鉅大LARGE | 點擊量：1475次 | 2018年09月30日
電動車用鋰電池技術(shù)現(xiàn)狀的分析介紹
鋰電池是一類由鋰金屬或鋰合金為負極材料、使用非水電解質(zhì)溶液的電池。最早出現(xiàn)的鋰電池來自于偉大的發(fā)明家愛迪生，使用以下反應(yīng)：Li+MnO2=LiMnO2，該反應(yīng)為氧化還原反應(yīng)。由于鋰金屬的化學特性非?；钴S，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境要求非常高。所以，鋰電池長期沒有得到應(yīng)用。而現(xiàn)在，鋰電池已經(jīng)成為了主流。
目前，鋰離子電池應(yīng)用于電動自行車產(chǎn)品較為普遍，并解決了電動自行車輕量化、美觀化的產(chǎn)品需求問題，但由于其應(yīng)用時間并不長，而動力鋰電池技術(shù)也并未達到完善的程度，因此還存在眾多問題需要解決。以下，我們就來分析目前電動自行車用鋰電池在技術(shù)層面的現(xiàn)狀。
一、鋰離子電池發(fā)展進程
由于鋰金屬的化學特性非?；钴S，使得鋰金屬的加工、保存、使用，對環(huán)境要求非常高，所以鋰電池生產(chǎn)要在特殊的環(huán)境條件下進行。而由于鋰電池的很多優(yōu)點，鋰電池被廣泛的應(yīng)用在電子儀表、數(shù)碼和家電產(chǎn)品上。但是，鋰電池多數(shù)是二次電池，也有一次性電池。少數(shù)二次電池的壽命和安全性比較差。
后來，日本索尼公司發(fā)明了以炭材料為負極，以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子，這就是鋰離子電池。當對電池進行充電時，電池的正極上有鋰離子生成，生成的鋰離子經(jīng)過電解液運動到負極。而作為負極的碳呈層狀結(jié)構(gòu)，它有很多微孔，達到負極的鋰離子就嵌入到碳層的微孔中，嵌入的鋰離子越多，充電容量越高。同樣，當對電池進行放電時(即我們使用電池的過程)，嵌在負極碳層中的鋰離子脫出，又運動回正極。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
回正極的鋰離子越多，放電容量越高。我們通常所說的電池容量指的就是放電容量。在Li-iond的充放電過程中，鋰離子處于從正極→負極→正極的運動狀態(tài)。Li-ionBatteries就像一把搖椅，搖椅的兩端為電池的兩極，而鋰離子就象運動員一樣在搖椅來回奔跑。所以Li-ionBatteries又叫搖椅式電池。
隨著數(shù)碼產(chǎn)品如手機、筆記本電腦等產(chǎn)品的廣泛使用，鋰離子電池以優(yōu)異的性能在這類產(chǎn)品中得到廣泛應(yīng)用，并在近年逐步向其他產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。1998年，天津電源研究所開始商業(yè)化生產(chǎn)鋰離子電池。習慣上，人們把鋰離子電池也稱為鋰電池，現(xiàn)在鋰離子電池已經(jīng)成為了主流。
二、鋰離子電池的特性
鋰離子電池與其他類電池存在差別，有著其獨有的特性。
(一)高能量密度
鋰離子電池的重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的20-30%，鎳氫的35-50%。
(二)高電壓
一個鋰離子電池單體的工作電壓為3.7V(平均值)，相當于三個串聯(lián)的鎳鎘或鎳氫電池。
(三)無污染
鋰離子電池不含有諸如鎘、鉛、汞之類的有害金屬物質(zhì)。
(四)不含金屬鋰
鋰離子電池不含金屬鋰，因而不受飛機運輸關(guān)于禁止在客機攜帶鋰電池等規(guī)定的限制。
(五)循環(huán)壽命高
在正常條件下，鋰離子電池的充放電周期可超過500次，磷酸亞鐵鋰(以下稱磷鐵)則可以達到2000次。
(六)無記憶效應(yīng)
記憶效應(yīng)是指鎳鎘電池在充放電循環(huán)過程中，電池的容量減少的現(xiàn)象。鋰離子電池不存在這種效應(yīng)。
(七)快速充電
使用額定電壓為4.2V的恒流恒壓充電器，可以使鋰離子電池在1.5--2.5個小時內(nèi)就充滿電;而新開發(fā)的磷鐵鋰電，已經(jīng)可以在35分鐘內(nèi)充滿電。
三、鋰離子電池在電動自行車領(lǐng)域的應(yīng)用
目前在電動自行車上應(yīng)用的大功率鋰離子動力電池基本上都是由多只單體電池串聯(lián)、并聯(lián)而成的。在其應(yīng)用過程中，鋰動力電池存在的問題主要是各個單體電池之間的離散性較大，從而影響到整個電池組的安全性和使用壽命。
因此，我們認為理想的鋰動力電池組管理應(yīng)該針對電池組的安全性和使用壽命。這種控制的要求是：不僅能夠管理和保護電池組中的每一單體電池，而且在放電時還要使每只電池的電壓保持均衡一致，如同很多杯水在同一個水平線平衡一致地往外流。在充電時要保證電池組中的所有電池在同一個電壓線上均衡一致地進行充電，直至所有電池充滿為止，就如很多個杯子，盡管容量不一樣，但以相同的流量注水時，要保證每一只杯子溢水。
綜上所述，電動自行車用鋰電池在使用過程中，要始終保持電池不過充、不過放、不發(fā)熱、壽命長，尤其是使用安全。這就要求電池組必須具有對每只單體電池充放電均衡及保護功能。
四、電動自行車用鋰電池分類
電動自行車用鋰電池大致可分為三大類：錳酸鋰電池、三元材料電池和磷酸鐵鋰電池。
錳酸鋰電池：解決錳酸鋰電池的高溫性能，必須對電池的正極材料、電池結(jié)構(gòu)設(shè)計和電解液配方進行改良。在日本和韓國采用改性錳酸鋰，改性錳酸鋰電池在65℃存放一星期，容量只下降到99%。
三元材料電池：鈷、鎳、錳三元材料作為正極材料的鋰電池，它克服了錳酸鋰的高溫性能差的缺陷，又提高了電池的比能量。
磷酸鐵鋰電池：2002年以來，美國和加拿大開始研制磷酸鐵鋰電池，它成為一種新的具有巨大發(fā)展前途的動力型鋰電池。超長壽命，在室溫下1C充放電循環(huán)達2000次。
磷酸鐵鋰電池的優(yōu)勢：安全性高。磷酸根化學鍵的結(jié)合力比較強，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性好;環(huán)保且不含有任何重金屬;無毒(SGS認證通過)，無污染;充電速度快，磷酸鐵鋰電池可大電流5～10C快速充放電;大電流放電性能好;可10～50C大電流高功率放電。
磷酸鐵鋰電池的缺點：低溫性能劣于錳酸鋰等其他正極材料。磷酸鐵鋰電池的單體電壓是3.2V。36V的電池組需要12個單體電池串聯(lián)。單體磷酸鐵鋰電池壽命目前超過2000次，但電池組的壽命可能只有500次。
五、電動自行車用鋰電池的優(yōu)缺點
(一)電動自行車用鋰電池的優(yōu)點
鋰電池的能量比鉛酸電池大一倍多，目前用鉛酸電池的電動自行車充電一次可行駛50~70km，改用同重量的鋰電池可行駛100~150km，它的充放電次數(shù)也高，存在的問題是：價格較高，為鉛酸電池的6倍，每部車配套需1800~2000元。再則現(xiàn)有規(guī)格都是適用于手機、筆記本電腦的小型號，有待開發(fā)出10Ah以上的較大型號，這種蓄電池目前只能用于豪華型自行車或電動摩托車，但是它的降價潛力較大，前景很好。
鋰電池電動自行車具有的優(yōu)點是其壽命長、重量輕、體積小。有一種外形小巧的鋰電池電動自行車，重量只有16公斤左右，電池只有一本書大小，才2.5公斤重，可以放在包里拎著走，還可以用來給電腦充電，而與之馬力相當?shù)你U酸電池重量則在15公斤左右。不過，這種電動車價格比較貴，要2800多元一輛?！斑@種車上市才一周，價格比較高，但銷量比預想的好，一周時間就賣出好幾輛。”綠源電動車負責人張先生介紹，這種車采用了鋰電池，充電一次可跑30公里左右。捷安特、普利司通等品牌專賣店里也有鋰電池電動車?！颁囯姵仉妱幼孕熊嚨膭恿π阅芎豌U酸電池差不多，充電6~8小時，根據(jù)電池容量不同可跑30~45公里，重量只有鉛酸電池的1/5左右?！苯莅蔡氐匿N售人員稱，鋰電池電動自行車最大的優(yōu)點是壽命長，一組電池可用4~5年，而鉛酸電池壽命只有2年左右。
(二)電動自行車用鋰電池的缺點
鋰電池存在的缺點是價格偏高、市場份額僅4%。目前鋰電池電動自行車的價格普遍比鉛酸電池電動車高出幾百元到一千元，因此銷量不大。“兩者相差800多元，如果只差兩三百元我可能會考慮下。”正在選購電動自行車的張女士最后還是買了傳統(tǒng)的鉛酸電池電動車。
六、電動自行車用鋰電池存在的問題及解決方案
鋰電池應(yīng)用于電動自行車產(chǎn)品時間并不長，其技術(shù)也并未達到很高的水平，因此，還存在著多方面的技術(shù)問題，一定程度上制約著電動自行車鋰電池行業(yè)的發(fā)展。
當前，電動自行車用鋰離子電池需要解決的問題主要是使用過程中的安全問題，怎樣解決安全問題成為今后電動自行車用鋰電池發(fā)展的一個趨勢，在這里我們簡單介紹一下如何解決這一問題。
(一)過充
正常鋰電應(yīng)充電最高4.2伏，鐵鋰電池在此基礎(chǔ)上減0.5伏做上下限，充電高于4.3伏為過充。解決這一問題，需要精確測量電壓真值：采用科學的充電方式，充滿而不過充;合理的設(shè)置單節(jié)過充保護電壓點：如：4.2V±0.05V，確保不會過充而爆炸。
(二)過放
鋰電池放電最低3.2伏，放電低于3伏為過放，精確測量電量真值：采用科學、安全的放電方式，放完而不過放;合理的設(shè)置單節(jié)過放保護電壓點：如：3.20V±0.05V，確保不會過放而爆炸。
(三)電池溫度檢測
鋰電池溫度過高將會產(chǎn)生爆炸的可能，因此，需要監(jiān)控每節(jié)電池的溫度，確保不會因為電池溫度過高而產(chǎn)生爆炸。
(四)過流保護
鋰電池有個額定電流，不允許超過額定電流，否則會燒壞電池。因此，需要精準測控充放電電流，并高效快速地采取過流保護措施，當電流超過設(shè)定電流時候，避免短路、反接等事故發(fā)生。
(五)均衡
鋰離子電池單體電壓存在著偏差，若不進行均衡控制，隨著充放電循環(huán)的增加，各單體電池電壓逐漸分化，使用壽命將大大縮減。當對一組鋰離子電池充放電時，考慮到各個單體電池的不一致性，可采取均衡措施來確保安全性和穩(wěn)定性。
鋰例子電池被廣泛應(yīng)用儲能電源系統(tǒng)，郵電通訊的不間斷電源，以及電動工具、電動自行車、電動摩托車、電動汽車、特種裝備、特種航天等多個領(lǐng)域。
鋰電池在電動自行車領(lǐng)域的應(yīng)用，雖然還未達到較成熟的程度，但目前良好的發(fā)展前景，以及鋰電池在電動自行車產(chǎn)品上所表現(xiàn)出來的優(yōu)良特性，使鋰電自行車得到較為快速的發(fā)展。
此外，目前開發(fā)的大容量鋰離子電池已在電動汽車中開始試用，預計將成為21世紀電動汽車的主要動力電源之一，并將在人造衛(wèi)星、特種航天和儲能方面得到應(yīng)用。
隨著能源的緊缺和世界的環(huán)保方面的壓力。鋰電現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于電動車行業(yè)，特別是磷酸鐵鋰材料電池的出現(xiàn)，更推動了鋰電池產(chǎn)業(yè)技術(shù)的進步與突破。
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