关键词： 磷酸铁锂电池   实验平台   BMS   SOC估算   成组实验  

摘要： 随着能源危机和环境问题的日益突出,具有能量来源广、低排放、低噪声等优点的电动汽车越来越受到关注和重视。作为电动汽车的核心,动力电池和电池管理系统(Battery Management System, BMS)的研发和改进更是成为各汽车厂家、科研院所研究的重点内容。 本课题以北京市科委“节能与新能源汽车培育”专项课题中的《矿用防爆无轨胶轮电动汽车关键技术研究》为依托,主要任务是完成大容量磷酸铁锂电池组实验平台的设计与搭建,并验证平台功能。 本文首先介绍了电动汽车、动力电池和BMS的国内外研究现,然后详细介绍了目前常见的包括包括安时(Ah)积分法、开路电压法、内阻法、神经网络法、卡尔曼滤波法、等效电路模型法在内的荷电状态(State-of-Charge, SOC)估算方法,本文根据对象电池的特点选取了开路电压加Ah积分的方法来估算SOC,并以此为基础得出了电池组SOC的估算方法。电池组实验平台搭建是本文的主要工作,搭建好实验平台对继续进行大容量磷酸铁锂电池成组性能研究具有重要意义。电池组实验平台由电池组、主回路、控制回路、手动检测端、BMS以及上位机监控界面组成,另外,根据实验需要选用适当的充放电设备对电池组进行充放电实验。电池组共由9个电池小组串联组成,每个小组由12个电池单体串联组成；电池组主回路和控制回路起到控制电池组-负载回路的接通与断开,测量并显示电池组输出电压和干线电流,以及保护电池组和负载的作用;手动检测端用于人工在线或离线使用万用表测量电池单体电压、总电压等数据,与BMS测量数据进行比较,方便安装和实验过程中发现并解决问题。本文的BMS由9个从模块和1个主模块组成,9个从模块和9个电池小组一一对应,分别测量其所对应的电池小组的单体电压、单体温度,计算出每个电池小组的最高和最低电压、最高和最低温度、以及这些电压和温度极值所在电池的编号,并将这些信息通过CAN通信发送到主模块。主模块主要测量电池组总电压、总电流,估算电池组SOC等重要参数,接收从模块数据并将电池单体电压、单体温度、电池组总电压、总电流、SOC等关键数据通过USB-CAN接口卡发往上位机监控界面,方便研究人员观察。 完成上述工作后,本文分别使用ARBIN BT2000和ARBIN EVTS充放电模拟实验台进行了单体和成组实验,验证了实验平台的功能并对实验数据进行了分析。

关键词： 磷酸铁锂   氧含量   隧道炉   气体置换  

摘要： 针对部分电池材料在烧结过程中对炉膛内氧含量的要求,通过实验分析得出隧道式密封气氛保护电阻炉炉膛内气体置换的有效方法,分析了影响炉膛内氧含量的因素,为同类设备在满足产品氧含量要求方面,从设计、生产到调试起到了重要指导作用。

关键词： 锂离子电池   正极材料   磷酸铁锂   改性   氮掺杂   磷掺杂  

摘要： 随着能源危机和环境污染的日益严峻,人类迫切需要寻找新一代的清洁能源以实施长久的可持续发展战略。新能源的利用需要高性能的储能设备作为支撑。在众多储能设备中,绿色环保的锂离子电池以其能量密度大、工作电压适宜、循环寿命长、自放电小等特点广受关注,而具有橄榄石结构的Li FePO4更以其价格低廉、环境友好、理论容量高、热稳定性好等诸多优点脱颖而出,成为了最有发展前景的正极材料之一。然而,磷酸铁锂电子电导率和离子扩散率较低等不容忽视的缺点,也严重制约了其在纯动力汽车、混以及其它大型锂离子电池的移动设备领域中的应用。当今公认有效的改善方法为:缩小Li FePO4颗粒的粒径尺寸、对LiFePO4颗粒内部进行晶相掺杂以及对LiFePO4颗粒表面碳层进行改性。尽管单纯的碳包覆在一定程度上克服了以上缺点,但是在倍率性能方面仍不能达到人们所期望的水平。本文以实验室水热法自制的LiFePO4/C为研究对象,采用三聚氰胺作氮源、三苯基磷作磷源,以提高材料电化学性能——特别是在高倍率下的放电比容量及多次充放电循环表现——为主要目的,成功地制备了电化学性能显著提升的氮改性和磷改性的新型LiFePO4/C正极材料,并且深入探索分析了制备过程中实验条件对于材料的影响。在20 C的高倍率下,以最优条件制备的氮改性和磷改性的新型LiFePO4/C材料的放电比容量分别为108.6 mAh?g-1和124.0 mAh?g-1。通过XRD、Raman光谱、XPS及分峰、SEM、HRTEM、TG、氮气气体吸附法、四探针法、电化学性能测试及EIS检测等多种表征方式和研究方法对氮改性和磷改性的LiFePO4/C正极材料进行了深入的研究和分析。研究表明:改性既不会对LiFePO4的晶体结构及组成造成任何影响,也不会对LiFePO4/C颗粒的整体形貌、颗粒大小、表面碳层的厚度和分布及碳含量造成影响;同时,改性有利于提升LiFePO4/C材料表面碳包覆层中碳的石墨化程度,提高LiFePO4/C材料的电导率及电化学性能。

关键词： 磷酸铁锂   微纳结构   均匀碳包覆   多级导电碳网络   产业化  

摘要： 橄榄石型磷酸铁锂（LiFePO4）由于具有低污染性、高安全性和低成本等优点,作为正极材料广泛应用于锂离子动力电池。然而,LiFePO4低的电子电导率和锂离子扩散系数严重制约了其大功率性能。目前,主要通过在Li FePO4纳米颗粒表面构建包覆层来解决上述问题,但是由于纳米颗粒相比于微米颗粒具有更高的界面能、更低的振实密度和更差的机械加工性能,严重阻碍了其规模化应用。本论文设计和制备了由一次纳米颗粒组装成的高密度微米级Li FePO4二次颗粒,并在LiFePO4二次颗粒内部构建了多级导电碳网络,在提高LiFePO4颗粒大倍率性能的同时,实现了材料高体积比容量。论文以丙烯酸铁作为铁源和碳源合成了高性能LiFePO4/C微纳球形复合材料。首先通过共沉淀法制备了磷酸铁/聚丙烯酸（FePO4/PAA）,PAA由丙烯酸铁水解副产物丙烯酸根在FePO4颗粒表面原位聚合而成,且均一包覆于FePO4颗粒表面。通过喷雾干燥制备了微米级嵌锂FePO4/PAA球形前驱体,在热处理过程中PAA层碳化形成部分石墨化碳均匀包覆于LiFePO4一次颗粒表面（40～50nm）。由于其独特的微纳结构,所制得的LiFePO4/C复合材料表现出良好的倍率性能和循环性能,0.1C和5 C充放电比容量分别达到162.9 mAh·g-1和126.1 mAh·g-1,5 C/5 C循环500周后的容量保持率为97.1%。上述工作不但获得了高密度微米级LiFePO4/C二次颗粒,而且实现了副产物丙烯酸根作为包覆碳的再利用。为了进一步提高LiFePO4/C微米球的高倍率性能,在二次颗粒内部构建多层次导电碳网络:原位聚合形成的PAA层经碳化后形成部分石墨化碳,其均匀包覆于LiFePO4一次颗粒表面并形成第一级导电碳网络;其次,在喷雾干燥阶段添加的碳黑填充了一次颗粒之间的空隙,形成了连续的第二级导电碳网络;最后,蔗糖作为FePO4纳米颗粒间的粘结剂,热处理后形成的无定形碳将LiFePO4一次颗粒紧密连接在一起,形成第三级导电碳网络。多级导电碳网络之间的协同作用及其内部形成的良好孔隙结构,使LiFePO4/C微米球同时具有快速的电子传输和离子扩散能力,使其大倍率性能显著提高。论文最后研究了微纳球形LiFePO4/C复合材料的批量制备技术,探索锂源选择、烧结时间和纳米碳管添加量对LiFePO4/C复合材料性能的影响。

关键词： 电池充电器   降压型   磷酸铁锂  

摘要： 多化学组成、库仑计数器和电池健康状况监视LTC;4015是一款具片内终止算法的完整同步降压型控制器/充电器,其适用于单个或多个锂离子/锂聚合物、磷酸铁锂（LiFePO;）或铅酸电池化学组成。可对诸多系统参数进行编程和/或数字监察,包括电池电压和电流、电池串联电阻、输入电压和电流以及电池和芯片温度,所有这些均通过一个1;C端口来完成。电池健康状况可利用电池串联电

关键词： 生物纳米技术   仿生合成   磷酸铁锂   电化学性能  

摘要： 如何将纳米科学转化成应用纳米技术,关键在于设计、组装和集成纳米材料。在生物系统的生物矿化作用下,许多具有无定形结构或晶体结构的纳米材料得以合成出来。与普通的纳米技术相比,这种生物纳米技术更适合于合成具有复杂结构的无机纳米材料。通过基因工程和生物自组装作用等,可以获得具有精确的化学组成以及特殊晶体结构和形貌的纳米材料。生物纳米技术,为实现将可再生天然生物材料应用到高性能锂离子电池的制造中,提供了强有力的条件。对于锂离子电池材料来说,减小活性材料的颗粒尺寸可以提高锂离子和电子的传导效率,从而提高材料的电化学性能。近年来,生物纳米技术获得了越来越多的关注,它作为一种新兴的合成手段和研究方法,已经成功合成出了一些新型的具有特殊结构和优越性能的仿生材料,并作为电极材料应用于锂离子电池中,获得优异的电化学性能。锂离子电池的电极材料系统中碳源的性能,在一定程度上影响材料的电化学性能表现。碳包覆这一技术手段,对于电极材料的高倍率性能和循环稳定性的提高有很大的作用。与其他的碳源相比,介孔生物碳材料具有独特的显微结构和优异的表面化学活性,并且廉价易得、绿色环保,因而可作为包覆碳的碳源来应用到锂离子电池材料的合成中。可见,生物纳米技术的优势在于：可以在环境温和的系统中获得高产量的介孔生物炭,合成出特定的精密结构甚至复杂的多级纳米自组装结构,并能精确控制材料的结构、尺寸、形貌和晶体生长方向。更重要的是,这一技术简单廉价、材料来源广泛并且可再生,为制造高性能锂离子电池提供了一条绿色环保且实用高效的途径,势必有良好的市场前景。本文针对采用生物纳米技术合成LiFePO4正极材料以及其电化学性能分析进行了研究与探讨。分别以棉花纤维、菠菜叶绿素、酵母细胞,作为模板、碳源或形核剂,合成出了具有特殊形貌和晶体结构的LiFePO4/C纳米复合结构。其中,棉花纤维模板法合成出了具有超晶格结构的LiFeP04/C,0.1C首次放电比容量高达181mAh/g(超过了其理论比容量170mAh/g)。菠菜叶绿素模板法合成出了大量层错结构的LiFePO4, 10C的高倍率下放电比容量为101mAh/g。酵母细胞模板法合成出了介孔微球LiFePO4/C复合材料,75次不同倍率循环后其容量保持率仍在98%以上。最后,对Nb掺杂LiFePO4/C复合正极材料的电化学性能进行了研究,Nb掺杂可以在一定程度上减小充电过程中阳极的极化现象,且显著地降低了材料的电荷转移阻抗。

关键词： 电池管理系统   磷酸铁锂电池   荷电状态   STM32F103RBT6  

摘要： 迫于全球能源的减少以及环境污染的日益加剧，为实施可持续发展战略，电动汽车将逐步成为未来主要的交通运输工具，对于电动汽车(EV)的研究受到极大的重视。电池管理系统（BMS）是电动汽车研究中的一个重要的领域，BMS可以提升动力电池的使用效率，检测电池的工作状态，能够使动力电池处在很好的性能条件下，可以延长动力电池的循环使用次数，延长电动汽车的续航里程，在一定程度上，也可以对电动汽车的安全使用提供保障。因此对电池管理系统的研究有着重要的意义。 论文以磷酸铁锂电池(LIPB)为研究对象，分析其工作原理。针对电池剩余电量(SOC)的估计，通过查阅大量的中外文献、资料，总结一系列的理论基础上，提出了改进型双支持向量回归（NSVR）估算方法，在MatLab平台下建立估算的仿真模型，并与传统的支持向量回归估算方法进行对比，证明了此种方法的可行性与优越性。在此基础上，对电动汽车电池管理系统的硬件和软件进行了设计，以ARM STM32F103RBT6为控制器，设计了电压采样电路，电流采样电路，温度检测电路，通信电路，和故障检测电路。软件编程的开发环境使用了KEIL，给出了软件编写总体的流程，以及相关每一个子模块的程序流程。 通过一些实验完成了电池管理系统的测试。结果表明：所设计的电池管理系统能够实现对电压、电流、温度信号的采集功能，并很好的完成了对于磷酸铁锂电池的SOC的估算。

关键词： 钴酸锂   氧化锂钴   三元材料   中国有色金属工业   正极材料   有限公司   湖南   锰酸锂   磷酸铁锂   压实密度   恢复率   过充   极片  

摘要： 湖南美特新材料科技有限公司是一家集研发、生产、销售及技术服务于一体的高新技术企业,主营业务是生产锂离子电池的钴酸锂、三元材料等正极材料。美特公司拥有多项新材料项目的技术储备,包括钴酸锂、三元材料、锰酸锂、磷酸铁锂等多项新产品、新工艺的储备和创新,获国家发明专利4项、中国有色金属工业科技进步一等奖1项、二等奖3项、三等奖4项、成果鉴定45项,其

关键词： 锂离子电池   磷酸铁锂   石墨烯   三维结构   复合材料   协同效应  

摘要： 橄榄石结构的磷酸铁锂材料因其具备热稳定性好、循环寿命长、环境友好、原料来源丰富等优势,被认为是目前最具应用潜力的动力锂离子电池正极材料。然而,由于电子导电率低（10-10 S·cm-1）和离子扩散速率慢（一维锂离子通道,10-14 cm2·s-1）等固有缺陷,导致倍率性能差,限制了其在动力电池中的实际应用。近期,研制磷酸铁锂/石墨烯三维结构复合材料,被证实能够有效改善电极材料的电化学性能。开发行之有效的制备方法以实现石墨烯与磷酸铁锂之间的有机结合,是该类复合材料研究的关键,也是本领域的研究热点和难点。本研究设计和制备了三类磷酸铁锂/石墨烯三维结构复合材料,实现了磷酸铁锂与石墨烯不同结构的原位复合,并对合成材料的制备过程、物理性质、电化学性能及不同组分间的协同效应进行了研究和探索,为动力型磷酸盐系正极材料的开发提供了有效的技术途径,并为系统深入探索复合电极材料中各组分间的相互作用及协同效应提供了一种研究方法。采用流变相-碳热还原结合的方法,以热还原石墨烯为石墨烯源（RGO）,制备了碳包覆磷酸铁锂/石墨烯复合材料（C@LFP/RGO）,平均粒径80 nm的磷酸铁锂纳米颗粒均匀分布在RGO表面或插入RGO的层间,并且磷酸铁锂表面被厚度3 nm的无定型碳层所包覆;通过改进合成方法,以氧化石墨烯（GO）为石墨烯源,引入高能球磨过程和镁源,制备的碳包覆介孔镁掺杂磷酸铁锂/石墨烯三维复合材料（C@M-LFMP/RGO）,进一步提高磷酸铁锂晶体内部的电子导电率和锂离子扩散速率。测试表明,C@M-LFMP/RGO在20 C充放电比容量为124 m Ah·g-1,1 C放电20 C充电160 s充电比容量可达140 m Ah·g-1,10 C循环1000次的容量保持率约为95%。采用溶剂热法合成了（010）面接触的磷酸铁锂/石墨烯复合材料（LFP/GNs）,结构分析表明（010）面择优取向的磷酸铁锂纳米片原位生长于石墨烯的表面,实现了两组分间的（010）面电接触,该材料60 C充放电比容量达76 m Ah·g-1,1 C放电60 C充电60 s充电比容量可达143 m Ah·g-1,10 C循环1000次的容量保持率为90%。通过对LFP/GNs中裸露的磷酸铁锂表面选择性包覆碳层（C@LFP/GNs）,进一步提高了材料的循环稳定性,10 C循环1000次的容量保持率达98%。采用静电吸附-水热自组装结合的方法,合成了磷酸铁锂/氮掺杂石墨烯气凝胶复合材料（LFP/N-GA）,其中（010）面定向生长的磷酸铁锂纳米片被多孔氮掺杂石墨烯气凝胶构建的离子和电子双连续通道所环绕,提高了材料的倍率和快充性能:100 C充放电比容量达106 m Ah·g-1,1 C放电100 C充电60 s充电比容量可达145 m Ah·g-1。最后,针对（010）面接触的LFP/GNs复合材料,通过与纯相且尺寸相近的磷酸铁锂纳米片（S-LFP）和石墨烯材料（GNs）进行对比,从物理表征、电化学分析和理论计算三个方面研究了二者的协同效应机制。物理表征表明,GNs可以明显提高复合材料的电子导电性,多孔结构改善电解液的浸润性,LFP和GNs互为支撑,减缓了团聚现象;电化学分析发现,LFP和GNs构建了串联的快速电荷传递通道,GNs的高比表面积和双电层的快速电荷响应特性,减小了复合材料电极的欧姆阻抗和传荷阻抗,提高了电极的表观锂离子扩散系数;密度泛函理论计算发现,LFP和GNs复合明显改变了LFP的能带结构和态密度,增加了电子在费米能级处出现的概率,电子云分布向复合界面处移动,同时锂离子在复合界面富集,成为电化学反应的活性位点。

关键词： 石墨烯   磷酸铁锂   二氧化锰   三氧化二铁   复合材料   不对称超级电容器  

摘要： 不对称型超级电容器,一般也常被称之为混合型超级电容器,这类超级电容器的得名主要是其结构即两个电极分别由不同的材料组成。由于其充分结合利用了两种储存电容的机理,所以具有比能量高、比功率大和循环性能良好、无污染等优点,具有很高的实际应用价值,可以应用在新能源蓄电池、移动式电子设备、大型导弹军事装备、车辆、野外作业、空间飞行物等领域。而对超级电容器的性能有十分重要影响的关键之一为电极材料的选择,这也是目前不对称超级电容器的研究热点,目前,常用的电极材料有碳材料、金属氧化物和导电聚合物。石墨烯因比表面积大、强的力学性能、优异的导热性能及导电性能,因此它在电子器件器皿、电池电容器、生物材料以及力学增强等很多领域具有非常大的应用前景。特别是石墨烯的大比表面积和优异的电导特性,这些特点使他在超级电容器的研究制备方面具有很好的应用前景。本文以石墨烯（采用改进的Hummers法制备）为基体,使其分别与共沉淀法制备的橄榄石LiFePO4、微波反应制备的无定形MnO2以及水热法制备的Fe2O3颗粒复合成为正极材料与石墨烯负极材料组成不对称电容器。所制备的磷酸铁锂/石墨烯||石墨烯不对称超级电容器工作窗口电压为3V,在能量密度为42.8Wh/kg时,其功率密度为1284W/kg;二氧化锰/石墨烯|石墨烯不对称超级电容器的工作窗口电压为1.4V,其能量密度为23.59Wh/kg时,其功率密度为7018W/kg;三氧化二铁/石墨烯||石墨烯不对称超级电容器的工作窗口电压为1V,其能量密度为11.8Wh/kg时,其功率密度为786.43W/kg。