为减少环境污染，非化石燃料动力的机动车——纯电动车(EV)和混合电动车(HEV)近年来一直备受关注。由于混合电动车对电池的功率性能要求较高(比功率高于1000W/kg)，相比于铅酸、MH-Ni电池和Cd-Ni电池等，锂离子电池具有更优越的能量和功率性能，有希望成为最适合HEV使用的电池[1-3]。
本文研究开发了具有高功率特性的叠片结构铝塑膜锂离子电池，通过优化体系和工艺，提高了电池的功率性能和温度特性，电池性能可满足目前HEV的使用要求。
1 实验
本文优化的锂离子电池体系采用自主研发的新型层状锰系材料LiMnxCoyNizO2为正极材料，人造石墨为负极材料，电解液成分为1 mol/L LiPF6/EC+EMC+DMC(1:1:1)+添加剂。
锂离子电池的外包装材料较常见的有钢壳和铝塑膜。在电池裸芯相同的情况下两者相比，采用铝塑膜包装电池的成本更低，重量更轻，安全性更好，更有利于HEV电池提高功率密度[4]。
电池内阻对电池的功率性能影响甚大，相同容量的电池，其内阻越小，电池放电时的电压降越小，其功率性能越好。所以一切对电池内阻降低的因素都有利于提高电池的功率性能。层叠式结构的电池相比于卷绕式结构增加了极片的个数，大大增加了极片并联的程度，最大限度的降低了电池的内阻。
为获得最佳的电池性能，本文采用铝塑膜层叠式结构开发出高功率锂离子电池。单体电池的照片如图1所示， 尺寸为115×203×9(mm)， 电池重量约290 g， 额定容量为7.5 Ah， 内阻小于1.5 mΩ。
图1 单体电池照片
Fig.1 Photograph of the cell
2 结果与讨论
2.1 1C充放电特性
按照7.5 Ah的额定容量进行1C充放电，其特征曲线如图2所示。从中可以看出，采用7.5A的电流充电，电池大约70min可充满，其中电池1C放电的平均电压为3.64 V，3.47V以上的放电容量占总放电容量的82.6%，显示了良好的1C充放电性能。同时从放电曲线可以看出，电池电压随放电时间呈一定坡度平稳下降，这表明可以通过监控电压的变化获得更准确的电池额电状态（SOC）。
图2 1C充放特征曲线
Fig.2 Charge-discharge characteristics of the cell at 1C rate
2.2 循环性能
按照7.5 Ah的额定容量让电池在常温下进行长期的1C充放循环，其循环曲线如图3所示，900次循环后容量保持仍在93％以上，显示了研制的电池具有非常出色的循环性能。
图3 1C循环曲线
Fig.3 Cycle characteristics at 1C rate
2.3 倍率放电
按照7.5 Ah的额定容量对电池进行0.2C到12C连续放电性能测试，同时测试了8C以上大倍率放电的电池表面温度。图4为放电电压－能量的曲线，放电的容量、平均电压和最高温度如表1所示。从中可以看出，12C的放电容量与1C容量的比值为90.2%，放电平台为3.430 V，最高放电温度仅为48 ℃，并且与1C的放电平均电压相比，12C的放电平均电压仅降低了0.23 V，显示了电池良好的倍率性能.
(a) (b)
图4 倍率放电电压－能量曲线
Fig.4 Voltage vs. energy profile at various discharge rate
(a) 0.2C-3C; (b) 1C-12C
表1 倍率放电数据表
Table 1 Discharge rate characteristics of the cell
0.2C
0.5C
1C
3C
5C
8C
10C
12C
Discharge capacity(%)
105.5
102.4
100.0
95.76
93.73
92.17
91.38
90.19
Nominal voltage(V)
3.688
3.681
3.665
3.606
3.560
3.496
3.467
3.430
The highest discharge temperature(℃)
——
——
——
——
——
42
46
48
The value of discharge capacity in table is equal to the discharge capacity divided 1C discharge capacity.
2.4 温度特性
满电状态下的电池在四个不同温度下进行了放电性能测试。测试过程均为常温充电，在放电前将电池在所需温度下开路搁置12 h以上。图5为不同温度下的0.5C放电曲线，若以电池常温(25℃)下的放电容量为准，则电池55℃的放电容量为常温放电容量的102%，电压平台在3.68 V；－27℃的放电容量为常温放电的73.5%，电压平台为3.30 V。常温及高温温度下电池的放电能力较好，但低温放电时平均较低、放电容量较小，不利于机动车的低温启动使用，需要进一步改善。
图5 电池不同温度下放电曲线
Fig.5 Discharge profile at varied temperatures
2.5 不同DOD下脉冲充放电能力
为检测电池在不同DOD下的脉冲充放电功率能力，根据FreedomCAR标准，对电池进行了脉冲放电电流为5C(以电池实际容量为准)的HPPC测试。实验通过1C的充放达到电池的不同放电深度，测试该DOD下的10 s大电流脉冲充放电功率。图6为不同DOD下脉冲充放电功率及ASI (Area-Specific Impedance )曲线，其中ASI为极化电阻率，从电池内在阻抗的角度表征电池做功能力，其数值越小电池做功能力越高，在数值上等于：ASI＝△U/△I×活性电极面积。表2为不同DOD下脉冲充放电功率密度的数据。
(a) (b)
图6 不同DOD状态下电池脉冲充放电功率曲线与ASI曲线
Fig.6 (a) pulse power capacity vs. DOD; (b) ASI vs. DOD
表2 不同DOD下电池的脉冲充放电功率密度
Table 2 Power density of pulse discharge/regen at different DOD
DOD(％)
10
30
50
70
90
Power density of pulse discharge(W/kg)
2725
2398
2364
1824
962
Power density of pulse regen(W/kg)
1100
1899
2561
2703
2652
如图6(a)所示， 电池的脉冲放电功率能力随DOD的升高而降低，在70%DOD后降幅明显加大; 脉冲充电功率能力随DOD的升高而升高， 但在60%DOD后增幅减缓，甚至在90%DOD时脉充充电功率有所下降， 这说明在电池在70%DOD后功率能力有所下降。而HEV电源的使用范围一般在30-70％SOC，对应DOD为70～30％，测试结果表明电池在10～70％的广泛DOD范围内其脉冲充电和放电功率密度均在1800 W/kg以上，其中50%DOD下的特征放电功率密度为2364.1 W/kg，充电功率密度为2561.1 W/kg，显示了电池优良的脉冲充放电能力。
由图6(b)可知，ASI随DOD的升高而增加，表示电池做功能力随之下降，但在70％DOD时充放电ASI数值均小于15Ω%26#8226;cm2，再次证明电池良好的大电流脉冲放电能力。
2.6 搁置性能
由于HEV电池在使用时大部分时间处于搁置状态，所以搁置性能是HEV电池非常重要的一个性能。本文测试了电池常温及高温下的搁置状况。常温搁置试验是将电池1C充电至所需SOC，搁置一段时间后1C放出残余容量，再次1C循环获得恢复容量数据。表3为电池的常温和高温搁置数据。由表3可知，满电状态电池在55 ℃下搁置7天，其1C放电容量相比于搁置前保持在94.6%，容量恢复甚至达到97.8%。表明电池具有优良的常温及高温搁置性能。
表3 电池的搁置性能
Table 3 Storage characteristic of battery at various temperatures
Storage condition
Capacity retention (%)
Capacity recovery ratio (%)
25℃，50%SOC，28days
97.0
99.6
25℃，100%SOC，28days
96.5
98.3
55 ℃，100%SOC，7days
94.6
97.8
3 结论
本文研究开发了7.5 Ah铝塑膜包装、叠片结构的HEV用高功率锂离子电池，并对电池进行了1C充放电循环性能、倍率性能、脉冲充放电性能 (HPPC)、搁置等性能测试。测试结果表明，开发的HEV用锂离子电池在1C循环寿命、倍率放电能力、搁置性能上表现优良，其中在50％SOC下具有2364W/kg的脉冲放电功率密度和2561W/kg的脉冲充电功率密度。同时电池还表现出良好的常温和高温搁置性能，仅低温放电性能有待改善。
参考文献
[1] 郭炳昆, 徐徽, 王先友, 肖立新. 锂离子电池. 长沙: 中南大学出版社, 2002: 25-31
[2]T., Horiba; K., Hironaka; T., Matsumura; T., Kai; M., Koseki; Y., Muranaka. J of Power Sources, 2003,
119~121: 893
[3] Indrajeet V.T.;Vipul M.;John N. H.;Dean R. W.. J of Power Sources, 2006,162:673？C678
[4]庞 静,卢世刚,杜纪磊,张刚,刘人敏,陈晓红.电池,2004, 34(3): 159
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