关键词： 咸阳陶瓷研究设计院   磷酸铁锂   稀土材料   锂离子电池   锂离子二次电池   锂电池   钴酸锂   氧化锂钴   热工装备   锰酸锂   石墨负极  

摘要： 咸阳陶瓷研究设计院热工装备中心,隶属于中国建筑材料集团公司。我中心以雄厚的科研实力为依托,一直致力于各种窑炉热工装备的科研设计、加工制造、安装调试及技术咨询等一体化服务。我中心引进国外先进技术,以客户需求为出发点,研制的粉体干燥煅烧系列回转炉、网带炉、推板炉、管式炉、井式炉、梭式窑等广泛应用于锂离子电池材料(磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元、石墨负极等)、稀土材料、活性炭、化工催化剂材料、磁性材料、粉末冶金材料等。依托于高新技术和丰富的实践经验,我们擅长开发性的工艺和设备设计,能针对用户具体物料进行试验,提供科学的方案和向用户提供

关键词： 磷酸铁锂   钛酸锂   纳米阵列   碳包覆   离子掺杂  

摘要： 随着混合电动汽车的发展以及其对高能量密度和高功率密度储能器件的需求,锂离子混合超级电容器是近年来逐渐被关注的一种新型储能元件。锂离子混合超级电容器采用锂离子电池与超级电容器的电极材料,拥有锂离子电池和超级电容器电容的双重特性。与传统电容器相比,具有能量密度大的优良特性；与锂离子电池相比,具有功能以及功率密度高的优点。锂离子混合超级电容器的电极材料既包含具有电荷吸附活性的高比表面积的电容活性材料,又包含可与锂离子发生可逆脱嵌或氧化还原反应的电池材料,其能量存储过程既包含锂离子与电极材料体相发生的可逆法拉第化学反应,又包括电化学活性材料对锂离子的可逆吸脱附过程。本文研究了构成锂离子电容器的脱/嵌锂材料——磷酸铁锂和钛酸锂。磷酸铁锂与钛酸锂均具有低的导电性和低的Li+扩散系数的缺陷,这些缺陷限制了它们在大电流下实现快速充放电的可能。本文以提高锂离子电极材料的导电性,锂离子扩散系数,能量密度以及循环性能为目标,围绕如何能使在大电流下保持电极材料较高的比电容这一关键问题展开。一方面制备了具有纳米阵列形貌和结构的电极材料,另一方面通过电极材料本身改性,例如碳包覆,离子掺杂等来提高电极材料的导电性和锂离子扩散系数,使它们在较高的电流密度下也具有高的比容量,并且实现了快速充放电。采用SEM,XRD,Raman和EDS等方法分析了不同电极材料的形貌与结构,然后采用循环伏安法、充放电测试法以及交流阻抗法对不同的电极材料的电化学性质进行了测试和分析,本文的主要研究内容和结果如下。（1）碳包覆磷酸铁锂电极材料（C-LiFePO4/TiN）的制备,形貌结构表征及其电化学性能的研究。基于对各种合成方法优缺点的比较,最后采用水热法合成了磷酸铁锂纳米颗粒,然后以蔗糖为碳源在氮气氛围下煅烧,形成碳包覆的磷酸铁锂（C-LiFePO4）纳米颗粒。将C-LiFePO4纳米颗粒原位沉积到氮化钛纳米线基底上,从而构建成碳包覆磷酸铁锂电极材料（C-LiFePO4/TiN）。通过电化学测试,当电流密度为1 Ag-1时,LiFePO4/TiN与C-LiFePO4/TiN纳米线电极材料的比电容分别为314 F g-1和972 Fg-1；当电流密度增加到20Ag-1, LiFePO4/TiN与C-LiFePO4/TiN纳米线电极材料的比电容分别为140Fg-1和472.4 F g-1。而且,LiFePO4/TiN与C-LiFePO4/TiN纳米线电极材料在电流密度为20Ag-1,循环400圈之后,比电容分别下降9.5%和3.7%,具有很好的大电流充放电性能和循环稳定性。交流阻抗显示,当开路电压为0.0V时,LiFePO4/TiN与C-LiFePO4/TiN纳米线电极材料的电荷转移电阻分别为0.3645ΩΩ和0.2512Ω,所对应的等效电路的电阻分别为5.447ΩΩ和2.678Ω；当开路电压为0.5V时,C-LiFePO4/TiN纳米线电极材料的电荷转移电阻为0.2226Ω,所对应的等效电路的电阻为2.345Ω,表明引入高比表面积,高导电性的TiN作为基底材料,有助于提高材料的电化学性能;同时通过碳包覆可以有效提高材料本身的导电性,（2）碳包覆铁掺杂钛酸锂电极材料(C-Fe/Li4Ti5O12)的制备,形貌结构表征及其电化学性能的研究。采用阳极氧化钛片合成的二氧化钛为钛源,氢氧化锂为锂源,结合固液相反应法合成钛酸锂纳米管阵列材料,然后以硝酸铁为铁源,十二烷基硫酸钠为碳源合成了C-Fe/Li4Ti5O12纳米管阵列电极材料。经过充放电测试,结果显示当电流密度为1A g-1时,Fe/Li4Ti5O12比电容为516F g-1。当电流密度增加到10Ag-1时,Fe/Li4Ti5O12比电容为350F g-1；当电流密度为1A g-1时,Fe/Li4Ti5O12比电容为768F g-1。当电流密度增加到10A g-1时,Fe/Li4Ti5O12比电容为379F g-1,进一步表明,碳包覆可以有效提高电极材料本身的比电容。Fe/Li4Ti5O12与C-Fe/Li4Ti5O12在开路电压为0.5V下的Rct分别为14.1Ω和4.15Ω,可见由于碳的加入可以有效降低了Fe/Li4Ti5O12本身的电荷转移电阻,提高了电极材料本身的导电性。Fe/Li4Ti5O12与C-Fe/Li4Ti5O12在0.5V时的Warburg阻抗分别为0.4869Ω和0.4183Ω,两者都具有更低的Warburg阻抗,因为Li4Ti5O12本身呈现出阵列纳米管状结构,为电子转移提供了有效通道,使得离子扩散加快；而Fe3+嵌入到Ti4+位置为电子的迁移提供更多的空穴,使得更多的电子在Li4Ti5Oi2内部转移,导电性更强。而C-Fe/Li4Ti5Oi2具有更低的Warburg扩散阻抗,说明碳有效地包覆在了Fe/Li4Ti

关键词： 热工装备   磷酸铁锂   咸阳陶瓷研究设计院   稀土材料   锂离子电池   锂离子二次电池   锂电池   钴酸锂   氧化锂钴   轻质耐火材料   轻质材料   锰酸锂   石墨负极   外热式   梭式窑  

摘要： 咸阳陶瓷研究设计院热工装备中心,隶属于中国建筑材料集团公司。我中心以雄厚的科研实力为依托,一直致力于各种窑炉热工装备的科研设计、加工制造、安装调试及技术咨询等一体化服务。我中心引进国外先进技术,以客户需求为出发点,研制的粉体干燥煅烧系列回转炉、网带炉、推板炉、管式炉、井式炉、梭式窑等广泛应用于锂离子电池材料(磷酸铁锂、锰酸锂、钴酸锂、三元、石墨负极等)、稀土材料、活性炭、化工催化剂材料、磁性材料、粉末冶金材料等。

关键词： 锂离子电池   正极材料   磷酸铁锂   合成工艺   晶体结构   电化学性能  

摘要： 锂离子电池正极材料磷酸铁锂由于其结构稳定，性能优异，成本低廉，环境友好，安全性高，而受到研宄者极大的关注。但是由于材料本身的结构特点所导致的电子电导率差和锂离子扩散系数低等缺点，使其在大电流电池应用方面受到限制。而大电流电源应用要求高功率密度。只有当磷酸铁锂电池材料具有好的电子和离子电导率时，极化才会小。这样，可使得材料在高倍率放电条件下不仅具有高容量而且具有高放电电压，从而显著提高材料的功率密度。　　在本论文中，从纳米化、自掺杂和碳包覆三个方面，探讨了影响LiFePO4正极材料极化和功率密度的因素。首先，从纳米化出发，主要探索了以四甘醇作为表面活性剂，在低温水热条件下，四甘醇含量的改变对磷酸铁锂晶体生长的影响，从而实现LiFePO4晶粒形貌、尺寸和结构的调控。此外，发现四甘醇不仅影响材料的形貌和粒径，也影响材料中由于自掺杂效应产生的Fe-Li反位缺陷。随着四甘醇含量的增加，这种反位缺陷浓度愈高。Fe-Li反位缺陷会对磷酸铁锂材料的导电性产生显著影响。一般认为，Fe占据Li晶位会阻塞Li离子通道，阻碍锂离子的扩散和迁移，从而使性能恶化。然而Li占据Fe晶位却有利于材料本征电导率的提高。二者共同作用将显著影响材料的电化学性能。通过优化水热反应温度和时间，利用这种自掺杂效应，发现水热反应温度的升高和时间的延长确实有助于减少Fe占据Li晶位的缺陷。在优化合成参数改善LiFePO4本征电导率的基础之上，探讨了不同碳源和方法进行碳包覆对材料电化学性能的影响，并发展了一种以固态葡萄糖为碳源的新型CVD碳包覆方法，与传统葡萄糖与LiFePO4直接混合随后退火碳包覆方法相比，碳包覆层更加均匀，石墨化程度更高。通过优化碳含量和碳包覆层厚度，获得了极高功率磷酸铁锂纳米正极材料。这为LiFePO4在大电流电源领域应用尤其是在电动汽车或混合动力汽车上的应用带来了新的希望。

关键词： 水热法   喷雾干燥法   FePO4·2H2O   LiFePO4OH   LiFePO4/C  

摘要： 在锂离子电池被广泛应用的形势下,磷酸铁锂因具备生产原料来源广泛、价格便宜、材料本身热稳定性好、循环性能好等优点已成为锂离子电池中最具发展潜力的正极材料。目前,磷酸铁锂制备工艺日渐成熟,但依旧存在原料成本高、制备过程污染环境、制备工艺复杂、产品性能不足等缺点。针对这些缺点,本文以开发磷酸铁锂的绿色低成本合成技术为主要目的,同时探究了影响磷酸铁锂电化学性能的因素。1、水热法可控合成沿(010)晶面和(001)晶面生长的片状磷酸铁锂采用水热法通过改变原料比例制备了具有(010)晶面取向(即)和(001)晶面取向(即c轴取向)的LiFePO4/C材料。XRD, SEM和HRTEM测试结果阐述了两种样品的晶体生长过程。电化学性能测试结果表明,具备(010)晶面取向的磷酸铁锂的锂离子扩散速率和比容量均高于具备(001)晶面取向的磷酸铁锂,且稳定性更高。2、纳米球磨制备球形磷酸铁锂/C复合材料及其电化学性能研究以LiOH·H2O, H3PO4,铁粉和蔗糖为原料,结合球磨工艺和喷雾干燥技术制备多孔球形的磷酸铁锂前驱体,原料在720℃煅烧时间3h,得到多孔球形的纳米LiFePO4/C材料。电化学结果表明,在0.2C,0.5C,1C倍率下的放电比容量达到166.2 mAh/g,160.8 mAh/g,155.2 mAh/g,经过10次循环后的容量保持率均达到97%以上,具备优异的高倍率充放电性能。该材料制备工艺符合绿色低成本的要求,具备工业化潜力。3、水热法直接转化磷酸铁制备高纯度的磷酸铁锂以LiOH·H2O, FePO4·2H2O为原料(Li:Fe:P=1.35:1:1),蔗糖作为还原剂和碳源,采用水热法在180℃下保温4h获得高纯度的LiFePO4/C.该材料具备优异的电化学性能。采用喷雾干燥技术将水热产品制备成多孔球形材料,该材料在0.1C,0.2C,0.5C倍率下的首次放电比容量为164.5 mAh/g,161 mAh/g,151.1 mAh/g,经过20次循环后容量几乎没衰减,具备优异的高倍率电化学性能。4、水热法将磷酸铁转化成为LiFePO4OH合成磷酸铁锂的工艺探究以LiOH·H2O, FePO4·2H2O作为原料,通过水热法在140℃的温度下制备LiFePO4OH,然后加入12%的蔗糖,将所得溶液进行喷雾干燥,将得到的粉末于700℃下煅烧6h,得到样品(A)。作为对比,另一组实验不经过水热反应,直接进行喷雾干燥,于800℃煅烧得样品(B)。结果表明,以LiFePO4OH中间相最终经煅烧合成的LiFePO4/C在0.1C,0.2C,0.5C倍率下,首次充放电比容量为168 mAh/g,157 mAh/g,145 mAh/g,样品(B)比样品(A)具备更优异的电化学性能。

关键词： 磷酸铁锂蓄电池   直流电源系统   变电站  

摘要： 变电站直流系统中的蓄电池组是整个直流电源系统为设备网络提供电源保障的最后一道防线,其重要性不言而喻,因此蓄电池组质量性能的好坏在一定程度上决定着变电站直流电源运行的质量,尤其是变电站一体化电源设计的实施以及智能电网变电站应用对直流电源系统运行的可靠性提出了更高的要求。阀控式密封铅酸蓄电池存在蓄电池过压、欠压充电对电池的寿命及容量的影响较大,容易造成电池组提前报废,一旦运行维护不到位,在变电站站用电源事故停电情况下,极易造成电网事故,给电网安全稳定运动带来潜在风险。磷酸铁锂蓄电池具有超长寿命、使用安全、绿色环保、可大电流充放电、耐高温、自放电率小、无记忆效应、体积小、重量轻等特点。正是因为相对阀控式密封铅酸蓄电池,磷酸铁锂蓄电池具有无可比拟的优越性,开展变电站直流电源磷酸铁锂蓄电池应用研究意义重大。本文基于磷酸铁锂蓄电池的变电站直流电源系统应用研究,通过对磷酸铁锂蓄电池充电程序、电池均衡系统进行研究,对磷酸铁锂蓄电池直流电源系统各单元功能设计,对直流电源系统的交流电压、充电电压、直流母线电压、电流、蓄电池电压进行监测。论文进一步研究直流电源系统双电源自动切换装置,在原直流电源系统基础上,加装一套磷酸铁锂蓄电池直流电源系统。两套直流系统经二级管并列运行,在正常情况下由磷酸铁锂蓄电池电源系统向馈线屏供电,原直流电源系统处于热备用,在磷酸铁锂蓄电池直流电源系统故障时,再由原直流电源系统对馈线屏进行供电。通过设定磷酸铁锂蓄电池直流电源系统充电参数,监控装置控制充电机自动运行充电程序,对磷酸铁锂蓄电池直流电源系统充电程序进行试验,对磷酸铁锂蓄电池充放电测试数据、图表,进行分析对比。在整个试运行期间,磷酸铁锂蓄电池直流电源系统运行平稳,电池电压均衡性良好,单体蓄电池电压监测准确。编制了磷酸铁锂电池电源系统现场运行操作原则,进一步规范现场安全运维操作,为磷酸铁锂蓄电池在变电站应用探索道路并积累运行经验。

关键词： 电源管理系统   荷电状态   外特性   磷酸铁锂电池  

摘要： 随着全球环境恶化和能源危机两大问题的不断突出,各国都在积极寻找清洁能源,各行各业都担负着节能减排的重要任务。随着民航业的发展和节能减排工作的不断深入,电气化民航特种车辆的优势逐渐显现,但同时特种车辆间断性工作和走走停停的特点对车载动力电池的供电品质、监控保护等提出了更高的要求,动力电池的管理作用越来越重要。电源管理系统不但能提高车辆电源系统的可靠性、延长动力电池的使用寿命,提高车辆的续航里程,而且在很大程度上决定了整车的安全性和经济性。本文在民航特种车辆电气化推广背景下,结合民航特种车辆的运行特点和应用需求,以S3C2440处理器为核心,设计开发了一套动力电池电源管理系统。该系统可实现对动力电池的参数检测、故障报警、荷电状态估算和人机交互等功能。本文的研究内容主要包括以下几个方面:(1)分析磷酸铁锂动力电池的特性,确定了电源管理系统的基本功能和总体结构。(2)通过充放电实验分析研究磷酸铁锂电池的外特性,建立了近似化程度高、结构相对简单、参数易于获取的动力电池等效电路模型。(3)采用扩展卡尔曼滤波算法估算动力电池的荷电状态,并进行了仿真验证。(4)完成了基于S3C2440处理器的电源管理系统硬件选型和PCB电路设计,并实现了设计功能。(5)完成了对电源管理系统的软件编程,实现了设计的功能。将设计开发的电源管理系统在实验室环境下进行测试,结果表明可以实现预期的功能,且精度和稳定性较高。

关键词： 磷酸铁锂蓄电池   开路电压   荷电状态   安时积分法   估算精度  

摘要： 随着世界能源短缺与环境污染的日益严重，节能环保的新能源电动汽车逐渐成为汽车行业的主要发展趋势。而磷酸铁锂蓄电池以其能量密度高、循环使用寿命长和绿色环保等诸多优点，逐渐成为应用最为广泛的电动车辆动力电池。开路电压(Open CircuitVoltage，OCV)是锂电池的一个极其重要的参数，它不仅能够提高电池模型的精度，而且对电池荷电状态（State of Charge，SOC）的精确估算具有重要的意义。本文围绕锂电池OCV特性研究及应用主要做了以下几个方面的工作:　　对现有的获取OCV-SOC特性曲线的方法进行研究与实验，提出了运用两条曲线来表示OCV-SOC特性关系的思想，采用基于静置实验的分段线性化方法获得了充电OCV-SOC特性曲线和放电OCV-SOC曲线，有效提高了OCV-SOC特性曲线的数字表达精度。　　通过局部脉冲充、放电实验对锂电池迟滞特性进行研究，建立了基于SOC状态的迟滞电压模型，运用基于最小二乘的非线性回归算法对不同工作状态下的模型参数进行辨识，辨识后的迟滞电压模型输出的最大误差仅为3mV，验证了基于SOC状态的迟滞电压模型的精确性。　　对传统的电池模型进行分析，在DP(Dual Polarization)模型的基础上建立了电池的二阶RC-H等效电路模型，通过辨识得到的参数构建了基于Matlab/Simscape的模型仿真系统，仿真模型输出的最大相对误差为2.4％，证明了二阶RC-H模型能够准确地表现电池的动态及静置特性。　　对传统的SOC估算方法进行分析，采用基于OCV校正的安时积分法对SOC进行估算，该方法通过精确的充、放电OCV-SOC特性曲线对SOC初值进行修正，能够有效的提高SOC的估算精度。

关键词： 磷酸铁锂   锂离子电池   表面活性剂  

摘要： 磷酸铁锂因稳定的橄榄石结构、资源丰富、价格便宜、安全、无污染,比容量高、电压平稳等优点,成为目前应用广泛的锂离子电池正极材料之一。本论文简要介绍磷酸铁锂结构、合成方法、物质性能和化学性能,对比不同表面活性剂对磷酸铁锂正极材料的电化学性能的影响。

关键词： 矿用运输车辆   磷酸铁锂电池   充电机   移相全桥软开关技术   控制策略  

摘要： 磷酸铁锂电池因具有环保无污染，比能量高，寿命长，耐高温，重量轻、体积小，可快速充放电等特性，成为目前公认的具有广阔应用前景的车辆动力电池。充电机作为电池的充电设备，其性能的好坏直接影响着电池的应用与寿命。因此，研究符合电池特性的充电机具有十分重要的意义。　　本文以磷酸铁锂电池组在矿用辅助运输车辆上的应用为出发点，对磷酸铁锂电池组的充电机进行研究与设计。采用60节磷酸铁锂电池串联成组，构成适用于满足矿用辅助运输车辆的220V锂电池动力电源系统。本文以研发小型化、轻量化、智能化、高效、稳定的充电机为目的，重点研究了移相全桥软开关技术与控制策略。　　具体的工作内容有:　　(1)对比研究了多种现有的充电方法，结合磷酸铁锂电池的充电特性，确定采用多阶段变电流间歇充电与SOC估计相结合的充电方法，对磷酸铁锂电池进行快速充电。通过对电池进行充电实验，获取了开路电压与SOC的关系。　　(2)根据充电机的功能要求，给出了充电机的整体结构框架与设计思路。　　(3)论文主要针对高频开关电路中，功率开关管损耗严重的问题进行了研究。通过对多种电路拓扑进行分析，确定采用滞后臂串联二极管的ZVZCS移相全桥变换电路，来降低开关管的开关损耗。利用Saber仿真软件对DC-DC变换电路进行仿真，验证了参数设计的合理性。　　(4)详细设计了控制电路的硬件部分，利用霍尔传感器对充电机的输出电压电流进行数据采集，利用DS18B20对单体电池的温度进行实时监测，利用芯片M57962L设计了PWM信号发生电路，最后设计了出现故障时，充电机的关断电路。　　(5)最后为了使系统达到良好的控制效果，先推出了充电机的等效电路，利用状态空间法对系统进行建模，推导出被控系统的传递函数。在分析了传统PID控制的基础上，针对系统的非线性、大时滞等特性的特点，对系统进行了模糊自适应PID的控制，通过Matlab/simulink仿真软件对控制系统进行了仿真。