航空动力锂离子电池热失控行为与气体燃爆危险性研究进展

动力锂离子电池的安全问题是制约电动航空器运行与适航取证的技术瓶颈问题,影响全球电动航空的发展。由锂离子电池热失控引发的燃烧、爆炸等失效事件会造成机毁人亡的灾难性后果。旨在为相关研究人员介绍锂离子电池热失控爆炸特性的研究现状,从锂离子电池热失控燃爆行为、热失控气体爆炸极限和热失控气体爆炸危险性评估3个方面进行阐述:在锂离子电池热失控燃爆行为方面,介绍了锂离子电池热失控发展过程,分析了热失控冲击特征参数测定方法,总结了热射流演变机制及射流火焰的模拟仿真与实验方法;针对热失控气体的爆炸极限,对比国内外气体爆炸极限测试标准,总结了热失控气体爆炸极限理论计算方法,并介绍了原位检测爆炸极限的创新方法;在热失控气体爆炸危险性评估方面,介绍了老化锂离子电池危险性评估方法,以及爆炸危险性参数指标。提出未来的研究将侧重于先进诊断技术、增强电解质稳定性、多尺度建模、先进抑制技术以及建立标准化测试流程和技术法规等领域。

复合金属氧化物正极材料Li(CoxNiyMn1-x-y)O2高功率锂离子动力电池的试制及电化学性能的研究

用化学方法合成用于锂离子动力电池正极的新型高电压高容量复合金属氧化物材料Li(CoxNiyMn1-x-y)O2,试制了具有良好热稳定性的高功率8Ah锂离子动力电池。在研究了该电池的电化学性能后,研制了用于混合动力电动车辆的电池系统并进行了车载实验。结果表明该电池系统在深度放电条件下不仅显现出十分优越的循环性能和一致性,经过模拟工况测试后的数据还表明单体电池升温最高仅为5℃,即电池系统还具有良好的热稳定性,因此该电池系统是适合用于混合动力电动汽车的。

高功率圆柱形锂离子动力蓄电池的研制

成功研制了混合电动汽车(HEV)用高功率圆柱形锂离子动力蓄电池。蓄电池采用尖晶石锰酸锂作为正极材料,中间相碳微球(MCMB)作为负极材料。重点研究了蓄电池的功率特性、循环性能、安全性及其他电化学性能。结果表明,蓄电池10C放电时持续放电功率达到640W·kg-1,而脉冲功率达到1048W·kg-1,蓄电池1C充放电循环350周的容量保持率大于90%,在-20℃与55℃下1C放电容量分别为常温25℃下的86%和95%,蓄电池在过充、短路的情况下,不爆炸,不起火,具有较好的安全特性。

锂离子电池高镍三元正极材料表面改性研究进展

高镍三元材料存在表面结构不稳定、锂镍混排、晶间裂纹等问题,导致材料的循环性能降低以及高比容量无法充分发挥,表面包覆是解决上述问题的主要手段。目前的包覆材料主要有电化学惰性材料、离子/电子电导性材料和复合包覆材料,从这三个方面综述了高镍三元材料的表面改性研究。介绍了不同类型包覆材料的界面改善稳定机制、离子在固液界面的迁移率提升机理、界面副反应抑制机制以及对材料电化学性能的影响,并对高镍三元正极材料包覆改性的发展方向进行了展望。

汽车动力锂离子电池低温检测标准化综述

电池的低温性能直接关系到纯电动汽车在寒冷地区的使用和推广,建立相关的低温性能检测标准显得尤为重要。介绍国内外电动汽车动力锂离子电池低温性能检测标准的相关情况。对检测标准的内容、适用范围及严格程度等进行分析比较。探讨现有标准的优点与不足:现有标准中已存在分别针对电池单体、模块、电池组和/或电池系统的标准,但缺乏通用标准;国内外标准各有侧重,尚缺少能全面反映电池低温性能的检测标准;国内外低温测试条件不同,检测结果难以比较。建议综合各个现有标准中的低温性能检测方法,形成能够全面体现电动汽车动力锂离子电池低温性能的国家标准,以适应动力锂离子电池技术发展以及纯电动汽车在寒冷地区推广应用的需要。

基于一类非线性时间序列模型的锂离子动力电池建模研究

伴随着新能源产业的飞速发展,锂离子动力电池作为一种高效的储能方式,已成为电动汽车的重要组成部分。在电池管理系统的功能中,电池的高精度建模至关重要。在实际应用中,电池不是一个线性系统,其输入和输出由于外部扰动等原因表现出非线性特征,从而直接影响参数识别效果,进而影响模型精度。鉴于此,本文对锂离子动力电池进行了Hammerstein-ARMAX(Autoregressive MovingAverage with Extra Input)模型构建,并对模型参数的估计方法进行研究,旨在提高模型的准确性。实验结果表明了该方法的有效性。

锂离子电池高镍正极材料前体的制备工艺

高镍三元正极材料因其高的充放电比容量(270mA·h/g),被认为是进一步提升锂离子电池能量密度的一种关键材料。高镍三元正极材料的前体通常采用共沉淀法制备,其性质对最终烧结得到的三元正极材料的性能有显著影响。在共沉淀反应制备前体的过程中,氨含量、pH、反应温度、固含量、搅拌速率、杂质等诸多因素共同影响着产物的物理化学性质,增加了合成特定指标三元正极材料的难度。本文探究了具有不同粒径分布,镍含量(镍在镍钴锰三元素中的摩尔分数)分别为88%、90%、92%、94%的高镍三元前体的制备工艺与基本性质。进一步地,选择镍摩尔分数为94%的前体材料,从氨含量、pH及搅拌速率三个方面探究了合成参数对前体产物的影响,发现在相对较低的氨含量、pH以及搅拌速率条件下,更容易制备得到粒径分布均匀、形貌完好的前体,并且得到的三元材料具有更高的放电容量以及首圈库仑效率。

锂离子电池高镍正极材料的制备及性能优化

高镍三元正极材料具有很高的理论容量,可被用于提高锂离子电池体系的能量。目前研究较多的高镍材料是镍摩尔分数在三元素中占比为80%的LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O_(2),但是为了追求更高的能量密度,具有更高镍摩尔分数(镍摩尔分数>88%)的超高镍材料也需要被研究。然而,镍含量的提升对材料结构稳定性造成的负面影响阻碍了高镍材料的实际应用。因此,优化高镍材料的制备工艺十分重要。本工作首先制备了镍摩尔分数为88%、90%、92%、94%以及98%的超高镍材料,探究了它们的基本物理化学性质与电化学性能,验证了镍摩尔分数提升对于材料容量和结构稳定性带来的影响。进一步地,本工作选取了镍摩尔分数为90%的高镍材料(Ni90),着重探究了烧结温度对其性质的影响,发现Ni90材料颗粒会随着烧结温度的上升而增大,而在750℃的适宜烧结温度下,材料能在结构和颗粒尺寸上达到平衡,得到倍率和循环综合性能最好的Ni90材料。同时,对于不同镍含量的材料,也需要选择适中的温度进行烧结,才能兼顾材料的性能与稳定性。

由乙烯焦油制备锂离子电池负极材料用碳质前驱体的氧化反应机理与反应动力学

为了得到优质的碳质前驱体,研究了乙烯焦油在空气中的氧化反应机理及其反应动力学,并制备出高软化点沥青应用于锂离子电池负极石墨材料的包覆改性。根据热重曲线将乙烯焦油的氧化过程分成350−550、550−700和700−900 K三个阶段,并采用质谱和红外技术对不同反应温度下的尾气成份进行在线分析以揭示乙烯焦油在空气中的氧化反应机理。根据不同反应温度下乙烯焦油与氧气的热失重曲线,整个反应过程被分为4个阶段,进一步利用Coats-Redfern等转化率法分析17种常用反应动力学模型与实验数据的拟合度,筛选出最适宜表达乙烯焦油与氧气的反应动力学模型。结果表明:(1)在乙烯焦油的氧化过程中,芳香化合物的支链先与氧气反应生成醇类、醛类小分子化合物和含有过氧自由基的芳香化合物,然后含有过氧自由基的芳香化合物进行热缩聚反应形成分子量更大的芳香族化合物;(2)可采用四级反应模型描述乙烯焦油的前3阶段反应动力学,活化能分别为47.33、18.69和9.00 kJ·mol^(−1);可采用三维扩散模型描述第4阶段的反应动力学,其活化能为88.37 kJ·mol^(−1)。(3)经所制沥青包覆改性后,石墨负极循环300圈后的容量保持率由51.54%增长为79.07%。

锂离子电池高安全复合隔膜的挑战和未来展望

隔膜作为锂电池的重要结构组成部分,起阻隔正负极接触、吸收并固定电解液、传递离子等关键作用。锂电池用商用隔膜面临高温热收缩等问题,影响电池的持久安全性。本文首先简要介绍了锂离子电池隔膜在孔隙结构、电解液润湿性、结构/热/化学/电化学稳定性以及隔膜-电解液相互作用等方面的要求,并通过对近期相关文献的探讨,重点综述了耐高温聚合物隔膜的研究进展;重点分析了高耐热聚合物基隔膜、阻燃添加剂涂敷隔膜和聚合物基底复合等策略对于阻燃多功能复合隔膜的改善机制;对于复合隔膜的锂枝晶抑制策略,主要介绍了物理阻隔锂枝晶生长、均匀化锂沉积和调控锂离子迁移通量三种方法。综合分析表明,通过减薄聚烯烃隔膜同时引入高性能薄涂层、掺杂固态电解质、开发高耐热聚合物基底隔膜等策略,有望在实现高安全性的同时获得高离子电导率。

高功率锂离子蓄电池制备与性能研究

以尖晶石锰酸锂为正极材料,制备了混合动力汽车(HEV)用8Ah高功率锂离子蓄电池,电池容量、质量及荷电保持性能一致性良好。性能测试结果表明:单体电池25.0C持续放电比功率达到1517W/kg;-30℃下1.0C放电容量是25℃下的90%;室温循环700周容量保持87%;电池在针刺、挤压和短路的情况下,不爆炸,不起火,具有较好的安全性;室温下电池循环过程中充放电效率接近100%,而高温下只有97%;高温下电池的充电容量和放电容量比室温下衰减快,而在充电过程中高温充电容量的变化比室温下复杂得多。

混合电动汽车用高功率型锂离子电池

研制了 40Ah混合电动汽车 (HEV)用高功率型锂离子动力电池。放电测试结果显示 :电池大电流输出能力良好 ,最大脉冲功率达 898W /kg。电池循环 2 0 0次 ( 2 5℃ ,1C)的容量保持率大于 90 % ,表现出优异的循环性能 ;电池 -2 0℃与 5 5℃的1C放电容量分别为常温下的 96 63 %和 10 3 % ,具有良好的温度适应能力。安全测试显示

新能源汽车锂离子动力电池碳足迹削减策略

本研究以磷酸铁锂、三元材料(NCM622)锂离子动力电池作为研究对象。在收集到磷酸铁锂、(NCM622)清单的基础上,计算得到生产1 kWh磷酸铁锂、三元材料电池(NCM622)产生的碳足迹;根据电力结构、汽车百公里能耗,计算得到新能源汽车行驶过程中锂离子动力电池运行所产生的碳足迹。结合未来燃油车、新能源汽车发展趋势,以2020年为基准年,采用情景分析法,通过改变电力结构及汽车百公里能耗,对2030年碳达峰情况进行分析。最终给出削减动力电池碳足迹、实现2030年碳达峰目标的各项策略,为我国动力电池行业绿色发展提供了政策辅助。

火焰喷雾热解法生产锂离子电池高镍三元正极材料的技术经济分析

正极材料约占锂离子电池制造成本的三成,是影响动力电池价格的主要因素;采用火焰喷雾热解法生产三元正极材料能耗低、设备少,可降低锂离子电池的制造成本。本文研究的主要目标是定量评估采用火焰喷雾热解法生产高镍三元正极材料的技术经济可行性。计算火焰喷雾热解法生产LiNi_(0.8)Co_(0.1)Mn_(0.1)O(2)(NCM811)的原料、燃料、排放产物质量流量和盈亏平衡条件下的最低销售价格,并与传统共沉淀法比较。技术分析中物料与能量平衡计算结果表明,火焰喷雾热解法可使CO_(2)排放、电力消耗和用水消耗分别降低约41%、85%和29%。经济分析结果显示,盈亏平衡条件下NCM811材料的最低售价为221.1 CNY/kg,较当前市场销售价低约18%。最后,针对材料最低售价的敏感性分析结果显示,原材料成本是最敏感的因素,当原料价格降低25%时,盈亏平衡点售价可达172.0 CNY/kg。

不同导电添加剂的协同效应对高功率锂离子电池性能的影响(英文)

讨论了两种具有形貌代表性的导电添加剂:球形的炭黑(SP)和纤维状的气相生长炭纤维(VGCF)对锂离子电池性能的影响。结果表明,使用SP作为导电剂的电池容量高于使用VGCF的电池,SP可有效地协助锂离子电池容量性能的发挥。同时,前者在较高电流放电条件下的倍率性能也明显优于后者。当分别将50%质量分数的两种添加剂组成复合导电剂时,在相同添加量条件下,所得复合导电剂的性能优于单独使用的炭黑导电剂,电池表现出更高容量性能和更好的倍率性能。这是由于SP和VGCF不同的形貌结构使两种导电添加剂表现出了良好的协同效应,从而使电池性能获得进一步提高。使用更高容量的商用化10 Ah和50 Ah电池进一步验证以上结论。

高功率锂离子电池电解液中导电锂盐的新应用

高功率型锂离子电池是当前电源研究领域的重点和热点,电解液是提高电池功率特性的关键。着眼于电解液中导电锂盐的研究现状,介绍了几种有应用前景的功率型新型锂盐,另外总结了锂盐溶于非水有机电解液之外的其他新应用,如锂盐的混合使用、锂盐用作添加剂以及锂盐与离子液体的配合使用等,从更宽的视角对锂离子电池电解液导电锂盐的合成及应用进行了综述。

锂离子动力电池脉冲功率特性的研究

对自行研制的17Ah高功率型锂离子动力电池室温下的脉冲功率特性进行了研究。采用控制电流和控制功率脉冲充放电的方法研究电池在50%SOC下的脉冲充放电特性,然后以控制电流脉冲充放电模式循环,研究电池容量和功率的衰减规律。结果显示,电池在控制电流脉冲充放电模式下的功率变化范围为-500～338W,能量效率为96.2%;在控制功率脉冲充放电模式下的电流变化范围为-51.7～39.4A,容量效率为93.7%。电池以控制电流脉冲充放电模式循环1.7万次(2833h)后容量衰减了7.9%,放电功率衰减了13.1%。发现循环过程中容量和功率的衰减都呈现出先快后慢的衰减规律,功率的衰减主要发生在前1000次循环。

新型复合共沉淀法制备高能量/高功率型锂离子二次电池用5V正极材料LiNi_(0.5)Mn_(1.5)O_4及其电化学性能

在传统的固相法的基础上开发了新型复合共沉淀法制备LiNi0.5Mn1.5O4材料.新型复合共沉淀法采用(NH4)2CO3和(NH4)2C2O4共同作为沉淀剂,通过控制共沉淀反应条件,得到了具有均匀球形形貌的沉淀物颗粒.再通过与饱和氢氧化锂溶液的水热反应及高温反应,最终制备出具有球形次级形貌和纯相尖晶石结构的LiNi0.5Mn1.5O4材料.电化学测试表明,制备的LiNi0.5Mn1.5O4具有优异的电化学性能,其初始容量达到了141.4mAh·g-1.在0.3C、1C和3C倍率下经过200次循环后的容量分别为136.0 mAh·g-1(96.3%)、128.6 mAh·g-1(94.4%)和113.9 mAh·g-1(91.1%).通过高温反应及特殊的冷却处理,LiNi0.5Mn1.5O4在4.0 V低压区平台的容量损失得到了有效抑制.更重要的是,通过控制合成过程中的关键步骤,可实现半定量化控制材料结构中的原子有序排布程度,进而得到具有高能量密度和高功率密度的两种LiNi0.5Mn1.5O4材料,其能量密度和功率密度分别达到了648.6 mWh·g-1和7000 mW·g-1以上.

引信用长贮存寿命高比功率锂离子原电池

针对弹道修正引信用储备式化学电池存在的输出电流有限或工作时间短的问题,提出采用锂离子原电池。通过电解液添加功能剂与正极、负极匹配形成稳定的储存界面,提升贮存寿命;通过电芯材料、结构及正负极界面优化,改善电极反应的极化影响,提高功率输出性能。测试评估结果表明,新型锂离子原电池目前满电荷长期贮存寿命为10年,可在-40~50℃温度范围内1 A大电流放电,具有高比功率特性。

高功率锂离子电池的研制及快充性能

研制额定容量5Ah的高功率LiNi0.5Mn0.3Co0.2O2三元正极材料锂离子电池,对比陶瓷隔膜与普通隔膜对电池倍率性能的影响,并研究电池的快速充电性能、高倍率循环性能及安全性能。相比普通隔膜,陶瓷隔膜可提升电池的倍率性能。采用陶瓷隔膜制备的电池最高可进行200A(40C)放电(3.0-4.1V),放电容量可达4A时的75.2%,而采用普通隔膜的电池仅为16.3%。陶瓷隔膜电池50A充电的恒流比达到87.0%,具有良好的快充性能;以20A在3.0-4.2V循环1000次,容量保持率为85.2%,且循环后负极表面无析锂,表明电池具备20A的长期高倍率循环能力。在过充、过放、短路及针刺实验中,电池未起火、爆炸.