关键词： 电极水分   磷酸铁锂   软包电池   循环性能  

摘要： 磷酸铁锂电池因其循环寿命长和安全性能好已应用于电动汽车动力电池,实现了商品化生产,但仍存在单体电池一致性低,电池组循环不稳定的问题。提高单体电池一致性有两种途径,一是对运行中的电池组进行均衡管理及时调整单体电池的荷电状态,二是改进和优化电池制备工艺,制备电阻、电压和容量接近的单体电池。为提高磷酸铁锂单体电池的一致性,本文对电极干燥过程、电极水分含量控制方法及标准、电极水分对电池性能的影响进行了相关研究。将合成的纳米磷酸铁锂材料和普通磷酸铁锂材料分别制备为油系和水系电池极片,经70℃、100℃、120℃真空干燥后,采用卡尔费休水分仪测试其水分含量。结果表明:电池极片水分含量均随着干燥温度的升高而降低,将电池极片搁置于电池装配间会因吸收环境中的水分呈现波动,100℃是比较理想的真空干燥温度。水系电池极片比油系电池极片水分含量高且易吸收环境的中的水分,随搁置时间的波动程度更大。纳米磷酸铁锂材料的应用虽然能提高电池的倍率性能,但因更大的比表面积使电池极片更易吸收水分,受环境影响较大,需更严格的水分控制工艺。本文通过调节搁置时间和卡尔费休库仑法水分测试仪标定制得不同水分含量(300-700ppm)的磷酸铁锂正极片,并将其制备成软包锂离子全电池进行电化学性能测试。结果表明:电极水分对电池循环性能及倍率性能有直接影响,电极水分含量超过600ppm的电池容量衰减严重且循环不稳定,高倍率下的放电容量衰减更为严重,循环200圈后电池的内阻和电化学反应阻抗也随着水分含量的升高而增加。对循环200圈后的电池极片和正极粉体进行XRD、SEM、粒径分布、剥离强度等性能测试,发现水分含量超过600ppm的电池极片循环后表面发生颗粒破裂现象,粒径增大,但主要衍射峰的位置基本相同,晶型并未发生改变。

关键词： 锂电池   充放电特性   分段SOC   筛选配组   直流内阻  

摘要： 由于环境污染的加剧及全球性的能源危机,以锂电池为动力源的新能源电动汽车将会越来越普及。电动汽车对动力源的功率和能量都有较高的要求,单体电池需经过相应的组合后才能提供较大的功率和能量。而进行组合的多个单体电池在性能参数方面会存在着一些差别,这种差别在其循环使用过程中将逐渐增大,最终将会导致电池组的失效。因此,将性能一致的电池筛选出来,得到一致性好的电池组是十分必要的。目前,单参数配组法、多参数配组法、充放电特性曲线配组法在实际应用中较多。单参数配组法由于筛选依据单一,考虑方面不全,难以在实际中广泛应用;多参数配组法所提取的特征项比单参数配组法增多,其配组优势很明显,但因为没有考虑电池工作过程中参数的变化,不能将电池间的本质区别呈现出来;多个参数配组和充放电曲线配组两种配组方法的结合使用也可反映电池的动态特性,但此方法过程较复杂,不适用于实际生产。因此,本论文在现有电池配组方法的基础上,提出了一种分段筛选配组法。本论文考察了由华锂能源生产的磷酸铁锂电池HL-LFP-100Ah和HL-LFP-50Ah的充放电特性,研究了其SOC（荷电状态,State of Char ge）和电压、直流内阻的关系,最终得出了一套筛选配组方法:分段筛选配组法,该方法是将电池按照其SOC区间分段,一共分为三段:0%20%SOC区间、20%80%SOC区间、80%100%SOC区间;基于锂电池在每一个SOC段都有不同的直流内阻、电压等特性,对每一段分别进行考察。本论文研究了三段SOC中的5个参数:1、放电至20%SOC时的直流内阻,测试直流内阻使用的电流为3C。2、放电至结束,放电末端的电压极差。放电结束前的电流为1C3、充电或放电到50%SOC时刻的直流内阻。4、充电至80%SOC时刻的直流内阻,直流内阻测试电流3C。5、充电至结束,充电末端的电压极差,充电方式为恒流充电,电流1C。由上面5个参数筛选配组的电池组,有很好的一致性,电池组中的每一个电池的性能都可以得到良好的发挥,电池组的整体性能和循环寿命都有不同程度的提高。

关键词： 磷酸铁锂电池   通信行业   应用  

摘要： 磷酸铁锂电池的应用技术已经成熟,相关的规范和标准已经制定,未来将要替代铅酸电池的使用,大大降低通信设备的建设资金和维护成本.普及磷酸铁锂电池的应用技术,有利于产品应用于实践的最大化,推动通信行业节能减排的发展,因此进一步加强对其的研究非常有必要.基于此本文分析了磷酸铁锂电池在通信行业的应用.

关键词： 磷酸铁锂   碳包覆   MDI三聚体   电化学性能  

摘要： 锂离子电池正极材料中的磷酸铁锂（LiFePO4）以其良好的热稳定性和环境友好性等优点而备受关注。但由自身的结构限制,LiFePO4的本征电子电导率和锂离子迁移率都很低,导致其导电性差、大电流充放电容量衰减快等问题,阻碍其商业化发展。其中采用碳包覆改性方法提高其电化学性能的手段已经成为研究热点。基于高残炭量和异氰酸酯基团与金属离子的反应活性,设计选用4,4’-二苯基甲烷二异氰酸酯（MDI）三聚体为碳源,以碳酸锂、磷酸氢二铵以及草酸亚铁为原料通过高温固相法制备出纯相的碳包覆LiFePO4/C材料。利用XRD和SEM等分析手段对其结构和形貌进行表征,通过循环伏安法和交流阻抗法对磷酸铁锂正极材料的电化学性能进行了分析。主要工作分述如下:1、MDI三聚体的合成及性能研究:以溶剂法制备MDI三聚体,并通过热稳定性研究得知三聚体主要的两次失重大概在350℃和400℃,而且残炭量高达50%。同时对磷酸铁锂的合成原料进行热稳定性研究,以此确定了高温固相法制备碳包覆磷酸铁锂的升温程序。2、碳包覆LiFePO4的合成与性能研究:采用高温固相法制备了MDI三聚体为碳源的碳包覆磷酸铁锂正极材料。XRD以及红外谱图表明磷酸铁锂为标准橄榄石型结构。并通过正交设计研究了MDI三聚体掺杂量、碳化温度以及保温时间对磷酸铁锂的晶体结构、微观形貌以及电化学性能进行了研究。同时,通过不同碳源包覆和不同包覆量的磷酸铁锂正极材料进行对比研究。3、碳包覆LiFePO4的电化学性能研究:分析结果表明,制备碳包覆LiFePO4的最佳条件为三聚体掺杂量9%、750℃下保温8h。SEM和粒径分布分析等表明MDI三聚体加入量太低不能有效包覆磷酸铁锂颗粒,以致不能起到阻隔颗粒过度增长的效果;MDI三聚体加入量太多,过多的异氰酸基团与金属离子的络合性导致颗粒团聚严重致使电化学性能方面锂离子迁移率急剧下降。其中锂离子迁移率可高达3.87×10-11cm2*s-1。通过不同碳源的对比研究表明,MDI三聚体在较少的掺杂量下亦能够紧密地包覆磷酸铁锂颗粒。当加入量稍高导致的锂离子迁移率骤降,说明MDI三聚体与磷酸铁锂的结合力非常强,在电池充放电过程中防止颗粒破碎方面将能起到一定的作用。总而言之,MDI三聚体能够原位裂解逆向阻隔包覆LiFePO4晶粒的过分生长,进而提高碳包覆磷酸铁锂正极材料的电化学性能。

关键词： 锂离子电池   磷酸铁锂   水热法   固相法   静电纺丝技术  

摘要： 在众多的锂离子电池正极材料中,橄榄石结构的LiFePO4因为其安全、环境友好、循环寿命长等优点从而迅速成为其中的热门研究领域,并且有望能够在动力型锂离子电池中得到发展和应用。但是,另一方面,由于其电导率低、振实密度小等固有缺陷严重制约了其应用。基于此,我们进行了以下研究:（1）水热法制备LiFePO4/C材料及其性能研究通过水热法,依次探讨了不同的pH值、不同水热反应时间以及不同的反应温度对所制备的材料性能的影响。测试结果显示:当pH=6和pH=8时,材料中部分Fe2+被氧化成Fe3+,当pH大于8时,材料晶型较好,结晶度高;当pH值较低的情况下,材料团聚现象较为严重,当pH=10时,材料的粒径分布最窄,颗粒大小最为均匀。当反应时间为12 h,反应温度为200℃时,材料的衍射强度最强,半峰宽窄,峰型尖锐,结晶度最高且颗粒在成核生长过程中可以获得足够的时间以及足够多的能量以满足不同晶面方向的自由生长,从而使得材料晶型变得完整,形貌更为规则。电化学测试结果显示最优条件下制备的样品充放电比容量最高,曲线平台最为平整,电化学性能最优,其在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C和5C下可逆比容量分别达到145.2、138.2、132.6、123.2、113.0和101.9 mAh g-1。（2）固相法制备LiFePO4/C材料及其性能研究通过工艺简单的球磨固相法,探究球磨时间对LiFePO4/C的结构和性能的影响,分别球磨4h、6h和8h后在Ar保护气氛下350℃下预烧5 h,700℃下煅烧10h制备得到LFP-1、LFP-2和LFP-3样品材料。其中,加入蔗糖来作为碳源,碳的包覆进一步提高了材料的导电性。XRD测试结果表明所制备的LiFePO4/C材料为所需的纯相的橄榄石结构的磷酸铁锂。SEM测试结果显示LFP-2粒径分布最为均匀,形貌规整,粒径大小为200-400 nm。电化学测试结果显示,在0.1C下,LFP-1、LFP-2和LFP-3首次充放电比容量分别为138.7和129.9 mAh g-1、147.2和144.1 mAh g-1、144.7和138.7 mAh g-1,库伦效率分别为93.7%、97.9%和95.9%。100次循环后,容量保持率分别为95.4%、96.9%和94.5%。且倍率性能测试结果表明LFP-2在0.1C、0.2C、0.5C、1C、2C和5C下比容量分别为144.1、138.7、126.4、118.6、102.5和82.3 mAh g-1,表现出优异的倍率特性。循环伏安测试显示其氧化峰面积与还原峰面积之比接近1,进一步证明了材料的良好的可逆性。因此,球磨时间为6 h时最佳,制备的材料具有最佳性能。（3）静电纺丝法制备LiFePO4/C纳米纤维材料及其性能研究使用静电纺丝法制备的材料规整度好,直径分布均匀,直径范围为150-250nm,300℃空气中预烧后,纤维变得光滑,且形貌保持良好并没有出现断裂的现象,700℃下N2气氛下煅烧后材料依然保持具有高长径比的纤维结构,纤维直径较前驱体材料略有收缩,直径范围约150-200 nm。XRD结果分析所制备材料与标准LiFePO4相吻合。电化学测试结果显示,在0.1C、0.5C、1C、2C和5C下材料的首次充放电比容量分别为153.3和148.9、143.0和138.5、124.4和120.5、101.2和94.3以及83.9和81.6 mAh g-1,库伦效率分别为97.1%、96.9%、96.9%、93.4%和97.3%。且在0.1C倍率下,100次循环后容量保持为139.1 mAh g-1,容量保持率为93.4%。使用静电纺丝技术制备的LiFePO4/C纳米纤维材料表现出的优异电化学性能。

关键词： 电动汽车   磷酸铁锂电池   快速充电   充电桩  

摘要： 随着人们生活水平的提高,近年来汽车保有量持续增加,而由此引发的环境污染问题也日益严峻。电动汽车作为一种可以实现“零排放”的环保型汽车,是汽车行业发展的趋势。目前世界上很多国家都加大了对电动汽车的研发力度。然而,在发展电动汽车的同时,还要兼顾充电设施的发展。充电桩作为电动汽车的“加油站”,在很多地区投入使用,但是,充电桩的用户体验并不尽如人意,快节奏的生活使电动汽车用户难以忍受漫长的充电时间。为了解决这个问题,必须大力促进快速充电桩的研发。论文进行电动汽车智能充电桩系统的研究,为了使电动汽车充电过程更加智能和快速,其对于电动汽车行业的发展,意义十分重大。智能充电桩的充电策略是论文的重点研究内容,其充电策略直接影响智能充电桩的充电效果。如今,磷酸铁锂电池常被用作电动汽车的动力电池,以磷酸铁锂电池为例,研究智能充电桩的充电策略。智能充电桩的充电策略以分段式充电为基础,即在不同充电阶段采取不同的充电方法。在第三段正负脉冲充电时,引入模糊控制器计算负脉冲强度,以达到最佳去极化效果。实验证明,其可以明显提高充电速度,延长磷酸铁锂电池使用寿命。论文对智能充电桩的硬件进行了设计,包括充电单元电路、信号采集单元和人机交互单元等。针对充电单元的设计,首先对三相交流电进行整流和滤波,采用三相电作为智能充电桩的电源,是因为三相电可以提供智能充电桩所需大电流。然后对输出直流电进行DC-AC-DC变换,在变换时通过控制IGBT通断来调节输出电流的大小。最后,设计了放电去极化回路,可以实现无损耗放电过程。关于信号采集单元,设计了三个电路用来采集电池充电过程中的电流、电压和温度,为充电桩充电策略的实施提供必要的信息。最后对智能充电桩样机的相关功能进行了测试,智能充电桩可以正常工作,完成了设计要求。

关键词： 电动叉车   磷酸铁锂   电池管理系统   荷电状态  

摘要： 电动叉车相对于内燃叉车而言,具有操作简单、灵活性好、低噪声、无废气排放等优点,因此电动叉车一直受到人们的广泛关注。在国家大力倡导生态文明的环境下,电动叉车技术更是成为了学术界研究的热点。动力电池是电动叉车的核心部件,动力电池技术已经成为电动叉车的关键技术之一。电池管理系统作为动力电池技术的重要内容,用来充分发挥动力电池的性能、延长电池的使用寿命、提高电池的能量利用效率。选择性能优越的磷酸铁锂电池为电动叉车的动力电池,用实验的方法研究了磷酸铁锂电池的充放电特性。对几种常用的荷电状态估算方法进行了研究,采用修正安时法与开路电压法相结合的方法对电池荷电状态进行估算,并对修正安时法进行了实验验证,具有较高的精度。以二阶RC等效电路模型为基础,对扩展卡尔曼滤波算法进行了深入的理论分析。对电池管理系统的硬件电路进行了详细设计。其中包括主控MCU的选择、电源模块的设计、电压采集模块的设计、电流采集模块的设计、温度采集模块的设计、均衡模块的设计、液晶显示模块的设计、故障报警模块以及通讯模块的设计。根据电池管理系统的硬件电路以及系统的功能,分别对各个模块进行了软件设计。画出了各个模块的程序流程图,并对各个模块的C语言程序进行了编写及调试。系统能够采集各个单体电池的电压、电池组的总电压、电池组的电流以及各个单体电池的温度,并能够对采集到的电池状态信息进行分析计算。能够实时显示电池的荷电状态等重要信息,在必要的情况下能够启动均衡控制功能及故障报警功能,能够与整车控制器进行数据通信。

关键词： 锂离子电池   正极材料   磷酸铁锂   溶剂热法   循环伏安法  

摘要： 锂离子电池正极材料磷酸铁锂具有成本低廉、环保无毒、循环性能好、安全性能高等优点。但是磷酸铁锂的两个明显缺点（低离子导电率、低电子电导率）阻碍了其大规模市场化应用。为了克服这两个缺点,控制LiFePO4颗粒的大小和形貌都是十分必要的,溶剂热法能很好地控制LiFePO4晶体生长,因此本文采用溶剂热法,开展了如下工作：（1）以乙二醇为溶剂采用溶剂热法合成了LiFePO4材料。研究了合成参数如醇与水比例、溶解热反应温度等对磷酸铁锂颗粒形貌、大小及电化学性能的影响。结果表明当溶剂热反应温度为180℃时,采用全乙二醇做溶剂的溶剂热法来合成的颗粒大小最均一。当溶剂组成全部为水时,难以得到大小均一的颗粒。随着醇含量的增加,颗粒由微米级别的片状颗粒逐渐变小到纳米级别的颗粒。通过对合成的自组装结构LiFePO4材料研究发现,样品的颗粒具有多孔的花生状结构,长度为50 um,直径范围为19-23 nm,该结构由厚度约为30 nm的纳米片堆砌而成。（2）采用FeSO4·7H2O、H3PO4、LiOH·H2O为反应物且摩尔比为1：1.5：2.7,用乙二醇做溶剂的溶剂热法合成了性能优异的纳米片状磷酸铁锂电极材料。对样品进行了XRD分析、扫描电镜分析、透射电镜分析,结果表明：样品为具有橄榄石型结构的厚度30nm左右{010}晶面片状磷酸铁锂颗粒。傅里叶红外光谱分析表明样品具有较低的反位缺陷浓度。循环伏安测试表明材料在大扫数（280mV/s）下,锂离子仍进行可逆的脱嵌行为,显示了优异的快速充放电性能。反应物浓度和反应物比例的不同会导致颗粒大小和形貌的不同,进而导致材料的电化学性能的极大不同,因此合成工艺要严格控制相关参数来获得性能优异的电极材料。（3）以聚乙二醇400为表面活性剂辅助合成了LiFePO4材料。研究了聚乙二醇400与水的不同体积比例及前驱物浓度对产物形貌和性能的影响。在反应时间为9h、反应温度为180℃、反应物摩尔比（Li+：Fe+：PO43-）为3：1：1、反应物摩尔浓度为0.11mol/L、聚乙二醇400和水的体积比为1：1.25的条件下,得到的产物电化学性能最佳,颗粒分布较均匀,形貌结构均一。

关键词： 磷酸铁锂电池   电池保护芯片   电量均衡  

摘要： 磷酸铁锂电池以其成本低、体积小、重量轻、可靠性高、容量大、电流大、无污染以及无记忆效应等特点成为了电动汽车最合适的储能装置之一。为了使磷酸铁锂电池在电动汽车使用过程中更加安全可靠,并使电池寿命得到延长,需要使用电路芯片对电池进行保护及状态分析。论文通过对磷酸铁锂电池的特性以及电池保护电路的分析研究,设计了一款适用于电动汽车的磷酸铁锂电池保护和状态分析芯片,该芯片不仅可以对电池的非正常状态作出判断并控制外部电路对电池进行保护,而且可以实现各节电池间电量的均衡,从而使电池的使用寿命得到进一步的延长。论文主要对均衡电路、SOC估算电路和保护模块进行了设计。所设计的芯片可以独立完成电池的保护、电量均衡和SOC估算等功能,并可通过改变电流路径,使芯片在防止电池过充电的同时,保证外部充电电路仍能正常工作。芯片的设计使用了华润上华公司的CSMC 0.5um CMOS工艺,通过Cadence软件对电路进行了仿真。仿真结果表明芯片可以实现电池状态的准确判断,能很好地实现电池的保护、SOC估算和电量均衡的功能,满足了设计要求。

关键词： 微波结晶   磷酸铁   磷酸铁锂   掺杂   固相法   机理  

摘要： 本文针对锂离子电池正极材料的研究热点,使用微波液相结晶法制备FePO4以及通过固相法制备Li FePO4。首先,研究了微波液相结晶过程中反应时间和反应温度对结晶产率的影响;在此基础上研究了金属离子掺杂对FePO4电化学性能的影响,并利用X射线衍射分析(XRD)、扫描电镜(SEM)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)以及电化学分析等手段表征了产品的晶体结构、形貌和电化学性能。其次,以葡萄糖、Li2CO3以及微波法制得的FePO4为原料通过固相法制备了LiFePO4,研究了反应时间对Li FePO4性能的影响,通过XRD、SEM、电化学分析、粒度分析等分析表征方法对LiFePO4进行了表征。在此基础上,研究了金属离子掺杂对LiFePO4性能的影响,并对掺杂LiFePO4进行了分析表征。实验结果表明:微波法制备FePO4的反应体系中,在磷铁比为6:1时,反应温度和反应时间均对FePO4的产率有影响,随着温度的逐渐升高,体系中FePO4成核的速率也逐步加快,在一定时间范围内随着反应时间的加长产品的产率也增加;以Cr3+、Mg2+、Zn2+对FePO4进行掺杂,离子掺杂对FePO4性能有一定的影响,Mg2+掺杂对FePO4的影响最大,与纯FePO4相比,掺杂Mg2+的FePO4的首次放电比容量增加了2.3倍。固相法制备LiFePO4的反应中,反应时间会影响LiFePO4电化学性能,实验结果表明:反应时间为8 h时,Li FePO4有较好的电化学性能。以金属离子对LiFePO4进行掺杂,结果表明,与Fe2+异价的金属离子掺杂LiFePO4后,其电化学性能比掺杂前有所改变,其中,V5+对LiFe PO4的影响最大,V5+掺杂后其首次放电比容量从133.8 mAh/g提升至158.5 m Ah/g,且表现出良好的倍率放电性能。