关键词： 导电添加剂   磷酸铁锂   导电炭黑   碳纤维   石墨烯  

摘要： 碳材料凭借其高导电性和高稳定性被用作锂离子电池导电添加剂,成为重要组成部分,对电池的性能有重要影响。本文以磷酸铁锂（Li Fe PO4,LFP）为活性物质构筑电极,探究了不同尺寸炭黑（SP）导电剂对电极导电性和电化学性能的影响。在此基础上将导电炭黑与新型导电剂碳纤维（VGCF）和石墨烯（GN）对比,观察不同种类导电剂对LFP电极电化学性能的影响。最后,将SP、VGCF和GN三种碳材料进行二元复合作为LFP电极的导电剂,并探讨了复合导电剂对电极性能的影响,该研究为企业实际生产过程导电剂选型提供参考。首先,对比了石墨化度和缺陷程度相当的平均粒径为68 nm和50 nm的两种导电炭黑SP（分别命名为JSP和XSP）对LFP电极性能的影响。发现添加JSP的磷酸铁锂正极材料（LFP-JSP）的比容量为136.1m Ah·g-1,其容量保持率为99.5%。而添加XSP导电剂的磷酸铁锂正极材料（LFP-XSP）具有更高的放电比容量和更好的循环稳定性(经100次充放电循环后,LFP-XSP的放电比容量为138.8m Ah·g-1,容量保持率为99.8%)。这主要归功于小颗粒的XSP具有更高的比表面积,增加了导电剂与活性物质的接触位点,降低了电极电阻。然而,SP颗粒尺寸对电极压实密度有影响,小颗粒的XSP与电极材料间的接触位点较多不利于电极高压实密度的实现,进而影响电池体积能量密度的发挥。其次,对比不同结构导电剂对磷酸铁锂电极性能的影响。研究发现,颗粒状导电剂SP在电极材料中分布不均匀,且颗粒间的点接触方式产生较大的接触电阻,因此SP对电极的导电率提升效果不明显。而一维线形VGCF和二维片状GN将LFP粒子连接形成连续的导电网络,有利于电子的传输,因而能更显著地提高电极的导电率（添加SP、VGCF和GN导电剂的电极分别命名为LFP-SP、LFP-VGCF和LFP-GN）。LFP-VGCF和LFP-GN两种电极体系在1 C倍率100次循环后氧化还原峰电压差分别为0.5 V和0.273 V,极化电压小于LFP-SP电极体系（0.686 V）。证明VGCF和GN导电剂对LFP电极电化学反应活性有更有效的提升。最后,分别在LFP中加入SP-VGCF、SP-GN和VGCF-G复合导电剂制备成LFP电极（分别命名为LFP-SV、LFP-SG和LFP-VG）,研究复合导电剂对LFP电极电化学性能的影响。结果表明,三种复合导电剂电极体系的电阻率皆优于添加单一导电剂的电极体系（LFP-SP、LFP-VGCF、LFP-GN电极体系电阻率分别为275Ωcm、263Ωcm和188Ωcm）,以至于低倍率下的放电比容量明显提升,但高倍率下的放电性能无明显差异。其中,VGCF导电剂和GN导电剂制备的LFP电极电阻率最低,1.8 g·cm-3压实密度下仅44.7Ωcm,优异的复合导电网络使得LFP-VG电极电阻率明显低于LFP-SV电极电阻率和LFP-SG电极电阻率（分别为230.3Ωcm和184.4Ωcm）。1 C倍率下,LFP-SG、LFP-SV和LFP-VG在100次循环后的放电比容量分别为139.9 m Ah·g-1、140.8 m Ah·g-1和144.2 m Ah·g-1,均高于LFP-SP、LFP-VGCF和LFP-GN单导电剂电极体系1 C下的放电比容量(分别为135.2 m Ah·g-1、137 m Ah·g-1和135.8 m Ah·g-1)。证明复合导电剂之间的协同作用有利于提高电极电导率,进而获得更好的电化学性能。

关键词： 浮选分离   LFPs电极材料   石墨电极材料   表面特性解析   浮选抑制剂   界面作用机理  

摘要： 磷酸铁锂电池因其价格低、循环寿命长等优势,被广泛应用于汽车动力电池系统,自2018年起我国开始进入动力电池大规模退役阶段。不论从资源节约还是经济角度考虑,深入研究电池回收技术的必要性和紧迫性日益凸显。本文以废旧磷酸铁锂电池的绿色、安全、高效处置及有价组分的经济提取和分离等一系列关键问题为出发点,通过解析磷酸铁锂电极材料(LFPs)和石墨电极活性材料的表面特性,利用界面组装手段和浮选药剂的精准适配来调控LFPs和石墨的界面亲疏水性,阐明了在浮选分离过程中药剂分子的迁移行为特征以及微细粒石墨和LFPs的选择性抑制机理,揭示了微细粒LFPs和石墨的精细化分离调控机制,有望为废旧磷酸铁锂电池的绿色高效回收提供一种新的思路和方法。本论文主要围绕废旧磷酸铁锂电池主要组成部分LFPs和石墨电极活性材料的浮选分离、分离机理等方面开展了基础理论研究,主要研究结论如下:(1)在LFPs制备过程中,其表面被包覆上一层无定型碳,这使得LFPs和石墨的表面特性趋于同质化,从而提高了二者浮选分离的精细度要求,增加了浮选分离的难度。通过对LFPs和石墨进行表面特性解析发现,两者表面碳层结构和微观组成存在较大差异。石墨晶体具有高度的有序性,由多层石墨骨架形成,而LFPs表面的碳层为无定形碳,晶体有序度较低,并未以完全的多层石墨骨架的形式排列。LFPs表面具有更多的表面活性位点和复杂的空间结构。(2)本研究详细研究了p H、起泡剂用量、捕收剂用量、抑制剂种类和用量对磷酸铁锂电池电极材料主要组成成分石墨和LFPs纯原料浮选分离行为的影响。实验结果表明,在不添加抑制剂的最佳分离条件下,泡沫产品中LFPs和石墨的回收率分别为24.80%和98.41%。氧化还原类抑制剂、有机酸类抑制剂和多糖类抑制剂对石墨和LFPs的浮选分离产生不同影响。CMC可以作为LFPs和石墨分离有效的浮选抑制剂,为废旧磷酸铁锂电池电极材料的高效浮选分离提供了可能。(3)固定LFPs和石墨配比为1:1,在捕收剂正十二烷用量为15mg/L,起泡剂MIBC用量为7.5 mg/L,抑制剂CMC用量为150 mg/L,矿浆p H定为9.3±0.1,浮选时间3 min的条件下,泡沫产品中,LFPs和石墨的品位分别为18.12%和81.88%,回收率分别为17.29%和78.09%。(4)通过吸附行为分析揭示了浮选药剂在LFPs表面的吸附作用机理。CMC在LFPs表面的主要吸附机制是化学络合作用和金属羟基化作用。CMC仅以弱物理作用吸附在石墨表面。CMC更容易吸附在LFPs表面,显著降低了LFPs的疏水性。CMC不仅改变了LFPs和表面润湿性,还可以在颗粒间产生排斥力,促进颗粒的分散,有效缓解细颗粒LFPs与石墨的异质凝聚,增强颗粒的选择性分离效果。图49幅,表15个,参考文献155篇

关键词： 废旧磷酸铁锂   正极材料   弱酸   锂回收   选择性   氧化浸出  

摘要： 随着国内新能源产业对锂离子电池的持续需求,废旧磷酸铁锂电池的年退役量逐年增多,其中除了含有大量的石墨和有机电解质之外,还有有价金属锂和少量的铝、铜杂质等。我国是锂资源需求大国,绿色回收其中的锂对环境保护和锂资源的高效利用十分重要。同时,由于磷酸铁锂自身稳定的橄榄石结构,以及铝、铜等在浸出过程可能随锂一同浸出,增加了后续锂的分离回收难度。因此,如何高效、绿色、选择性回收废旧磷酸铁锂正极材料中的锂,是废旧磷酸铁锂高效资源化再利用的关键所在。基于此,本课题系统研究了弱酸介质下废旧磷酸铁锂中锂的选择性浸出。主要研究内容如下:(1)采用氧化剂HO和CO气体浸出废旧磷酸铁锂正极材料,实现对Li的高效选择性浸出;在3%HO体积分数、1 MPa CO压力、固液比30 g L、25℃的反应温度、浸出60 min的条件下,锂的浸出率为97.6%,磷和铁几乎未浸出,以Fe PO浸出渣形式存在;同时,该浸出反应属于表面化学反应控制模型和通过产物层的薄膜扩散模型。同时,将氧化剂由双氧水替换成氧气,可以在密闭体系下选择性浸出锂;通过调节反应体系的温度和气体压力,可促进Li的选择性浸出;在90℃的反应温度、1 MPa CO分压、0.4 MPa O分压、固液比10 g L、反应60 min的条件下,锂的浸出率为99.1%,磷和铁几乎未浸出,以Fe PO浸出渣的形式存在。(2)采用有机羧酸浸出-溶剂萃取-无机酸反萃工艺,实现选择性回收废旧磷酸铁锂正极材料中的锂。浸出阶段,在双氧水过量(n:n_锂=1.8)的条件下,随着n_酸:n_锂值增大,四种有机酸对锂的浸出率都逐渐增大。在n_酸:n_锂=1.2时甲酸和乙酸对锂的浸出率分别为99.9%和99.8%,丙酸在n_酸:n_锂=1.6时对锂的浸出率为99.9%,而乳酸在n_酸:n_锂=2.5时对锂的浸出率仅87.2%。同时,随着有机酸的增多,铝、铜也大量浸出。考虑铝、铜浸出的影响,萃取在贫酸条件下获得的浸出液中进行(n_酸:n_锂=0.8)。萃取阶段,在1.6 mol L的P204、萃取液初始p H=7时,锂的萃取率为77.5%,并实现有机酸的再生。反萃阶段,在0.1 mol L HPO条件下,锂的反萃率为80.3%,仅有少量铜(2.7%)和铝(6.7%)被反萃,分离系数β和β分别为148.9、54.1。反萃过程同时实现了萃取剂的再生,萃取剂循环8次后对锂的萃取效果几乎不变。图39幅、表8个、参考文献153篇

关键词： 锂离子电池   磷酸铁锂   粘结剂   PEDOT:PSS   PVDF   L-抗坏血酸   单宁酸   聚天冬胺酸  

摘要： 本文以水溶性且具有优异导电性的粘结剂PEDOT:PSS为基材应用于磷酸铁锂正极当中。水溶性避免了对环境的危害,而导电性弥补了磷酸铁锂导电性差的缺陷。然而由于粘结性能较差,影响电池的使用寿命和长循环稳定性。本文通过利用不同改性添加剂对其进行改性,提高粘结性能,并分三个部分讨论改性后的样品对电化学性能的影响: 1.制备了一种线性小分子改性PEDOT:PSS粘结剂,利用小分子L-抗坏血酸（LAA）富含的醇-OH与PEDOT:PSS中的-SO3H之间形成的稳定化学键,使改性后的优选样品LAPE1,1（LAA与PEDOT:PSS的质量比为1:1）具有优异粘结性能(剥离强度为9.19 N·m-1)。电化学性能方面,100次的循环后仍保持着145.9 mAh·g-1的放电比容量,库伦效率高达99.6%。0.1 C倍率下的放电比容量为173 mAh·g-1,10 C倍率下仍具有接近100 mAh·g-1的高放电比容量。循环前（40.18 Ohm）和100次循环后（183.8 Ohm）都具有最小的电荷转移阻抗,且具有较好的锂离子扩散系数(3.256×10-14 cm2·s-1)和更低的极化（氧化/还原峰电位差为0.295 V）。因此LAA的加入对PEDOT:PSS的粘结强度和电化学性能均有一定的提高。 2.为了优化PEDOT:PSS的线性导电网络,利用富含酚羟基树形环状结构的单宁酸（TA）进行改性,使改性后的优选样品TAPE1,1（TA与PEDOT:PSS的质量比为1:1）呈现出三维导电网络结构。表现出优异粘结性能(剥离强度为7.55 N·m-1),在与其它样品循环性能对比中,200次循环后放电比容量为141.9 mAh·g-1,1000次循环后放电比容量仍有120.6 mAh·g-1,容量保持率为83.6%。优异的倍率性能,即使是10 C的超高倍率下仍具有约95 mAh·g-1的高放电比容量。表现出最小的电荷转移阻抗（61.82 Ohm）和极化（氧化/还原峰电位差循环前0.282 V和50次循环后0.267 V）以及最大的锂离子扩散系数(9.511×10-14 cm2·s-1)。TA的添加能通过氢键的作用使得改性后的样品TAPE1,1呈现出三维交联导电网络结构,不仅提供足够的粘结强度,还为锂离子的传输提供丰富的路径,从而表现出优异的循环稳定性和倍率性能。 3.通过添加富含大量-COOH和-CO-NH-且具备较强粘附性聚合物聚天冬胺酸（PASP）,利用-COOH和-CO-NH-分别与PEDOT:PSS中的-SO3H之间发生相互作用,形成较为稳定的氢键和化学键。优选出改性后的样品PAPE1,1（PASP与PEDOT:PSS的质量比为1:1）呈现出交联互穿的导电网络结构。剥离强度为8.11 N·m-1,通过循环性能的比较,经过180次循环后仍具有140.3 mAh·g-1的高放电比容量。对于倍率来说,PAPE1,1在低倍率0.1 C具有170 mAh·g-1放电比容量,在高倍率10C下都具有93 mAh·g-1的放电比容量。表现出最小的电荷转移阻抗（59.88 Ohm）和极化（氧化/还原峰电位差0.306 V）以及最大的锂离子扩散系数(1.760×10-13 cm2·s-1)。适量PASP的添加一方面使改性后样品具有足够的粘结强度,一方面形成交联互穿的导电网络缩短了锂离子的传输路径,使其在电化学性能上都有一定程度的提高。

关键词： 废旧磷酸铁锂   综合回收   再生   磷酸  

摘要： 高温再生和湿法冶金是现阶段失效锂离子电池磷酸铁锂正极材料的两种主流方式,然而高温再生过程伴随着能耗高和杂质影响大的缺点,湿法冶金则在消耗大量酸的同时产生大量废水。针对目前废旧磷酸铁锂正极材料回收方法存在的缺点,本文采用高温再生和湿法冶金相结合的方法对废旧磷酸铁锂正极材料进行回收,创新的使用磷酸辅助焙烧来回收Li、Fe、P元素。此外,基于Al、Fe、Cu本身特性,杂质去除处理一直是锂离子电池磷酸铁锂回收的难点,因此本文还研究了不同金属阳离子Al、Cu和Fe赋存状态对磷酸铁锂正极材料电化学性能的影响,主要内容为:(1)在氧气气氛下,使用磷酸辅助焙烧的方法来回收废旧磷酸铁锂电池正极材料。HPO与LiFePO的摩尔比为0.52:1,焙烧温度为350℃,盐酸浓度为0.5 mol/L、浸出时间2.5 h,液固比为12 mL/g,浸出温度为55℃情况下,Li的浸出率为80.12%,Fe的浸出率3.55%。Li以LiPO的形式回收,以回收的LiPO为锂源,固体滤渣为铁源,通过碳热还原法重新合成磷酸铁锂正极材料。XRD表明再生的磷酸铁锂正极材料为标准的橄榄石结构,XPS表明再生的磷酸铁锂材料含有Fe杂质,经过电化学测试,再生的磷酸铁锂电池在电流密度为0.1 C下的首周放电比容量为133.5 mAhg,电流密度为1 C时经过100圈循环后容量保持率为87%,在大倍率充放电情况下仍然可以正常工作。(2)分别将金属阳离子杂质AlO、FeO、CuO、AlPO、FePO和Cu(PO)引入磷酸铁锂正极材料后,XRD、SEM和XPS表明引入的阳离子杂质不会对正极材料的结构和形貌产生影响。研究过程中发现结构修复过程中杂质对材料电化学性能影响显著,电化学测试及分析表明磷酸盐类杂质Fe PO对磷酸铁锂电池的首周放电比容量、循环、倍率性能影响最小,其次是AlPO,而Cu(PO)杂质在倍率性能上影响较大,5 C时,放电低至5 mAhg。氧化物类杂质AlO对磷酸铁锂的首周库伦效率影响不大,但是首周充放电比容量降至119 mAhg,循环100圈后容量保持率为96%。循环伏安曲线显示FeO杂质的氧化峰和还原峰的电位差最大,表明FeO杂质对磷酸铁锂的可逆性影响最大。Cu O杂质对磷酸铁锂的倍率影响最大,在5 C时不能正常的充放电。综合分析,氧化物型阳离子杂质对磷酸铁锂正极材料的影响比磷酸盐类阳离子杂质大。

关键词： 相变材料   液冷系统   控制策略   磷酸铁锂电池  

摘要： 锂离子电池作为电动汽车的“心脏”,其性能直接关系到电动汽车用户体验、使用寿命及安全性能。安全性高、续航久、寿命长、工作范围广成为大众对电动汽车的首要要求,而这些都离不开对电池组进行合理的热管理以控制好其工作时的温度。众多热管理方式中,相变材料以其被动散热、控温能力强等优势成为研究热门,但也存在极端条件易失效、导热率低等问题。本文搭建了磷酸铁锂电池试验模组,制备高导热系数、相变区间合理的多孔复合相变材料,并引入液冷措施加强其对电池箱的控温能力。提出关于耦合式热管理系统的技术策略对其进行优化控制,以加强其对更大温度区间的环境适应性,同时减少主动冷却造成的系统能耗。主要研究内容如下:(1)搭建试验台架,对所用的30 Ah方形磷酸铁锂电池进行充放电参数测量获取,分析电池的电化学性能及热性能,记录电池在不同环境温度和放电倍率下时各测点温度随时间的变化曲线,分析电池表面温度分布规律。并基于试验获得的电压及温度随时间变化的曲线,构建了基于多物理场耦合的电池瞬态热管理模型,模拟电池在给定工况下的温度变化规律并与试验数据进行对比,结果表明所搭建的仿真模型能较好的反应实际电池的产热过程。(2)制备了更符合电池散热需求的多孔复合相变材料,将80目的膨胀石墨与低温相变蜡进行不同比例的混合得到五组热物性有所差异的复合相变材料,分析不同的石墨添加比例对于材料热导率、相变区间、相变焓等热物性参数的影响。将各组材料分别填装进电池箱内,结合试验及仿真,掌握了所制备材料对电池组的温度控制能力,按照电池组散热需求进行选型,并进一步探究得出需匹配的填充量。(3)针对复合相变材料热容量有限的问题,引入主动液冷措施来加强其环境适应能力,推迟相变材料融化时间。设计了多组耦合式热管理结构,从液冷系统结构参数及流动参数多个方向入手,对系统热管理能力进行强化,各测点温度监测及分析结果表明,在不同的工况下,该系统始终能够维持电池组工作在最佳温度区间,电池箱最大温差不超过5℃。(4)为尽可能减少耦合式热管理系统的功耗,提出针对此系统的热管理策略。利用分段函数来界定主动冷却部分的介入时间及介入状态,设计目标在于充分利用相变材料的潜热能力,在相变能力不足使对其起到补充作用。结果表明,无论电池组是在低温还是高温环境下工作,电池箱内温度始终在理想范围内,相变材料得到充分利用且冷却系统造成的附带功耗明显减少。

关键词： 磷酸铁锂   碳包覆   掺杂   多层石墨烯   Na4Fe3(PO4)2P2O7  

摘要： 聚阴离子型化合物(LiFePO4、Na4Fe3（PO4）2P2O7)作为电池正极材料具有优异的循环稳定性和独特的离子脱嵌机制,受到世界各国的极大关注。然而,聚阴离子型化合物普遍存在的电子导电率低和离子扩散速率慢等问题极大限制其在高功率型电极材料中的应用和发展。与石墨烯复合是改善电化学储能最有效的方法之一。但目前报道中采用的石墨烯多为氧化石墨烯,不仅增加电池制作成本,而且将石墨烯氧化过程中极易造成环境污染。本论文采用机械剥离的多层石墨烯（MLG）作为基底,制备的多层石墨烯/聚阴离子化合物正极复合材料放电比容量可观,循环稳定性优异。同时可大大降低制备成本,且合成过程绿色无污染。本论文主要研究如下:（1）LiFePO4/MLG复合材料的制备和碳包覆研究。采用Li H2PO4和Fe2O3/MLG制备最佳摩尔比的LiFePO4/MLG复合材料,在此基础上探究了碳包覆量对其微观形貌和电化学性能的影响。采用化学浴沉积法制备生长在多层石墨烯表面的Fe2O3纳米颗粒,通过加液研磨法将Li H2PO4均匀附着到多层石墨烯表面与Fe2O3结合,在600℃高温煅烧10 h得到LiFePO4/MLG复合材料。研究表明,Fe2O3/MLG与Li H2PO4摩尔比为1:1.08,葡萄糖质量分数为6%制备的LiFePO4/MLG复合材料结晶度高,颗粒在MLG表面分布的较为均匀。在0.2 C下,首次放电比容量为124.4 m Ah g-1,循环200圈后容量保持率为78.8%。（2）LiFePO4/MLG复合材料Mn2+掺杂研究。采用四水合氯化锰作为金属Mn2+掺杂改善LiFePO4/MLG复合材料的电化学性能。论文探究了Mn2+添加量对复合材料储锂性能影响。研究表明,加液研磨阶段加入5%Mn2+掺杂的LiFePO4/MLG复合材料在0.2 C下具有129.9 m Ah g-1放电比容量,循环100圈后容量保持率高达97.6%,循环稳定性大大提高。（3）Na4Fe3（PO4）2P2O7/MLG复合材料的储钠性能研究。采用化学浴沉积法制备的Fe2O3/MLG提供铁源,Na H2PO4提供钠源和磷源。加液研磨、烘干后,在500℃高温煅烧10 h得到Na4Fe3（PO4）2P2O7/MLG复合材料。论文探究了原材料不同比例对Na4Fe3（PO4）2P2O7储钠性能影响。结果显示,Fe2O3/MLG与Na H2PO4摩尔比为1:1.3的Na4Fe3（PO4）2P2O7/MLG复合材料在0.2 C和2 C下首次放电比容量为118.6 m Ah g-1和96.3 m Ah g-1,0.2 C循环200圈后容量保持率为87.9%,2 C循环1000圈后容量保持率为97.7%,表现出最佳的电化学性能。

关键词： 电池管理系统   参数辨识   扩展卡尔曼滤波   荷电状态估计  

摘要： 近年来,随着化石能源和环境问题的日益突出,人们的环保意识和可持续发展的要求的提高,清洁能源的应用已成为当今社会的必然选择。电池作为主要的电能存储工具,其中磷酸铁锂电池和三元锂电池都是目前应用较广泛的电池类型。本课题以18650型号的镍钴锰三元锂电池和磷酸铁锂电池为研究对象。对建立锂电池管理系统时所需要的参数辨识方法和状态估计算法等方面做重点研究,以实现对锂电池管理系统的状态估计功能精确度的提升。开展的具体研究工作包括:设计实验并测试电池的容量、电阻、开路电压等特性进行研究,并分别获取了脉冲放电实验数据和动态工况实验数据。通过开路电压实验完成开路电压(Open circuit voltage,OCV)-荷电状态(State of Charge,SOC)曲线的拟合实验。通过对荷电状态定义式的研究对OCV-SOC的计算方式改进,在SIMULINK平台搭建变电流SOC计算模型,完成改进OCV-SOC曲线的拟合。通过各种锂离子电池模型的对比,选择二阶RC等效电路模型。搭建遗忘因子的递归最小二乘法、二阶指数拟合、Parameter Estimation Toolbox三种参数辨识方法SIMULINK模型或MATLAB脚本代码,分别对两种锂离子电池的等效电路模型做参数辨识,结果显示,两种锂离子电池均使用Parameter Estimation Toolbox参数辨识方法的误差最小。引入变电流思想对该参数辨识方法做改进并做验证,验证实验误差均在1.5%以内。最后推广在DST工况下验证了该方法的精确度,误差均在2%以内。采用扩展卡尔曼滤波算法进行电池SOC估算时,引入变电流的思想提出改进扩展卡尔曼滤波算法应用于电池SOC估算。并在SIMULINK平台上搭建两种扩展卡尔曼滤波算法的模型,结果表明改进扩展卡尔曼滤波算法对两种锂电池估计SOC算法的精确度均有改进。最后基于SOC对功率状态(State Of Power,SOP)进行了简单估计。设计电池管理系统中的各个硬件模块、编写相应的软件程序、搭建实验平台测试平台。测试平台采集的电压、电流、温度等数据精度。对写入硬件的SOC进行实验验证,结果均满足GB/T 38661-2020《电动汽车用电池管理系统技术条件》中对于纯电汽车电池管理系统要求。

关键词： 锂离子电池   电化学-热耦合模型   储能柜   热特性  

摘要： 随着新能源的迅速发展,储能技术的重要性日益凸显,其中储能用锂离子电池的热性能问题也得到了研究者们的广泛关注。锂离子电池在使用过程中会产生大量的热量,温度过高会导致电池安全性降低、寿命缩短等问题。因此建立精确的锂离子电池生热模型,对研究锂离子电池产热及其热管理是十分必要的。本文针对一款储能用280Ah磷酸铁锂电池进行研究,通过数值仿真及实验研究考察其发热特性,在构建散热方案的基础上对散热参数进行优化,以对实际应用提供理论指导与方案借鉴。具体工作如下:搭建磷酸铁锂电池的实验平台,通过充放电实验分析了电池在不同充放电功率和不同环境温度下的电压特性和温度变化情况。对现有磷酸铁锂电池的数值模型进行改进,通过三维映射的方式引入了分布式温度并完成模型耦合。在验证数值模型准确性后,通过仿真得到了恒功率放电下,电池的电化学特性和热特性,并分析了不同工况下电池各部分的详细产热情况以及循环老化对电池各部分产热量的影响。通过热仿真的方法对磷酸铁锂电池包进行仿真分析,并基于散热效果对电池包进行了结构优化,改进了电池间的间距和进风口的数量。进一步,基于优化的电池包结构,建立了磷酸铁锂储能柜的冷却模型,分别从进口风道、隔风挡板和导流板等方面对储能柜的散热结构进行了优化,得到了散热效果最优的储能柜结构。综上所述,本文通过实验和仿真相结合的方式对磷酸铁锂电池的热管理进行研究,在改进数值模型的基础上对单节电池发热机制,电池包结构及储能柜冷却方案进行了逐级研究,研究成果可推动蓄电池在储能技术领域的发展,同时也为锂离子电池发热特性研究提供理论基础。

关键词： 磷酸铁锂电池   消防   排水   水质  

摘要： 以磷酸铁锂电池为储能介质的化学储能电站火灾风险高，采用消防水对其灭火时会有大量的消防废水排出。磷酸铁锂电池由电解质锂盐、电解液等组成，成分复杂，目前缺乏消防排水的水质研究，在实际工程中对消防排水的出路存在争议。针对不同新旧程度、不同充电程度的100 Ah容量磷酸铁锂电池开展燃烧及灭火实验，收集其消防排水并检测，检测表明：消防排水为中性液体；排水中重金属(铜、锌、镍、镉、铅、锰等)、砷、总氮、氨氮未超过相关排放标准；排水中氟离子、总磷、COD数值较高。将实验数据和工程设计参数对比：磷酸铁锂电池储能电站火灾消防排水具有大部分污染物指标低于相关排放标准，部分指标偏高但污染物总量相对不大等特点，在火灾状态应急外排不会造成较大的环境污染；对于建设于环保要求较高区域的储能电站，建议将废水收集后自然风干或外运处理。