以有效的抑制颗粒的团聚、长大,分布于导电网络中的导电颗粒Ti4O7有利于锂离子和电子的传输,使其具有较好的电化学性能。(3)通过真空抽滤法在高导电的碳纳米管、氧化还原石墨烯框架中引入LiFePO4-TiOx,Li4Ti5O12-TiOx,制备 LiFePO4-TiOx/CNTs/rGO、Li4Ti5O12-TiOx/CNTs/rGO柔性复合材料,以金属锂为对电极,组装成纽扣半电池进行电化学性能测试,实验结果表明,柔性电极具有较好的倍率、循环性能,Li4Ti5O12-TiOx/CNTs/rGO柔性电极在高倍率(30 C)循环100圈后的比容量保持有66 mAh g-1,库伦效率约为99%。

关键词： 磷酸铁锂电池   风冷散热结构   CFD仿真计算   结构优化  

摘要： 近年来,随着经济的发展和工业化进程的不断加速,能源消耗速度在急剧升高,随之而来的环境污染问题也越来越严重。电动汽车作为解决这一现状的重要手段,受到了社会各界广泛的关注。动力电池作为电动汽车的三大核心模块之一,是发展电动汽车的关键所在。锂离子电池因具有比较高的工作电压,能够实现快速充放电,电池容量密度比较大,自放电率小,使用寿命长等优点,成为了高性能电动车的首选动力来源。但在实际的使用过程中,尤其是在大电流的工况下,锂离子电池会产生大量的热量,可能会造成电池组的温度过高或局部温差过大,影响电池的正常工作,严重时甚至会引起电池燃烧或爆炸事故。因此,采用合理的电池热管理技术对提高电池组的可靠性和安全性具有十分重要的意义。风冷散热系统具有结构简单、质量轻、价格低廉等优点,是目前研究最为广泛的电池热管理技术。本文中采用实验分析和计算流体力学（CFD）仿真分析相结合的方法,对风冷散热系统进行了探究。首先,搭建了磷酸铁锂单体电池充放电平台,对单体电池在放电过程中的各项性能进行了测试,如:电压、容量、内阻、表面温度等。根据电池在放电过程中的电压变化和电池的放电容量,对单体电池进行筛选,选择性能相近的电池来组成电池组;根据电池内阻的测试结果,可以将电池看作是恒定的体热源;通过分析电池在放电过程中表面温度的变化情况,进一步来验证产热模型的可靠性。其次,搭建了磷酸铁锂电池组及风冷散热结构实验平台,测试了电池组在不同的对流条件下、不同放电工况下的温度变化情况。通过对比电池组在自然对流和强制对流条件下的温度变化趋势可知,强制对流能有效地降低电池组的最高温度和局部温差。构建电池组的物理模型,用CFD软件仿真计算电池组在风冷散热结构中温度变化情况,并和实验结果相对比发现,实验和模拟结果具有很好的一致性,验证了所构建模型的可靠性。最后,在上述已验证模型的基础上,通过改变电池间距和进风口风速对风冷散热结构进行优化。发现电池组采用不等间距方式排布时,电池组的温度场和电池通道内的空气流场得到很大的改善;且电池间距从进风口向出风口方向依次递减,最宽的电池间距为4 mm,以0.2 mm为递减区间时的散热结构具有最低的温升和最小的局部温差。采用优化后的结构进行对风速进行分析时发现,风速达到3 m s-1时,电池的最高温度和局部温差已经达到了磷酸铁锂电池组的使用要求。综上所述,优化后的风冷散热结构能够很好的降低电池的最高温度和局部温差,且都达到磷酸铁锂电池组的使用要求。

关键词： 磷酸铁锂电池   电化学模型   电池管理系统   SOC估算   均衡策略  

摘要： 传统燃油汽车广泛使用,使化石能源短缺和环境污染问题加剧。电动汽车取代传统燃油汽车成为趋势,世界各国都在积极发展电动汽车。电池技术的发展是促进电动汽车发展的重要因素之一,作为电动汽车与动力电池组沟通桥梁的电池管理系统,在延长电池寿命、提高电池使用率、保障电池安全可靠运行等方面具有重要作用,开展相关的研究具有重要的经济和实用价值。本文针对电动汽车中广泛应用的磷酸铁锂电池,开展电池管理系统的研究与设计。首先分析了磷酸铁锂电池的电化学原理、表征电池状态的重要参数及充放电特性,确立了电化学模型。在此基础上,利用扩展卡尔曼滤波算法(EKF)和安时积分法(AH)相结合的方法估算电池荷电状态SOC,提高了SOC估算精度;利用Elman神经网络进行电池健康状态SOH估算,提高了SOH估算精度;采用非能量消耗策略进行电池均衡研究,提高电池组电量的使用效率,有助于延长电池寿命。通过Matlab/Simulink对所研究算法和策略进行仿真分析,仿真结果验证了算法策略的可行性与准确性。选用MC9S12XE飞思卡尔芯片作为主控制芯片设计电池管理系统,LTC6803芯片作为从控芯片检测电池管理系统所需要的温度、电池电压等重要特征参数。利用采集到的电池特征参数完成电池SOC和SOH估算及相关故障的判断;同时主控板发出PWM信号控制均衡电路中MOS管的导通与关断以保证相邻两电池工作状态的均衡;最后设计了CAN总线通信电路,一方面完成主控板与从控板之间信息指令的传输,另一方面实现电池管理系统与电动汽车间的信息交流互通。最后,对所设计的电池管理系统进行了测试分析,测试结果表明所设计的电池管理系统完全符合行业对参数采集精度的要求。

关键词： 磷酸铁锂电池   针刺内部短路   外部短路   SOC   短路预警  

摘要： 随着新能源汽车的蓬勃发展,磷酸铁锂电池投入了大量使用,但是因磷酸铁锂电池热失控造成的火灾事故不断发生。其中,短路是触发磷酸铁锂电池热失控的重要原因之一。在磷酸铁锂电池发生短路时,瞬间产生较大短路电流,短时间内使电池聚集大量热量,易使磷酸铁锂电池发生不可逆损坏甚至引起热失控火灾。因此对磷酸铁锂电池短路特性的研究,以及开发能对磷酸铁锂电池短路做出识别判断的预警装置具有重大理论和现实意义。本文研究对象为可应用于新能源汽车上的32650磷酸铁锂电池,参照国标测试要求,分别设计针刺内部短路实验方案和外部短路实验方案,以及搭建了磷酸铁锂电池针刺内部短路和外部短路的实验平台。在此基础上开展了大量磷酸铁锂电池针刺内部短路及外部短路的实验研究,获得了磷酸铁锂电池在发生短路时的电池电压、短路电流、表面温度及视频数据。通过对大量磷酸铁锂电池内部短路及外部短路的实验结果和数据分析,研究发现:当磷酸铁锂电池发生针刺内部短路时,针刺触发的电池内部短路热失控剧烈情况具有随机性;电池电压在针刺后下降至0 V,若针刺过程中电池喷出浓烟甚至电池发生爆炸则电压下降更迅速;电池表面温度在电池被刺破后迅速上升,其温升趋势随破坏程度增加而加快。当磷酸铁锂电池发生外部短路时,磷酸铁锂电池的电气特征被划分为三个阶段,电池电压稳定且持续高短路电流阶段、电压电流迅速下降阶段、电池损坏阶段;电池的温度最大值与初始温度和初始SOC(State of Charge)均呈线性增加的关系;电池表面温度上升率随着初始温度和初始SOC的增大而减小。以电池电压、短路电流和电池表面温度作为探测参量,开发了一套具备参量探测、短路安全状态显示等功能的磷酸铁锂电池短路安全状态探测预警装置。根据磷酸铁锂电池短路实验结果和进一步的数据分析,设计磷酸铁锂电池短路预警算法。将磷酸铁锂电池短路预警算法植入探测预警装置之后,进行探测预警装置功能验证实验,实验结果表明本套装置可以实现对磷酸铁锂电池各类短路工况的可靠探测和预警。

关键词： 光缆接续   前传网络   铅酸电池   组网结构   磷酸铁锂电池   传输设备   总线型   中继段   降本增效  

摘要： 5G时代即将来临,2.6GHz/3.5/4.9GHz的频段将需要密集的组网需求,各大运营商在大力建设5G网络的同时,也需要基于降本增效的原则。本文重点研究如何在降本增效的原则下进行传输基础资源的部署,分别是机房,机房配套和光缆组网三个方面。首先研究面向5G的解决方案,并与传统方案进行成本对比分析,在保证满足5G需求前提下制定经济性最优的方案,最终给出传输基础资

关键词： 废旧磷酸铁锂   回收再生   喷雾干燥法   固相法   钒掺杂  

摘要： 由于磷酸铁锂材料具有安全无毒、成本低等优势,磷酸铁锂电池的产销量随着动力汽车和储能领域的快速发展而逐年增加,大量磷酸铁锂电池的报废也将随之而来。废旧磷酸铁锂电池不及时处理会污染环境,同时会浪费大量的金属资源。为了保护环境和实现资源综合利用,需要对废旧磷酸铁锂电池进行回收处理。本论文主要针对废旧磷酸铁锂已有回收方法存在的回收流程长、操作复杂、再生磷酸铁锂性能较差等问题,进行了改进,主要研究与讨论如下:（1）针对酸浸-沉淀-固相法回收流程中分步沉淀控制条件多、操作复杂等不足,本文提出了喷雾干燥替代沉淀流程的方法。首先对正极片进行预处理,得到废旧磷酸铁锂氧化料;然后经过浸出、喷雾干燥制备前驱体粉料;最后结合高温固相法制备了多孔球形LiFePO4/C。本文通过TG/DSC、XRD、SEM、TEM、电化学测试等手段,重点研究了二段煅烧温度对LiFePO4结构、形貌及电化学性能的影响规律。在650℃下制备的LiFePO4/C材料电化学性能最优:在0.1 C倍率下,首次放电比容量为149.4 mAh/g。在1 C倍率下经过600次循环,容量保持率为90.3%。此外,该材料在5 C、10 C倍率下,放电比容量分别为129.7、107.7 mAh/g,倍率性能优良。（2）为了进一步简化回收流程,本文提出了机械液相活化辅助固相法掺钒再生磷酸铁锂的工艺,制备了高性能（1-x）LiFePO4·xLi3V2（PO4）3/C(（1-x）LFP·xLVP/C)材料。采用TG/DSC、XRD、SEM、TEM、电化学检测等分析方法,重点研究了不同掺钒量对材料结构、形貌与电化学性能的影响规律。（1-x）LFP·xLVP/C（x=0.01）的性能最佳:在0.1 C倍率下首次循环放电比容量可达154.3 mAh/g;在1 C倍率下,经过100次充放电循环后容量保持率仍为100%。在5 C倍率下放电比容量为121.8 mAh/g,在10 C倍率下放电比容量为104.8 mAh/g。本研究有效简化了废旧磷酸铁锂的回收工艺流程,制备了具有优良电化学性能的LiFePO4/C材料,为废旧磷酸铁锂电池的回收利用提供了新思路。

关键词： 磷酸铁锂   电沉积   碳酸丙烯酯   微观形貌   电化学性能  

摘要： 本文提出以碳酸丙烯酯为电解质溶剂,表面含有孔洞结构的铝箔作为阴极,通过电化学沉积的方式制备磷酸铁锂铝基正极片复合材料。研究了反应过程中直流电的反应电压、反应时间、电解质浓度及阴极铝箔的表面结构状态对所制备样品的微观形貌及电化学性能的影响。在此基础上,为提高复合材料的电化学性能,对所制备的材料进行纳米化、碳包覆、金属离子掺杂等方式的改性探究。所得样品通过SEM、EDS、XPS、FTIR、XRD以及电化学测试系统来对其进行元素分析、晶型结构分析、微观形貌分析、电化学性能测试。根据表征分析结果,并结合实验过程中观察到的现象进行电化学沉积复合材料反应机理研究。实验结果表明:在该反应体系条件下,电沉积最佳反应条件:直流电压为1.8 V,电解质中磷酸浓度为1 mol/L,硝酸锂浓度为1 mol/L,电沉积时间为120min,阴级铝箔表面孔洞形貌对电沉积物性能产生重要影响。通过XPS对铁元素的价态分析,反应过程中完成了三价铁向二价铁的阴极还原转化;通过扫描电子显微镜观察分析,沉积在极片上的颗粒粒径大小为100-200 nm;通过电化学测试系统测试交流阻抗高频区为600Ω,0.1 C倍率下首次放电比容量为60 mAh/g。通过在电解质中添加阳离子表面活性剂十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)和碱性黄(BY)来对磷酸铁锂沉积颗粒粒径纳米化进行改性研究,实验结果表明,电沉积物制备的样品颗粒粒径在100-200 nm之间,通过SEM的微观形貌分析发现,添加碱性黄(BY)后制备的样品进入铝箔隧道孔中,形成柱状中空结构形貌,交流阻抗分析结果表明,高频区阻抗由改性前的600Ω降为改性后的360Ω,降低了锂离子在电极材料与电解质之间的界面阻抗。同时对所改性的两种磷酸铁锂铝基正极材料在0.1 C倍率下的首次充放电容量性能比较:添加碱性黄后制备的磷酸铁锂复合材料(LFP-BY),首次充放电容量为80 mAh/g,添加十六烷基三甲基溴化铵后制备的磷酸铁锂复合材料(LFP-CTAB)首次充放电容量为60mAh/g;通过在电解液中分别加入硝酸镁、硝酸钴等进行金属离子掺杂改性,实验结果表明:改性后制备的复合材料微观形貌变化小,在电化学性能方面,添加镁离子后,界面阻抗由原来的600Ω降为250Ω,掺杂钴离子后,界面阻抗可降为100Ω,首次放电性能有了大幅度提高,掺杂后,0.1 C倍率下首次充放电由原来的60 mAh/g提升至130 mAh/g;在碳包覆改性方面,由于反应体系中有机物碳酸丙烯酯的存在,可作为碳源,所以本课题仅探讨了通过添加葡萄糖来探究碳包覆的改性对样品的微观形貌以及电化学性能的影响,实验结果表明:微观形貌方面,随着葡萄糖添加量增大,电沉积物表面形貌越光滑,在该研究体系下,葡萄糖的最佳添加量为0.03 mol/L。但碳包覆对复合材料电化学性能方面没有重要影响。

关键词： 锂离子电池   电池技术   产业规模   中国   技术发展趋势   材料体系   全固态电池   磷酸铁锂  

摘要： 过去20年,中国锂离子电池技术及产业均取得巨大进步,锂离子电池材料体系从钴酸锂发展到磷酸铁锂、三元材料,再到高镍和富锰体系,负极从石墨到多元碳材料、再发展到含锂合金以至锂金属。同时,制造技术从作坊式生产发展到自动化和今日的智能化,产业规模不断扩大,中国已经成为全球最大的锂离子电池生产地和消费地。展望未来,技术发展趋势是高比能量、高比功率、高安全、长寿命、低成本,全固态电池、新原理轻金属电池、定制产品将取得技术突破。产业将是智能无人化、规模联盟化、细分专业化。

关键词： 废旧电池   磷酸铁锂   元素补充   回收   再生   电化学  

摘要： 热处理废旧电池正极片除去黏结剂后得到回收材料,在对回收材料元素定量分析的基础上,通过添加不同比例的Li、Fe、P源进行高温固相再生反应获得再生材料,研究杂质对再生材料的影响并优化再生反应原料比例。实验结果表明,再生反应过程中生成了Fe_2P杂质,该杂质衍射特征峰随着添加的Li、Fe、P源比例增加逐渐减弱;过多Li、Fe、P源添加时,导致再生材料结构致密性严重,Fe_2P杂质存在及材料结构过于致密,均降低了再生材料的容量性能。回收材料、化学计量比再生材料、过量元素源(1:1)再生材料首次放电容量分别为103.4、115.8和134.0 mA·h·g^(-1),再生反应后分别提高了11.99%、29.59%。上述三种材料50次循环后放电容量分别为100.9、108.0和115.3 mA·h·g^(-1)。

关键词： 碳热还原温度   磷酸铁锂   性能  

摘要： 针对高温固相反应制备LiFePO_4/C的研究中反应温度对产物的影响问题,在500～800℃的温度范围内,研究了液相混料工艺制备LiFePO_4/C时反应温度的影响。对碳热还原制备的磷酸铁锂电池样品进行了差示扫描量热与热重分析,并对不同固相反应温度下的样品进行了电化学性能测试,结果表明:在650℃所合成的样品材料性能最佳,比容量为153.4 m Ah/g。