1.引言

新能源汽車領(lǐng)域使用的常規(guī)鋰離子電池，充電方式是小電流恒流充電，一般充電時(shí)間為5-8小時(shí)，甚至更長。基于磷酸鐵鋰快充技術(shù)的快充電池，充電時(shí)間短、安全啦字以及壽命長，為新能源客車的便利使用供應(yīng)新的解決方法。

鋰離子電池依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間移動(dòng)來工作，充電過程中Ｌｉ＋從正極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)；放電時(shí)則相反。在快充時(shí)，負(fù)極會(huì)極化過大，過電位高出現(xiàn)副產(chǎn)物，影響電芯的循環(huán)性和穩(wěn)定性。針對(duì)快充過程中的瓶頸，磷酸鐵鋰快充電池從髙動(dòng)力學(xué)負(fù)極、納米改性磷酸鐵鋰正極、陶瓷涂層高孔隙率隔膜和先進(jìn)熱管理系統(tǒng)等方面進(jìn)行改善，電池內(nèi)部電阻小，在快速大倍率充電時(shí)出現(xiàn)的熱量少，其壽命相比普通鋰離子電池更長，電量／總里程比值大大高于普通鋰離子電池。相比三元電池，磷酸鐵鋰快充電池在快充條件下循環(huán)壽命長，安全性能優(yōu)異，且不含貴金屬；比鈦酸鋰離子電池電壓平臺(tái)高，能量密度高，電池一致性更好，且無脹氣風(fēng)險(xiǎn)，而鈦酸鋰材料與電解液易發(fā)生相互用途，在充放循環(huán)過程中出現(xiàn)氣體析出，發(fā)生脹氣，導(dǎo)致電芯鼓包，電性能也會(huì)大幅下降，加重電芯一致性差異。

采用磷酸鐵鋰快充技術(shù)的鋰離子電池特點(diǎn)包括充電時(shí)間短，4Ｃ以上的充電能力，約15分鐘就能使電池電量從零達(dá)到90%以上。

2.磷酸鐵鋰快充技術(shù)的技術(shù)要素

2.1納米磷酸鐵鋰正極

新能源客車中，多采用磷酸鐵鋰材料作為正極。磷酸鐵鋰正極材料環(huán)保無污染，原料廉價(jià)，資源極大豐富；結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安全性能最佳（０與Ｐ以強(qiáng)共價(jià)鍵牢固結(jié)合，使材料很難析氧分解）；高溫性能和熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于已知的其它正極材料；循環(huán)性能好；充電時(shí)體積縮小，與碳負(fù)極材料配合時(shí)的體積效應(yīng)好，且與大多數(shù)電解液系統(tǒng)兼容性好。未經(jīng)修飾的磷酸鐵鋰材料其離子電導(dǎo)和電子電導(dǎo)率低，經(jīng)過充分納米化處理，鋰離子顆粒粒徑小，減少鋰離子在晶粒中的擴(kuò)散距離，并通過混合摻雜改善鋰離子的擴(kuò)散通道，大幅提高鋰離子擴(kuò)散速度。碳包覆則是決定磷酸鐵鋰電子電導(dǎo)率的關(guān)鍵因素，通過在前驅(qū)體添加有機(jī)碳源的辦法改善材料的導(dǎo)電性，選擇特殊的包覆方式，例如氣相沉積法，獲得薄而致密的導(dǎo)電碳層，所得的磷酸鐵鋰材料粉末電導(dǎo)率較高，電化學(xué)性能優(yōu)秀。磷酸鐵鋰材料修飾改性之前，材料本征電導(dǎo)率只有10＿6Ｓ／ｃｍ，經(jīng)過納米化和特殊碳層包覆處理（圖2），電導(dǎo)率可達(dá)10＿2￣10＿13／（1111，電導(dǎo)率提高了7個(gè)數(shù)量級(jí)，導(dǎo)電性能優(yōu)于三元材料，成為實(shí)現(xiàn)快充功能的關(guān)鍵技術(shù)要素。

磷酸鐵鋰材料結(jié)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)穩(wěn)定性很高，所以具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。單體電池電壓越高，正極氧化性越強(qiáng)，與電解液的反應(yīng)越劇烈，電芯失效越快。采用磷酸鐵鋰快充技術(shù)，屬于3.65Ｖ的相對(duì)低電壓體系，正極氧化性弱，副反應(yīng)少而且速度慢，可高倍率（4Ｃ及以上，90％ＳＯＣ）充放電循環(huán)10000次以上（圖3）。破壞性實(shí)驗(yàn)表明，采用磷酸鐵鋰快充技術(shù)的鋰離子電池安全性能很高，經(jīng)穿釘、加熱、短路和過充等濫用實(shí)驗(yàn)檢測均符合安全標(biāo)準(zhǔn)。

2.2高動(dòng)力學(xué)負(fù)極

電池充、放電時(shí)，鋰離子在負(fù)極中嵌人與脫出，普通石墨類負(fù)極材料的層狀結(jié)構(gòu)端面較小，在大電流快速充電時(shí)難以實(shí)現(xiàn)鋰離子快速嵌入，鋰在石墨表面易沉積導(dǎo)致析鋰。隨著循環(huán)次數(shù)的新增，結(jié)構(gòu)不易保持穩(wěn)定而導(dǎo)致塌陷。若采用能量較低的非石墨材料如軟碳、硬碳或鈦酸鋰，使負(fù)極具有承受快充的能力，則為了彌補(bǔ)能量密度的損失，需采用三元材料等髙能量密度正極材料，熱穩(wěn)定性差。為與納米磷酸鐵鋰搭配使用，須采用高動(dòng)力學(xué)負(fù)極，通過特殊的加工工藝，石墨表面處理獲得環(huán)狀修飾層，在石墨表面改性，加快鋰離子在石墨層的嵌人（圖4）。修飾后的石墨，在保持其原始高能量密度的前提下，實(shí)現(xiàn)快充功能。這一表面改性技術(shù)改變了石墨表面的鋰離子擴(kuò)散通道，減小鋰離子擴(kuò)散到負(fù)極時(shí)的界面阻抗，防止脈沖充電時(shí)鋰在負(fù)極表面沉積或形成鋰枝晶。同時(shí)優(yōu)化負(fù)極孔道結(jié)構(gòu)，改善液相傳質(zhì)速度。

2.3高電導(dǎo)率電解質(zhì)

電解質(zhì)對(duì)快充鋰離子電池的性能影響非常大，必須保證在大電流下良好的化學(xué)穩(wěn)定性，不易發(fā)生分解，具有較高的離子導(dǎo)電率，且對(duì)正負(fù)極材料是惰性的，不與其反應(yīng)或溶解。電解質(zhì)由高純度的有機(jī)溶劑、電解質(zhì)鋰鹽、必要的添加劑等原料按一定比例配制而成的有機(jī)溶劑是電解液的主體部分，與電解液的性能密切相關(guān)。為了實(shí)現(xiàn)快充，用高電導(dǎo)率溶劑與低粘度溶劑混合使用，選擇適當(dāng)?shù)匿圎}種類和濃度，添加能夠降低負(fù)極表面ＳＥＩ膜阻抗的添加劑，抑制在頻繁大電流充放電時(shí)，負(fù)極表面因ＳＥＩ破壞和再生導(dǎo)致的產(chǎn)氣。

2.4陶瓷涂層高孔隙率隔膜

為使鋰離子快速穿過隔膜進(jìn)入負(fù)極，快充電池的隔膜必須高透氣、強(qiáng)耐熱、安全性高。陶瓷涂層高孔隙率高透氣率隔膜，可確保快速充電放電時(shí)鋰離子通過隔膜的速度，同時(shí)陶瓷涂層也幫助電池獲得高安全性能。陶瓷涂層高孔隙率隔膜的涂層顆粒粒徑均勻，能很好的粘接到隔膜上，又不會(huì)堵塞隔膜孔徑，還可保證陶瓷顆粒對(duì)電解液的相容性及浸潤性。以PP、PE或者多層復(fù)合隔膜為基體，在其表面涂覆單面或雙面納米級(jí)陶瓷材料，經(jīng)過特殊工藝處理與基體粘連緊密。

涂覆陶瓷隔膜可中和電解液里面游離的HF，提升電池耐酸性，安全性提高。具有良好的吸液及保液能力。新增微孔曲折度，降低電池自放電，改善循環(huán)過程中微短路，有效提升循環(huán)壽命。

2.5熱管理系統(tǒng)

熱管理技術(shù)采用封閉式可循環(huán)的液體熱管理系統(tǒng)，是磷酸鐵鋰快充技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)之一。快充條件下，電流成倍增大，必然帶來發(fā)熱量大的結(jié)果，電芯溫度越高，正極與電解液的氧化反應(yīng)越劇烈。長期在高溫條件工作，將使電池的充放電性能受到不可逆影響，會(huì)破壞電池內(nèi)的化學(xué)平衡，導(dǎo)致副反應(yīng)，從而加速電池的老化。采用熱管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電池組內(nèi)部的溫度控制，解決快充電流大帶來的發(fā)熱問題，同時(shí)也使低溫下的快成為可能，防止極端髙溫和低溫情況出現(xiàn)。封閉式可循環(huán)的液體熱管理系統(tǒng)，集成電池包、板式換熱器、冷凝器、壓縮機(jī)、電子水泵、ＰＴＣ等部件，兼具制熱制冷功能，系統(tǒng)導(dǎo)熱效率髙，有效解決電池組內(nèi)部溫度不均衡問題。整個(gè)熱設(shè)計(jì)不但涵蓋電池組，還包括ＤＣ－ＤＣ高壓轉(zhuǎn)換和充電器，連接器，線束這些部件的散熱要求，要結(jié)合部件布置的環(huán)境和客車的實(shí)際使用環(huán)境條件統(tǒng)籌設(shè)計(jì)。一方面讓熱管理系統(tǒng)在要的溫度高效運(yùn)轉(zhuǎn)；另一方面使其精確識(shí)別電池狀態(tài)，降低能耗，使電池實(shí)現(xiàn)“全氣候”條件下的有效使用。

熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)結(jié)合仿真技術(shù)，采集車輛運(yùn)行實(shí)際工況，換算電池組要放電和充電的大小和工況曲線，進(jìn)行仿真和擬合，從而驗(yàn)算推導(dǎo)在整個(gè)放電和充電條件下電池組的產(chǎn)熱情況。再從單電芯所要的散熱條件出發(fā)，擴(kuò)展到整個(gè)電池系統(tǒng)散熱條件下選擇熱管理的導(dǎo)熱方式和箱體結(jié)構(gòu)，經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)流量。

3.磷酸鐵鋰快充技術(shù)應(yīng)用在新能源客車上的效益分析

3.1市場分析

磷酸鐵鋰快速充電技術(shù)只需15分鐘就可把電池充電到90%以上的容量。客車在實(shí)際運(yùn)行中，通常不會(huì)把電池電量全部耗盡，電池組充電時(shí)仍有余電，所以充滿電的平均時(shí)間只需10分鐘即可，公交車輛可在進(jìn)入場站的短暫休息時(shí)間內(nèi)完成充電，成倍提高充電樁的使用頻率，防止出現(xiàn)車輛白天運(yùn)營時(shí)充電設(shè)施閑置，夜間又集中且長時(shí)間占用充電樁的問題，公交公司無需再為集中充電配套很大的充電場地和數(shù)量眾多的充電樁，原燃油車輛的運(yùn)營方式因快充技術(shù)而不受影響，對(duì)快充技術(shù)的市場需求會(huì)越來越大。

3.2效益分析

新能源客車的動(dòng)力鋰電池由于不能快速充電，為保證營運(yùn)里程需求，配電量必須足夠大，電池系統(tǒng)總重量大，總成本也高。在公交領(lǐng)域采用磷酸鐵鋰快充技術(shù)，利用車輛進(jìn)入場站的短暫間隙進(jìn)行快速補(bǔ)電，因此車輛無需配備大容量電池，配電量可大幅降低，節(jié)省成本，也減輕車輛整體重量，減少能耗。并且相較于常規(guī)電池3000~4000次左右的使用壽命，磷酸鐵鋰快充電池的長壽命（＞1000循環(huán)）性能為電池帶來性價(jià)比的成倍提升。在產(chǎn)品生命周期內(nèi)，每千瓦時(shí)電池的使用總里程將達(dá)到常規(guī)電池的兩到三倍，即新能源客車實(shí)現(xiàn)同樣的總里程，所需的電池僅相當(dāng)于常規(guī)電池的二分之一到三分之一。

3.3可靠性分析

應(yīng)用于新能源客車領(lǐng)域的磷酸鐵鋰快充技術(shù)，將充電時(shí)間縮短到10分鐘-15分鐘，同時(shí)大幅延長電池整體壽命，使之與整車壽命相匹配（10000次循環(huán)）。熱管理技術(shù)改善電池組內(nèi)部管理效率，全封閉可循環(huán)的液體加熱和冷卻系統(tǒng)，散熱和加熱效率高，有效解決電池高溫和低溫使用以及熱分布均衡問題。

磷酸鐵鋰快充技術(shù)將使車輛在使用便利性、經(jīng)濟(jì)性和安全性方面得到極大改善，為解決新能源汽車的續(xù)航里程焦慮和充電樁焦慮供應(yīng)一條行之有效的解決路徑。