关键词： 锂离子电池   正极材料   磷酸铁锂   碳材料   多元醇   纳米复合材料   电化学性能  

摘要： 目前，锂离子电池在社会生活中的应用越来越广泛，也必将对消费类电子产品市场、电动汽车与混合动力汽车市场产生更大的影响。作为锂离子电池正极材料，磷酸铁锂(LiFePO4)具有诸多优点，如在3.4-3.5 V附近有合适的平坦充放电平台、有高达170 mAh/g的理论比容量、环境友好、原料价格低廉、优异的热稳定性等。但是LiFePO4极低的本征电子电导率与锂离子扩散速率影响其电化学性能，进而阻碍其商业化应用。因此，提高LiFePO4的电子电导率与锂离子扩散速率成为了受到广泛关注的研究热点。\n 本论文利用一步简易的多元醇过程，在无后续热处理、无惰性气氛保护的低温条件下，成功地制备了多壁碳纳米管修饰后的LiFePO4纳米材料。碳纳米管嵌入或者穿过LiFePO4颗粒并彼此交错形成一个网络结构，这个导电网络能够显著地提高LiFePO4材料的电子电导率与锂离子扩散速率。与未经碳纳米管修饰的LiFePO4电极相比，LiFePO4与碳纳米管的复合物电极展示出优异的电化学性能。在室温下，以10 mA/g的电流密度进行充放电测试，其可逆比容量高达155 mAh/g。此外，LiFePO4与碳纳米管的复合物电极在各个倍率下循环100次后，容量保持率依然接近100％，说明在碳纳米管的修饰后，本实验中所制备的LiFePO4电极材料在循环过程中几乎没有容量衰减。\n 无定形碳与石墨烯共同修饰的LiFePO4纳米复合材料，也在本论文中通过多元醇还原法以及一步后续的热处理过程成功制备。复合材料中的石墨烯是主要碳源，而无定形碳的主要作用除了提高材料电导率外，还能提高石墨烯与LiFePO4颗粒之间的接触效率。实验最后所得的材料被证实是结晶良好的橄榄石型LiFePO4材料，其中存在的极少量杂相为Fe2P与FeP。通过SEM与TEM测试分析也可得知石墨烯片在样品中随机分布，使得LiFePO4材料呈现出一种开放式结构，以葡萄糖为碳源的无定形碳主要包覆在LiFePO4颗粒表面，高效地连接石墨烯片与LiFePO4材料，从而提高了电极中电荷传导过程的效率并最终获得了更优秀的电化学性能。无定形碳与石墨烯共同修饰的LiFePO4电极在前200次充放电循环过程中，比容量呈现出逐渐增加的特殊趋势，在10 C倍率下进行200次循环后，其可逆比容量依然高达97 mAh/g。\n 论文还在多元醇体系中成功制备了碳纳米管与石墨烯共同修饰的片状LiFePO4复合材料，并对其形貌与结构等性质进行了详细的表征与研究。碳纳米管从内部穿过片状LiFePO4颗粒，而石墨烯片则包覆着LiFePO4颗粒的外部表面。同时，碳纳米管与石墨烯片彼此交错连接，形成了一个内部与外部混合的高效3D导电网络，这个3D网络结构对改善LiFePO4电极的电化学性能起到了至关重要的作用。经碳纳米管与石墨烯修饰后的复合材料与未经修饰的LiFePO4材料，均呈现出结晶良好的橄榄石型结构。通过一系列的实验对比，发现复合材料电极的电化学性能较未经修饰的LiFePO4电极有显著的提高，在10 mA/g的电流密度下，能获得高达166 mAh/g的可逆比容量。此外，复合电极的循环性能也十分优异，在100次充放电循环后，其容量保持率仍然接近100％。

关键词： 磷酸铁锂   碳包覆薄膜   锂离子电池   正极材料   溶剂热合成   介晶材料   电化学性能  

摘要： 磷酸铁锂(LiFePO4)为新一代锂离子电池中最受关注的正极材料。随着小型电子电器、医疗器件以及大型存储设备、电动汽车等的快速发展，对微型锂离子薄膜电池和大型锂离子高功率电池的需求日益增大。针对磷酸铁锂正极材料本身电导率低下的问题，对高能量高功率的磷酸铁锂加碳薄膜和大面积多孔隙的磷酸铁锂介晶材料进行了制备与研究。\n 使用液相法制得的磷酸铁锂薄片晶体为原材料，通过滴落涂布法制备了高容量可调控的碳包覆LiFePO4薄膜。所制薄膜的厚度、碳含量、形貌以及组成原材料等均可以简单的通过更改滴落量、蔗糖水溶液的浓度和原材料的品种以及形貌来进行调控。薄膜中蔗糖热分解后生成的碳不仅作为导电剂而存在，也是保证锂离子电池薄膜材料稳定的至关重要的粘合剂，且对该薄膜材料的表观形貌、微观结构以及电化学性能有极大的影响。通过滴落涂布法制备的碳包覆LiFePO4/C薄膜材料可以直接装入电池使用，摒弃了传统方法中与导电剂和粘合剂混合的预处理过程。此滴落涂布法的优点在于:首先，蔗糖水溶液能够防止磷酸铁锂薄片材料的二次团聚，起到了很好的分散作用;其次，高温煅烧后，蔗糖热分解生成的碳能够均匀的包覆在磷酸铁锂薄片表面，形成了良好的导电包覆层;最后，多余的碳将已被均匀包覆的磷酸铁锂薄片材料互相连接起来，形成优良的导电网络结构，并将整个薄膜牢牢地固定在钛箔基体上面，完全摒弃了传统工艺中粘结剂的加入和使用。对不同碳含量的LiFePO4/C薄膜材料的电化学性能进行了研究，优化碳含量的最佳配比。所制得的碳包覆LiFePO4锂离子薄膜电池表现出了优异的锂离子脱嵌能力以及卓越的循环稳定性能，特别适合高能量高功率的锂离子薄膜微电池。此种种优异的电化学性能，都必须归功于该碳包覆LiFePO4薄膜材料的多孔结构、高比表面积、超薄的活性材料以及均匀的包覆碳层和导电网络。\n 在不使用任何添加剂或模板的情况下，采用溶剂热法成功制备了三维自组装分层结构的LiFePO4介晶材料。不同种类和不同比例的混合溶剂被用作溶剂热法合成的反应媒介，并通过改变混合溶剂的比例和反应物浓度，得到了由不同尺寸和形貌的磷酸铁锂微小结晶单元自组装而成的不同结构形状的LiFePO4介晶材料。研究了混合溶剂对LiFePO4介晶材料形貌和结晶度的影响，发现混合溶剂在LiFePO4介晶材料的合成与制备中起到了决定性作用并对LiFePO4介晶材料的形貌和组成单元的形成有至关重要的影响，不同比例的混合溶剂可以制得不同组成单元和不同形貌的LiFePO4介晶材料。对哑铃状和花状LiFePO4介晶材料的形成机理研究表明，LiFePO4介晶材料的形成可能遵循两个步骤:1）Li3PO4晶体的成核生长以及LiFePO4微小结晶单元的形成;2）由Li3PO4晶体向LiFePO4晶体进行物相转变并伴随着LiFePO4介晶微球的自组装过程;最后得到由纯相LiFePO4微小晶体组成的LiFePO4介晶材料。通过对比不同形貌LiFePO4介晶材料的电化学性能，得出，介晶微球颗粒和组成单元的尺寸在低倍率条件下对材料电化学性能有较大影响，但高倍率条件下影响不大。可以对所制得的LiFePO4介晶材料进行原位导电碳层包覆，包覆后，LiFePO4介晶材料的电化学性能有显著提高。在0.1C倍率下，哑铃状LiFePO4与LiFePO4/C介晶材料分别给出了140 mAh·g-1和143 mAh·g-1的高放电比容量;而花状LiFePO4与LiFePO4/C介晶材料分别给出了147mAh·g-1和161 mAh·g-1的高放电比容量。LiFePO4介晶材料具有的分层结构使得材料本身具有较高的孔隙率和较大的比表面积，加上良好结晶的纳米尺寸的组成单元，能够有效降低锂离子迁徙和转移的路径，从而有利于电化学性能的提高。

关键词： 锂离子电池   正极材料   共沉淀法   磷酸铁锂   碳包覆性能  

摘要： 橄榄石型结构的磷酸铁锂因其原料丰富、价格低廉、热稳定与可逆性好、安全性高、环境友好等优点而被视为未来最有发展前景的锂离子电池正极材料。然而由于磷酸铁锂自身电导率及锂离子扩散系数比较低,极大的影响了其电化学性能。近年来,研究者们在磷酸铁锂的合成工艺和改性方面均取得了丰硕的成果。本文在以往研究的基础上继续对磷酸铁锂的合成过程进行了研究,并对共沉淀法合成工艺的条件进行了优化研究。\n 本论文以LiOH、FeSO4、H3PO4为原料,采用共沉淀法制备了磷酸铁锂前驱体。为了在溶液里沉淀出等摩尔的Li3PO4与Fe3(PO4)2?8H2O前驱体混合物,研究了原料不同加料顺序、不同锂铁配比、不同陈化温度对制备前驱体的影响。电化学性能测试表明,将磷酸与氢氧化锂混合后,再加入硫酸亚铁溶液制备的前驱体焙烧后的产物具有最好的充放电比容量,分别为114.7mAh?g-1、114.5mAh?g-1;XRD测试结果表明,锂铁比为3:1时制备的产物为纯相LiFePO4;SEM测试结果表明,陈化温度为35℃时产物颗粒被碳包覆层紧密连接在一起,颗粒大小均一,呈圆球状;讨论了不同焙烧温度与焙烧时间对形成的产物电化学性能的影响,焙烧温度为650℃时,合成产物颗粒大小均一,粒径在600nm左右;充放电测试表明,当焙烧时间为12h时,产物具有最好的充放电比容量,分别为125.8mAh?g-1、126.5mAh?g-1。\n 为了提高磷酸铁锂的电导率,研究了碳源与碳含量对制备的产物的电化学性能的影响。电化学性能测试表明,当采用葡萄糖为碳源,前驱体掺碳量为15%时制备的产物具有最佳的充放电比容量,0.2C倍率的首次充放电比容量分别为122mAh?g-1、118mAh?g-1,效率为96.7%。对最优化条件下的产物进行了充放电测试,结果表明,0.5C、1C、2C倍率下的放电比容量分别为100mAh?g-1、89mAh?g-1、80mAh?g-1,同时也进行了循环伏安测试,形成的氧化峰与还原峰之间的峰电位差只有0.3V,六次循环后,所形成的氧化峰与还原峰几乎完全重合,表明该条件下制备的产物具有优异的稳定性与循环可逆性。

关键词： 锂离子电池   正极材料   磷酸铁锂   第一性原理   化学掺杂  

摘要： LiFePO4是近年来新开发的锂离子电池正极材料，具有放电平台高、电化学性能好、循环性能强以及能量密度大等优点，此外，LiFePO4原材料丰富且经济、环保，是比较理想的锂离子电池正极材料。但是LiFePO4特殊“之”字状结构，会降低本征材料的导电性。磷氧四面体连接着锂离子的2个面，也会极大限制了锂离子的嵌入和脱出，使LiFePO4具有极低的电子导电率和离子扩散率。\n 本文针对锂离子电池正极材料 LiFePO4极低的电子导电率和离子扩散速率对其商业化应用的限制，采用密度泛函理论的第一性原理计算方法研究了 LiFePO4材料的电导性和锂离子的扩散性能，考察了Fe位单掺杂、Fe位双掺杂以及Li位掺杂对其导电率和扩散速率的影响。结果表明：\n LiFePO4本征材料的带隙为0.641eV，为典型的半导体；锂离子扩散势垒为0.412eV，该计算结果与文献中理论和实验值相符合。运用第一性原理方法计算了Fe位掺杂一系列浓度（0.25、0.5、0.75）的过渡金属Mn，研究杂质浓度对LiFePO4电子结构和离子扩散性能的影响，结果表明当掺杂Mn的浓度为0.25时，材料具有的带隙值为0.383eV，扩散势垒为0.385eV，带隙和扩散势垒都达到最低。Fe位单掺杂体系 LiFe0.75M0.25PO4（M=Cu、Ni、Co、Mo、Nb）、Fe位双掺杂体系LiFe0.75M0.125Mn0.125PO4（M=Co、V、Mo）和Li位掺杂体系Li0.75M0.25FePO4（Na、K）三种掺杂模型的能带结构、态密度图，表明这三种掺杂方式的带隙都小于本征材料 LiFePO4的带隙值，导电性均有所提高。扩散势垒的计算结果表明：Fe位单掺杂Cu、Mo后扩散势垒均低于LiFePO4，有利于锂离子的扩散，这两种掺杂物有利于材料的改性；Fe位双掺杂后，锂离子的扩散势垒在掺杂中的达到最小值，不仅利于材料导电性的提高，还有助于锂离子的扩散，该掺杂方式对LiFePO4的改性是最有利的；Li位掺杂金属原子后扩散势垒相当LiFePO4增加了，表明Li位掺杂离子，不利于锂离子的扩散，不利于材料的改性。

关键词： 正极材料   磷酸铁锂   超临界二氧化碳   锂离子电池   合成改性   电化学性能   水热法  

摘要： 橄榄石型磷酸铁锂(Lithium Iron Phosphate，LiFePO4)因理论比容量高、价格低廉、对环境友好、循环性能优良、安全性能突出等优点而被认为是最具开发和应用潜力的新一代锂离子电池正极材料。但是纯LiFePO4因离子电导率极低而造成可逆容量低、大电流充放电性能差。针对这种情况人们尝试采取减小材料颗粒尺寸、添加导电剂、掺杂金属离子等措施来改善LiFePO4的性能，目前取得了一定的进展。\n LiFePO4的电化学性能与其形貌有密切的关系。本文通过水热法合成了一系列LiFePO4正极材料，探索不同的制备条件对LiFePO4的粒径、形貌、振实密度的影响，以及对电化学性能的影响。主要内容包括以下三个方面:\n 1，水热法制备LiFePO4的过程中，通过蔗糖进行改性，获得一系列多级结构微米球LiFePO4正极材料。这种微米球结构的制备过程中采用一系列磷酸的酸式铵盐代替磷酸，并且反应条件温和。最后，通过XRD、SEM、振实密度测试分析其纯度、形貌以及振实密度，并且在组装电池后进行电化学性能测试。这种多级结构微米球LiFePO4正极材料在0.1 C的放电容量约为150 mAh/g。同时，对这种多级结构微米球LiFePO4正极材料进行充放电循环100次之后，其容量保持率超过95％。振实密度均超过1.3 g/cm3。实验证明，这种多级结构微米球结构的电化学性能远远高于普通形貌结构的正极材料，因而，含有这种正极材料的锂离子电池具有优良的充放电性能。\n 2，采用水热法制备了LiFePO4样品，并用超临界二氧化碳(supercritical carbondioxide，scCO2)对其进行处理。发现scCO2可以很大程度上改变材料颗粒的形貌。对于scCO2的处理，其作用主要有三个方面:a）可以将团聚的颗粒打散。打散后的颗粒可以增大正极材料与电解液的接触度，使得锂离子的扩散更通畅，从而提升了锂电池的性能;b）scCO2处理可以对材料进行清洁。原始水热法生成的材料表面包覆着许多非晶状态的物质，它们在电极内部阻挡了锂离子的扩散过程。而scCO2处理过程有效的清除掉这些非晶态物质，从而增大了锂离子的迁移率，最终提升了锂电池的性能;c）scCO2处理也是一种获得多孔材料的有效手段。通过调节scCO2处理的各项参数（包括压强和时间），最终使其对LiFePO4内部进行腐蚀从而得到了海绵状的多孔结构。这种多孔结构使正极材料与电解液有了更大的接触面积，同时也增加了材料的离子扩散率，从而提升了锂电池的性能。\n 3，本论文针对正极材料LiFePO4提出了锂离子在电极中离子迁移的方形模型。对于方形模型的建立，它与传统的球形模型有着本质的区别。球形模型对材料形貌的简化使得这种全对称的形状不能很好地表达实际材料的形貌特征。该方形模型基于平行四边形结构的LiFePO4而建立。对于LiFePO4而言，使用方形模型与实际合成的LiFePO4形状更加接近，而且可以很好的体现锂离子在嵌入-脱出过程中，面、角、棱结构之间的差异。这对于更真实地模拟材料电化学性能是非常有利的。建模过程中，也对复杂的电池内部环境做了优化。通过模型的计算得出了锂离子在电极内部的迁移过程特性，证明了锂离子的迁移随材料位置的不同而不同。同时，正极材料的对称性决定锂离子电池充放电平台的稳定性。锂离子的扩散速率在棱角处大于面中心。

关键词： 锂离子电池   正极材料   磷酸铁锂  

摘要： LiFePO4是最近几年来被广泛关注的锂离子电池正极材料,经过十余年的研究,LiFePO4的合成、改性、应用均取得了实质性进展,该材料已进入实用化阶段。LiFePO4具有比容量高(170 mAh/g),环境相容性好,原料丰富,循环性能好,充放电平台稳定等优点,因此该材料非常适合于对安全性、循环寿命、使用成本等敏感的大型电池应用领域,比如混合动力汽车(HEV)和纯电动汽车(EV)领域。概括了LiFePO4的晶体结构,充放电机理和主要的改性手段,介绍了这种新型锂离子正极材料的研究进展。

关键词： 锂离子电池   磷酸铁锂   磷酸铁   沉淀法   水热合成法   电化学性能   正极材料  

摘要： 锂离子电池是第三代可充二次电池，因具有工作电压高、比容量较高、循环寿命长、对环境污染小等特点，近年来成为化学电源领域的研究热点，具有广阔的应用前景。相对于Ni-Cd、Ni-MH及铅酸电池这类传统的二次电池来说，锂离子电池具有不可比拟的优点。\n 但目前锂离子电池还存在成本过高、安全性较差、功率密度低等不足，这些都限制了锂离子电池尤其是动力锂离子电池的广泛应用。其中起着决定性作用的是正极材料，它不仅影响着锂离子电池的成本，而且还决定了电池的总体性能。因此，对正极材料的研究是其中的关键。\n 传统的锂离子电池正极材料在价格、安全性、循环性能等方面存在着缺陷，例如钴酸锂安全性能差、价格昂贵且有毒，镍酸锂制备困难、安全性差，锰酸锂循环稳定性差、容量衰减快。橄榄石型结构的磷酸铁锂(LiFePO4)以原料来源广泛、比容量高、价格低廉、对环境污染小、循环稳定性好、安全性高等优点，受到全球学术界和产业界的极大关注。\n 传统的高温固相法制备LiFePO4正极材料的铁源一般为有机二价铁，如草酸亚铁、乙酸亚铁等，但二价铁源成本较高，因此，近年来的研究逐渐转向成本低廉的三价铁源，如磷酸铁、氧化铁(Fe2O3)等。\n 近几年，以磷酸铁为原料的碳热还原法制备磷酸铁锂工艺得到了广泛的应用。碳热还原法是用含三价铁的试剂作为铁源，将过量的碳源加入反应物与之充分混合，在高温下将三价铁还原为二价铁，制备得到产物。磷酸铁路线的主要优点是工艺过程简单容易控制，可以通过对原材料的有效控制来有效提高产品的批次稳定性。此法可应用于大规模生产中，是一种实用的技术路线。\n 在用磷酸铁为原料制备磷酸铁锂的过程中，磷酸铁的结构及形貌对磷酸铁锂产品的性能有很大的影响，不同的磷酸铁原料合成出的磷酸铁锂电化学性能相差非常大。\n 本研究以磷酸铁为主要研究对象，通过改变原料、制备方法及合成条件来制备形貌、粒径及结构可控的磷酸铁，最后用碳热还原法以自制的磷酸铁为前驱体合成磷酸铁锂正极材料，找出磷酸铁合成的各种条件对制备的磷酸铁锂电化学性能的影响规律，确定最佳的磷酸铁合成工艺。\n 本文分别采用沉淀法和水热合成法合成磷酸铁，再用合成的磷酸铁制备磷酸铁锂，通过对磷酸铁和磷酸铁锂材料的测试，得到以下结论:\n (1)当以沉淀法合成磷酸铁时，合成的磷酸铁含有2分子的水，即合成的磷酸铁产物为FePO4·2H2O，而且磷酸铁产物具有较高的纯度，颗粒是由几十至数百纳米的一次颗粒团聚而成的，形貌不规则。制备出的磷酸铁锂是橄榄石结构的磷酸铁锂，物相均一。以硫酸亚铁为铁源时合成的磷酸铁粒径较小，表面较光滑，结构疏松，密度较小，颗粒大小在1-3μm之间，且随着反应温度的升高，磷酸铁的粒径逐渐变大;随着pH的增加，磷酸铁的粒径变大。在pH为1.5时，55℃下合成的磷酸铁制备的磷酸铁锂0.2 C倍率下的放电比容量最高，达到141.4 mAh/g，而40℃下合成的磷酸铁制备的磷酸铁锂5C倍率下的放电比容量最高，达到55.2 mAh/g。在pH为2.0时，40℃下合成的磷酸铁制备的磷酸铁锂在0.2C和5C倍率下的放电比容量均最高，分别为148.6 mAh/g和52.3 mAh/g。以硝酸铁为铁源时合成的磷酸铁粒径较大，分布也不均匀，表面较粗糙，粒径在15μm左右。在pH为1.5的条件下，70℃下合成的磷酸铁制备的磷酸铁锂0.2 C倍率下的放电比容量最高，达到109.8 mAh/g，而55℃下合成的磷酸铁制备的磷酸铁锂5C倍率下的放电比容量最高，达到58.9 mAh/g。\n 总之，磷酸铁形貌不规则，颗粒是由几十至数百纳米的一次颗粒团聚而成的。随着温度的升高，pH的增大，颗粒粒径变大，制备出的磷酸铁锂性能有变差的趋势。总体上磷酸铁锂在低的充放电倍率下有着较高的容量，但其倍率性能不理想。\n (2)以水热合成法合成磷酸铁时，磷酸铁颗粒界限明显，分散性好。当温度越高，水热时间越长，磷酸铁结晶性越好。以硫酸亚铁为铁源时合成的磷酸铁为斜方晶系FePO4·2H2O，其中含有一定量的Fe2(NH4)(OH)(PO4)2·2H2O、FeH2P3O10·H2O、Fe(H2PO4)3等杂质，且空间群为P21/n的单斜晶系杂质Fe2(NH4)(OH)(PO4)2·2H2O相对含量较高;以硝酸铁为铁源时合成的磷酸铁既含有斜方晶系的FePO4·2H2O，也有单斜晶系的FePO4·2H2O，还含有其他一些铁磷化合物杂质，当水热温度升高时，斜方晶系的Fe5(PO4)4(OH)3·2H2O的杂质含量也随之升高。以硫酸亚铁为铁源时合成的磷酸铁颗粒粒径较大，平均粒度在10-15μm之间，粒度分布均匀;以硝酸铁为铁源时合成的磷酸铁粒径相对较小，在6μm左右，但粒度分布不均匀，分布范围较宽。使用

关键词： 锂离子电池   正极材料   制备工艺   磷酸铁锂   改性处理  

摘要： LiFePO4正极材料具有比容量高、循环寿命长、热稳定性好、环境友好、原材料来源丰富等优点，被认为是锂离子动力电池最佳候选材料之一。但该材料电导率低、离子扩散系数小，导致其在大电流放电时容量衰减较大、倍率性能差，制约了其在动力电池领域的应用。使用导电添加剂是一种很有效的解决方法。碳纳米管(Carbon Nanotubes，CNTs)具有电导率高、强度高、长径比大等特突出优点，是可以用来取代传统的碳黑(CB)或石墨的优良的导电添加剂。\n 利用TG-DSC、XRD、SEM、粒度分析、BET、CV、EIS以及恒流充放电测试等分析方法和正交实验系统地研究高温固相合成过程中的各项工艺参数:球磨混料时间、焙烧温度、焙烧时间、碳源和掺碳量对橄榄石型LiFePO4的晶体结构、表面形貌以及电化学性能的影响。通过正交实验确定出高温固相法制备高性能LiFePO4正极材料的最佳工艺条件为:球磨时间2h、焙烧温度700℃、焙烧时间8h、掺碳量3wt.％。其它因素:碳源使用柠檬酸，保护气流量10mL·min-1。在最工艺条件下合成的样品在1C充放电条件下初始充放电曲线相对比较平坦，放电电压平台中值电压为3.36V，放电比容量为149.06mAh·g-1，库仑效率为98.1％。循环性能得到有效的改善，50次循环容量无明显衰减，充放电库仑效率较为稳定。\n 在完成单因素实验的基础上确定影响LiFePO4工作电极的因素及水平。并通过L33(9)正交实验的极差分析可知，影响磷酸铁锂工作电极屯化学性能的主要因素次序为:0.1和10C倍率下，活性物质含量＞粘结剂用量＞分散剂含量;1C倍率下，粘结剂用量＞活性物质含量＞分散剂用量。最后确定了LiFePO4工作电极的最佳制作工艺为:在0.1C倍率下，活性物质、导电剂、粘结剂和分散剂的最佳质量百分比为90∶5.5∶4∶0.5;1C倍率下为85∶10.2∶4∶0.8;10C倍率下为80∶13.5∶6∶0.5。\n 根据10C倍率放电的最佳电极制作工艺:活性物质，粘结剂，分散剂和导电乙炔黑配比为80∶6∶0.5∶13.5，制作的LiFePO4/C-CNTs样品电极，其在1C充电10C放电倍率下，1000周循环后容量保持率大于95％。

关键词： 电动汽车   磷酸铁锂动力电池   径向基函数神经网络   电池电量检测仪表  

摘要： 近年来，全球环境恶化现象愈演愈烈，影响着人们的生产与生活，带来诸多不便，大气污染是其中一个主要方面，而汽车尾气的排放是大气污染的一个重要原因。节能环保型汽车的研发是当今汽车工业的重点工作及未来趋势。电动汽车因为缓解了交通对于石油资源的依赖，已成为目前汽车行业的重点发展对象并占有了越来越多的市场份额。电动汽车发展的一项关键技术是高效、节能、安全、环保的动力电池的研制。磷酸铁锂锂离子电池因其自身的优点，已经成为许多电动汽车的能源供给。优秀的电池管理系统首先需要能够较好地估算电池荷电状态（StageOfCharge，SOC），才能有效地提高电池使用效率，延长电池寿命。\n 本课题来源于企业委托项目——电池电量检测及显示系统的研究与设计。具体内容包括系统的硬件设计及制作，以及完成该系统的软件算法程序。本文通过对电动汽车动力电池的性能要求，磷酸铁锂电池的性能及优点，电流、温度、老化情况等对电池性能的影响等多方面的统筹考虑，结合了对目前电动汽车发展现状及国、内外主要使用的SOC估算方法的分析，提出了使用径向基函数神经网络(RadialBasisFunction，RBF)算法进行磷酸铁锂动力电池的SOC估算。该算法具有较快的网络学习收敛速度，并且能够逼近动力电池电量变化过程中的复杂的非线性规律。\n 在此基础上，本文从硬件、软件角度建立了动力电池电量检测及显示系统。该硬件系统是由数据采集、数据处理、单片机控制、LED显示，另外还包括对外通讯接口、数据存储、电路保护等模块组成。功能是实现对电池电压、充放电电流、温度的在线检测，对输入模拟信号向数字信号的转换，RBF神经网络算法的实现，结果的实时显示以及系统的保护等工作。以完成对电动汽车动力电池剩余电量的较准确的估计及实时显示。我们通过ADVISOR软件进行电动汽车磷酸铁锂动力电池在不同工况下的仿真实验，结果表明利用RBF神经网络进行电池SOC估算取得了较好的结果。

关键词： 插电式   混合动力汽车   能量存储系统   磷酸铁锂电池   混沌控制  

摘要： 插电式混合动力汽车结合了电动汽车和普通混合动力汽车的优点，兼顾经济性和续驶里程性能。混合能量存储技术是插电式混合动力汽车的关键技术之一，在现有电池技术不能兼顾能量密度和功率密度性能的情况下，利用超级电容功率密度高和循环寿命长的优点，与磷酸铁锂电池组成混合能量存储系统，从而满足插电式混合动力汽车对储能系统的要求。\n 本文基于一种插电式混合动力汽车四驱方案，根据整车设计目标，在选定发动机的情况上，匹配电机、匹配变速箱和主减速器等零部件参数。在AVL Cruise平台建立整车模型，对整车的动力性和经济性进行仿真，从整车的设计角度，确定整车对混合能量存储系统的需求，优化设计由超级电容和磷酸铁锂电池组成的混合能量存储系统。本文研究了不同温度下超级电容和磷酸铁锂电池性能，双向直流变换器在混合能量存储系统应用中的控制技术和混合能量存储系统的能量控制策略，进行了混合能量存储系统理论建模、系统仿真和实验验证。\n 磷酸铁锂电池采用了频域建模和时域建模的方法。在频率域建模中确定等效电路模型结构，而基于时域的实验数据辨识模型的参数。与45℃相比，25℃下磷酸铁锂电池的放电量降低了2.8%，等效串联内阻增加了65%，最大放电功率降低了40%，5℃下放电量降低了16.4%，等效串联内阻增加了240%，最大放电功率降低了70%。\n 针对混合能量存储系统中双向直流变换器在超级电容电压和电池电压范围内工作时出现的分岔和混沌这些不稳定现象，采用带扩展状态跟踪补偿器的峰值电流控制，通过稳定性理论分析，重新配置特征根分布。仿真结果表明带扩展状态跟踪补偿器的峰值电流控制的可行性。另外，将模糊逻辑与PI控制结合应用于直流变换器的控制，改善直流变换器在混合能量存储系统应用中宽工作电压范围内的动态响应速度。\n 由于高频功率和峰值功率需求影响电池寿命，能量控制策略利用具有多尺度分析功能的小波变换算法，减轻高频功率和峰值功率需求对电池的影响。分析电池、超级电容和直流变换器的效率，提出超级电容电压管理和能量管理规则，仿真结果表明了在混合能量存储系统中，对电池功率需求的波形得到了改善，混合能量存储系统能量效率提高了。\n 通过实验验证磷酸铁锂电池组模型和超级电容模型。根据获得的电池模型，采用扩展卡尔曼滤波算法估计电池SOC，结果表明存在电池SOC初始偏差的情况下，电池SOC估计值与实际值的误差快速缩小，最终收敛到电池SOC实际值。\n 直流变换器的实验展示直流变换器在升压模式和降压模式都能稳定工作，在升压模式和降压模式之间稳定切换。搭建了混合能量存储系统实验台架，实验验证了本文的混合能量存储系统方案在峰值功率需求的情况下，通过控制直流变换器，超级电容能快速介入，与电池协同工作，减轻峰值功率对电池的压力，限制电池的最大功率。