关键词： 废旧磷酸铁锂电池正负极粉末   浸出   铁、磷回收  

摘要： 目前，实际工业生产中的废旧磷酸铁锂电池回收以湿法选择性提锂工艺为主流，存在提锂后FePO4黑渣再利用困难、产品附加值低的问题。针对以上情况，以废旧磷酸铁锂电池正负极粉末为原料，采用全浸出工艺浸取有价元素；浸出液通过还原置换法与化学沉淀法除去主要的杂质元素Cu与Al，再通过进一步调控pH使Fe2+和PO43-结合形成Fe3（PO4）2沉淀，并作为原料再生FePO4。研究结果表明，在液固质量比为3，浸出温度为80℃，浸出时间为150 min，硫酸用量过量15%的浸出条件下，Fe、P、Li的浸出率分别达到95.35%、96.31%、96.44%，浸出效果良好；将还原后浸出液的pH升高至3.2，可以除去97.21%的Al；调节除Al后净化液的pH至5.5，得到Fe3（PO4）2沉淀，其中w（Al）≤50 mg/kg，以该沉淀为原料制备的无水磷酸铁产品相关指标满足HG/T 4701—2021要求。

关键词： 厚电极   静电纺丝   原位聚合   固态电解质   磷酸铁锂  

摘要： 在高科技和信息化的快速发展趋势下,能源危机给人们带来了巨大的挑战。广大研究者正致力于寻求绿色、可持续、高能量密度的储能技术,以应对远程电动汽车、便携式电子设备、电网储能应用等快速增长的需求。锂离子电池是目前发展最为快速的商业化电池,以其高能量密度、长循环寿命和无记忆效应等优点在学术研究和工业应用中备受青睐。然而,随着科技的不断进步和应用领域的扩展,关于如何进一步提升电池能量密度的研究变得尤为重要,并已成为当前学术界和工业界的重点关注问题。为此,研究者们致力于探索新型电极材料、优化电池结构、提高电解质性能等多个方面,以期实现锂离子电池能量密度的跨越式提升。 构建厚电极是目前提升电池能量密度行之有效的办法之一,设计思路是通过调配电极结构,增加电极厚度的同时使其匹配更多的活性物质。近年来,厚电极电池工程受到广大研究人员的重视,已有大量的研究证实了这一想法的可行性,并被广泛应用于锂离子电池、钠离子电池、锂硫电池等电池设备中。本文基于对材料电极结构设计,从锂离子传输通道、构建自支撑集流体骨架、解决电极/电解质界面接触等问题出发,设计合成了磷酸铁锂/聚合物电解质一体化厚电极,具体研究内容如下: （1）利用离子液体辅助静电纺丝技术,对制备厚电极最佳实验条件进行探究。首先,通过对比三种不同聚合物浓度下制备的复合碳纤维的结构以及电化学性能,发现当聚合物浓度为8%时所制备的材料形貌完整、性能良好;其次,探究三种不同比例下的反应物用量对材料合成以及电化学性能的影响,经对比XRD图谱和电化学性能测试,选取原料比Li:Fe:P=1.1:1:1作为最佳制备条件。最后,添加40 mg的碳纳米管为增加自支撑极片的机械强度与导电性,通过将极片通过物理混压的方式,成功制备出具有较高活性负载（4.25 mg/cm2）的三维自支撑正极片,将其应用于纽扣电池后展现了良好的倍率性能和优异的电荷转移能力。 （2）传统固态电解质制备方法（溶液浇铸法）与厚电极结合方式存在严重的界面问题。为此,我们通过在电极内部原位聚合制备固态电解质,可以明显改善这一现象。之后,对电解质进行流动性测试、红外测试等表征研究了聚合前后电解质中功能团的变化;通过将聚合物电解质组装成不锈钢/不锈钢对称电池,得到该电解质在室温下的电导率为1.373×10-4 S cm-1,满足室温下应用的条件;通过组装不锈钢/Li非对称电池,发现该电解质具有较良好的耐高压性。将其分别应用于溶胶凝胶法制备的传统极片和第三章制备的磷酸铁锂/碳纳米管/碳纤维正极中,结果显示出与自支撑电极结合形成的一体化电极,经纽扣电池组装后的表现出良好的倍率性能。并且,以2 C的倍率下进行2000圈循环测试后容量保持率为起始容量的77%,与传统一体化极片相比显现出优异的大倍率下稳定循环能力。

关键词： 锂离子电池   液体冷却   流道设计   多目标优化   时间响应方案  

摘要： 锂离子电池作为一种重要的可充电电池,因其高能量密度和轻量化等特性被广泛应用于电动汽车、便携设备等领域。然而,锂离子电池在工作过程中会产生大量的热,长时间运行在高温环境下将对电池性能和寿命构成潜在威胁。因此,开发高效的热管理系统,使电池工作在合理的温度范围内尤为重要。本文将磷酸铁锂电池的冷却板结构作为研究重点,对不同工况下电池的温度和温差进行了仿真分析,主要工作内容如下: (1)深入分析了锂离子电池的工作原理和生热传热特性,使用Fluent建立磷酸铁锂单体电池的热模型。针对单体电池引入了斜通道冷却板,将温度控制在安全范围以下,并分析了通道夹角、冷却液进口流速和放电倍率对电池温度的影响。结果发现,通道夹角越大,电池温度和温差越低;电池放电倍率增大时,需要增加冷却液进口流速才能确保电池温度在安全范围内。电池以2C倍率放电时,冷却液进口流速最佳选择为0.15 m/s,而在3C放电时,进口流速不能低于0.35 m/s,才能确保电池在安全范围内。 (2)在并行斜通道冷却板的基础上,对磷酸铁锂电池模组引入了蜘蛛网型通道冷却板。首先,根据冷却液流向不同设计了四种方案,结果表明,采用方案4即进出口交叉布置的冷却板能显著提升电池的温度均匀性。其次,考察了初始条件对换热能力和冷却效果的影响,结果显示,减小流道夹角可以增强换热能力,但会导致电池最高温度和最大温差增加,从而减弱冷却效果;增加流道数对换热能力的影响较小,但会增强冷却效果;增加流道宽度有助于降低电池最高温度和最大温差,但降低趋势逐渐减弱;增加进口流速同样能够降低电池最高温度和温差,但当流速增加至一定程度时,降温效果逐渐减缓,反而导致冷却液压降增大,从而增加功耗。 (3)为了综合评价多因素的影响,利用正交试验对影响因素的重要程度进行排序,结果发现进口流速对评价指标的影响最大,其次是通道宽度和通道数,而通道夹角的影响最小。在通道夹角固定为75°的情况下,利用最小二乘法拟合了评价指标关于通道数、通道宽度和进口速度的方程,通过NSGA-Ⅱ遗传算法得到pareto最优解集,在解集密集度较高的区间选择出最优方案为:通道数为7、通道宽度为4.5 mm、进口速度为0.18 m/s。最后,从节省能耗的角度,设计出冷却系统时间响应方案,这一创新设计考虑到了系统能耗和电池性能的双重平衡,为未来电动汽车的发展提供了实质性的参考。

关键词： 锂离子电池   外短路故障   电池老化   热安全  

摘要： 作为电滥用的一种表现形式,外短路故障相较其他滥用工况而言出现概率低。但外短路故障可以使电池在短时间内迅速升温,这也是可能导致电池出现故障和发生热失控的原因之一。电池在多因素作用下触发外短路故障后,电池可能未失效并且继续投入使用。而短路电池的安全问题可能会影响民航领域中电池的进一步应用及发展。本文聚焦外短路故障对电池性能及安全的影响及内在作用机制,通过开展短路电池的热安全实验,结合电池的电化学特性变化,对短路电池的安全性进行分析研究,为民航领域中疑似短路电池的使用、评估、防范提供实验支撑和理论依据。 本研究选取磷酸铁锂软包电池作为研究对象,在室温环境下开展电池外短路故障实验,针对不同短路工况下锂离子电池性能及安全的变化机制开展研究,并基于短路电池的相关实验数据建立不同短路工况下电池的热安全评估方法。实验结果表明:（1）电池遭遇外短路故障后,容量衰减量会随着短路时长的增加而增大,这是由于短路时长增加,沉积在阳极表面的Li含量增加。但沉积在阳极表面的Li+会通过电化学反应缓慢参与到电池充放电循环过程中,电池容量在循环过程中会逐渐爬升。短路电池的热安全性会随短路时长的增加而降低,并且不同短路时长下的电池热失控触发时间均快于正常电池。（2）随着短路次数的增加,电池容量衰减量减小,电池健康状况呈现回升的变化趋势。并且随着短路次数的增加,在循环过程中电池容量会迅速恢复而后稳定在一定范围。短路次数的增加会对电池内部材料和电解液起到活化作用,促使电池内沉积的Li更迅速地参与到电池充放电循环过程中。此外,短路次数的增加会加剧电池内材料结构的损伤程度,导致电池热失控起始温度下降,排气至排烟的时间间隔减小。（3）基于随机森林模型建立短路电池热安全评估方法。从实验数据中选取参数来构建数据集。通过特征工程优化数据集,并以遗传算法优化随机森林回归预测模型。训练集与测试集的R均在0.9以上,表明模型具备良好的预测性能。而在对其他短路工况数据进行预测时,具备一定预测能力,但受限于多方面因素,存在提升空间。