大容量锂离子动力电池设计与性能研究
锂离子动力电池的优势与劣势分析
锂离子动力电池的优势与劣势分析锂离子动力电池作为目前应用最广泛的电池之一，其作用在各个领域的电力储存中扮演着重要的角色。
本文将从锂离子动力电池的优势和劣势两个方面进行分析，并探讨其在未来的应用前景。
优势分析：1. 高能量密度：锂离子动力电池具有较高的能量密度，能够储存和释放更多的电能，相对于传统的铅酸电池和镍氢电池来说，其能量密度更高，储存更多的能量，因此在同样体积的情况下，锂离子电池可以提供更长的续航里程。
2. 长循环寿命：与其他电池相比，锂离子电池具有较长的循环寿命。
经过数千次的充放电循环后，锂离子电池的性能仍能保持相对稳定。
这意味着锂离子电池可以在长期使用中保持更好的性能，延长了电池的使用寿命。
3. 无记忆效应：锂离子电池没有记忆效应，即使电池没有完全放空，也可以进行充电而不会对电池的性能产生负面影响。
这使得锂离子电池更加方便使用，可以根据实际需求进行充电，而无需担心记忆效应对电池寿命的影响。
4. 快速充电能力：相对于其他类型的电池，锂离子电池具有较快的充电速度。
现代锂离子电池技术的进步，使得电池能够在短时间内快速充电，从而提高了电池的可用性和便利性。
劣势分析：1. 安全性问题：锂离子电池在过热、过充、过放等情况下，存在安全隐患。
如果电池内部结构设计不当，或者电池过度使用时发生异常，可能会导致电池膨胀、起火甚至爆炸等安全事故。
因此，在设计和使用锂离子电池时需要特别注意安全问题，并采取相应的安全措施。
2. 有限的资源和环境影响：锂离子电池的生产需要消耗大量的锂资源，而目前全球锂资源的储量有限。
此外，电池的生产和废弃处理也会对环境造成一定的影响。
虽然一些回收技术正在发展，但对于大规模的电池废弃物处理仍然存在问题。
3. 电池容量衰退：锂离子电池的容量随着使用时间的增加而逐渐下降。
这是因为电池内部材料的物理和化学变化，导致电池容量减少。
尽管锂离子电池相对其他电池类型的容量衰减较慢，但随着使用寿命的延长，容量衰减仍然是影响锂离子电池性能的一个因素。
锂离子动力电池大电流脉冲充电特性研究
比较 ． 证 实 了 大 电流 脉 冲 充 电是 一 种 能 有 效 减 小极 化 现 象 、 高效 快速 的 充 电 方 式 。同时 试 验 了不 同脉 冲 时 间 、 不 同充 电 电流 对 脉 冲 充 电效 果 的 影 响 ， 得 出最 佳 脉 冲 充 电 参 数 。
关键词 ： 锂 离子 电池 ； 脉冲充电； 大电流 ； 快速充 电 中 图分 类 号 ： Ｔ Ｍ ４ ６ ４ 文献 标 志码 ： Ａ 文章 编 号 ： ２ ０ ９ ５ — ２ ８ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ — ０ ０ ３ ０ — ０ ５
化 现 象 ，从 而 能 够用 较 大 的 电流 给 蓄 电池 充 电 ， 提 高充 电速 度 。
图 ２ 恒 压 充 电方 式 电压 电流 曲线
恒压 充 电 ： 恒 压充 电 的 电压 电 流 曲线 如 图 ２所
示， 充 电过 程 中保 持 充 电 电压 恒 定 ， 充 电 电流 不 断
于大 容量 锂 离 子 电池 的充 电效果 缺 乏 实验 依 据 ， 特
蓄 电池极 化 现象 的存在 ，随 着充 电时 间 的增 加 ， 蓄
电池可 接受 的最 大充 电电流减 小 。持续 大 电流充 电
条件下 ， 正 负极 离 子浓 度 升 高 ， 极化 加 剧 ， 电池 端 电 压 将很 快达 到充 电截 止 电压导 致无 法继 续充 电。同 时 大 电流充 电下 电池 温度 会 过 高 ， 对 电池 安全 性 产
第 １期 ２ ０ １ ３年 １月
电
源
学
报
Ｎｏ ． １
Ｊ ｏ ｕｒ ｎａ ｌ ｏ ｆ Ｐｏ ｗｅ ｒ Ｓｕ ｐ ｐｌ ｙ
Ｊ ａ ｎ ． ２ ０ １ ３
锂离子电池的研究与应用
锂离子电池的研究与应用一、研究背景随着现代化社会的发展，电子设备的普及，锂离子电池因其高能量密度、长寿命、轻量化等优点而逐渐成为电子产品的首选电源。
2020年，全球锂离子电池市场规模达到了266.2亿美元，预计到2025年将达到367.5亿美元。
目前，锂离子电池的使用已经扩展到了移动通信、笔记本电脑、电动汽车、宇航等众多领域，其应用前景广阔。
二、锂离子电池的结构和工作原理锂离子电池是由正极、负极、电解质和隔膜组成的。
正极材料主要有三种：钴酸锂、锰酸锂和磷酸铁锂，负极材料常用的有石墨、二氧化钛、硅等。
电解质和隔膜可以有效隔离正、负极之间的电荷，防止电极短路。
锂离子电池的工作原理为：在插入充电器时，电流通过正极将锂离子氧化成离子从正极移到负极，此时电池处于充电状态；在插入电器时，电池的负极材料释放电子，离子则回到正极的材料上，电池处于放电状态。
三、研究进展众所周知，新能源汽车发展已成为国家战略和产业发展的重点，而锂离子电池正是电动汽车的主要动力。
因此，研究锂离子电池的性能提升和应用拓展具有重要的战略意义。
目前，研究主要集中在以下几个方面：1. 正、负极材料的研究正、负极材料是锂离子电池的重要组成部分，其性质直接影响了电池的性能。
目前，主流的正极材料是锰酸锂、钴酸锂和磷酸铁锂，锰酸锂电池的安全性能高，但能量密度较低；钴酸锂电池的能量密度高，但价格昂贵且存在安全隐患；磷酸铁锂电池的安全性能好且价格低廉，但能量密度相对较低。
负极材料目前常用的是石墨，但石墨存在容易发生锂离子入侵而导致反应的缺陷。
因此，针对以上问题，研究人员正在寻求新的正、负极材料。
2. 电解质的研究电解质是锂离子电池的核心部分，其性质直接影响了电池的性能。
传统电解质多为有机电解质，但其易燃易爆，存在安全隐患。
因此，研究人员正在寻求新的、更加安全的电解质，其中固态电解质备受关注。
3. 结构设计的研究锂离子电池结构的改进也是提高其性能的重要途径。
大容量锂-氧气软包电池的研究方案
大容量锂-氧气软包电池的研究方案1. 引言1.1 背景介绍目前，随着移动电子设备的普及和电动汽车的发展，对高能量密度、高安全性和长循环寿命的动力电池需求越来越大。
传统的锂离子电池在能量密度方面已经接近极限，因此人们开始关注其他类型的电池，如锂-氧气电池。
锂-氧气电池具有更高的理论能量密度，可以实现更长的续航里程，成为下一代动力电池技术的研究热点。
锂-氧气电池在实际应用中还存在许多挑战，如电极材料的长期稳定性、电解液的选择和设计、充放电过程中的氧气管理等。
对于大容量锂-氧气软包电池的研究尤为重要。
通过优化材料选择、工艺设计和性能测试，可以提高电池的能量密度和循环寿命，从而推动锂-氧气电池技术的商业化进程，满足未来电动车和移动电子设备对高性能动力电池的需求。
1.2 研究意义研究锂-氧气软包电池具有重要的实用意义和技术挑战。
锂-氧气软包电池能够实现更高的能量密度，使其在电动车等领域具有更广阔的应用前景。
软包设计可以提高电池的灵活性和安全性，减小体积和重量，方便集成到各类产品中。
通过对材料、工艺和性能的优化，可以进一步提高锂-氧气软包电池的循环稳定性和充放电性能，延长电池的使用寿命。
深入研究大容量锂-氧气软包电池的工艺优化、性能测试和安全性评估，能够推动锂-氧气电池技术的发展，为未来新能源领域的进步做出贡献。
1.3 现状分析对于锂-氧气软包电池的现状分析显示，虽然已经取得了一些进展，但仍然面临着诸多挑战和困难。
对锂-氧气软包电池的研究和优化仍然具有重要的意义和价值。
通过对材料选择、工艺优化和性能测试等方面进行深入研究，可以进一步提高锂-氧气软包电池的能量密度、循环寿命和安全性能，推动其在电动车、储能系统等领域的应用和发展。
2. 正文2.1 锂-氧气电池原理锂-氧气电池是一种新型的高能量密度储能设备，具有很高的理论能量密度和比容量，被认为是下一代电池技术的重要方向之一。
锂-氧气电池通过锂金属作为阴极，在充放电过程中与氧气反应生成锂氧化物并释放出电子，实现电化学能量的转换和存储。
锂离子电池建模与荷电状态估计研究
二、锂离子电池荷电状态估计
荷电状态（SOC）是锂离子电池内部电化学状态的关键参数，它反映了电池 剩余容量和健康状况。SOC估计的准确性对于电池管理系统的性能至关重要。目 前，常用的SOC估计方法包括直接测量法、模型法和数据驱动法。
1、直接测量法：通过测量电池的电压、电流等物理参数，直接获取SOC。这 种方法简单直观，但受限于测量设备的精度和响应速度。
最后是模型建立阶段，根据分析结果建立起锂离子电池的数学模型。常见的 模型包括电化学模型等效电路模型等。这些模型能够对电池的动态特性和荷电状 态进行有效的描述和预测。通过模型建立，可以更好地理解电池的内部机制和外 部表现，为后续的荷电状态估计提供有力支持。
三、实验结果与分析
实验结果表明，采用神经网络等机器学习方法建立的电池模型和荷电状态估 计值具有更高的准确性和鲁棒性。对比传统线性回归分析方法，神经网络方法可 以更好地处理非线性关系，并能够自动识别和适应多种工况条件。此外，神经网 络方法还具有自适应性、自组织性和鲁棒性等优点，可以更好地适应实际应用中 电池性能的变化。
三、荷电状态（SOC）估计
荷电状态（SOC）是描述电池剩余容量的重要指标。准确估计SOC对于电池的 优化利用具有重要意义。在实际应用中，可以通过测量电池的电压、电流和温度 等信息，采用卡尔曼滤波等算法，实现对SOC的准确估计。同时，针对电池老化 对SOC估计的影响，可以结合电池容量和内阻的模型进行综合考虑，以提升SOC估 计的准确性。
1、基于物理模型的预测方法：通过建立电池的物理模型，模拟电池的充放 电过程，从而预测电池的寿命。这种方法需要深入理解电池的内部机制，但精度 较高。
2、基于统计分析的预测方法：通过分析大量电池的数据，找出影响电池寿 命的关键因素，从而预测电池的寿命。这种方法需要大量的数据支持，但简单直 观。
锂离子动力电池及其应用
14.94
60/(0.6C) 237 3.97 16.96 3212
16.16
80/(0.8C) 32 0.74 3.133 3129
14.15
图5-8 锂离子电池充电曲线
在实际电池组应用中，可以以锂离子电池允许的 最大充电电流充电，达到限压后，进行恒压充电 ，这样在减少充电时间的基础上，也保证了充电 的安全性。
镍与钴的性质非 常相近，而价格 却比钴低很多， 井且对环境污染 较小。
图5-2层状LiCoO2的结构示意图
Mn元素含量丰富，价格便宜，毒性远小于过渡 金属Co、Ni等。主要缺点是电极的循环容量容 易迅速衰减，原因主要有：
①LiMn2O4的正八面体空 隙发生变化产生四方畸变
②LiMn204中的锰易溶解于 电解液中而造成流失
锂离子电池的优点
1)工作电压高。钴酸锂3.6V，锰酸锂3 .7V， 磷酸铁锂3.2V。
2)比能量高。理论比能量可达200W·h／kg以 上，实际应用中也可达140W·h/kg。
3)循环寿命长。深度放电循环次数可达1000次 以上；低放电深度循环次数可达上万次。
4)自放电小。月自放电率仅为总容量5 ％ ～9％ 5)无记忆效应。 6)环保性高。不包含汞、铅、镉等有害元素，是
锂离子电池负极材料
负极材料是决定锂离子电池综合性能优劣的关键 因素之一，比容量高、容量衰减率小、安全性能 好是对负极材料的基本要求。
图5-6锂离子电池的负极材料
石墨是锂离子电池碳材料中应用最早、研究最多 的一种，其具有完整的层状晶体结构。石墨的层 状结构，有利于锂离子的脱嵌，能与锂形成锂一 石墨层间化合物，其理论最大放电容量为 372mA·h／g，充放电效率通常在90％以上。 锂在石墨中的脱／嵌反应主要发生在0～0 .25V 之间(相对于Li+/Li)，具有良好的充放电电压平 台，与提供锂源的正极材料匹配性较好，所组成 的电池平均输出电压高，是一种性能较好的锂离 子电池负极材料。
高性能锂离子电池负极材料的制备及其性能的研究PPT课件
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碳基负极材料
常见的碳基负极材料有：石墨、硬碳、软碳等。对碳基材料进 行改性的方法常有：机械研磨、表面包覆、表而氧化、掺杂等。碳 基材料首次充放电效率高、导电性好、不可逆容量低、电极电势较 低且价格低廉来源广。但碳基材料比容量低难以满足现在越来越高 的能量需求。
钛基负极材料
常见的钛基负极材料为：TiO2、Li4Ti5O12。钛基材料的常见合 成方法有：水热合成法、溶胶-凝胶法、模板法、电化学阳极氧化 法、液相沉淀法、超声合成法等。TiO2 较高的嵌锂离子电位(1.5～ 1.8 V)，可以避免锂枝晶的生成，然而TiO2本身是半导体，导电性 差；Li4Ti5O12由于在嵌锂离子时具有零应变(体积变化约 0.2%)特性 ，具有较正的理论嵌锂离子电位(1.55 V，vs. Li/Li+)，被认为是一 种理想的锂离子电池负极材料；然而， Li4Ti5O12导电性差，导致 其大电流倍率性能差为提高材料的电子导电性，目前的研究主要 集中在掺杂和表面修饰。
• 1980 年，Armand 率先提出锂蓄电池负极不再采用金属锂，而是正负极均采 用能让锂离子自由脱嵌的活性物质TiS2。从此以后，锂离子电池得到了迅猛 的发展。
• 1990 年日本的索尼(Sony)公司率先开发了首个商用锂离子电池，随后革新了 电子产品的新面貌，它是把锂离子嵌入碳中形成负极，取代传统锂原电池的 金属锂或锂合金作负极。
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研究内容以及方案
需要解决的问题
a)硅负极方面：
1（减缓体积膨胀）电化学储锂时，由于硅原子结合锂原 子得到合金相的过程对应的材料体积变化大（~400%）引起 的电极可逆容量的迅速衰减。
全生命周期的锂离子动力电池的安全性能研究
全生命周期的锂离子动力电池的安全性能研究从2014年起我国的锂离子电动车在数量上呈现爆发式增长,在能量密度上成倍增加。
作为一种能量密度较高的化学电源,锂离子电池本身具有一定安全风险,且随着能量密度的不断提高,风险不断上升。
目前针对锂离子电池安全性能的研究大多数集中在新鲜电池上,对锂离子电池使用过程中的安全性能研究的非常的少,而使用过程中的锂离子电池的安全性关乎着人们的生命财产,因而研究锂离子电池全生命周期(容量保持率不低于80%)内的安全性能对其使用中的安全性监测有重大的指导意义。
本论文主要从四个方面研究了正极为三元材料、负极为石墨的车载电池的全生命周期内的以及循环至容量保持率为80%的安全性能,同时分析了电池的安全影响因素。
(1)首先将循环600周后容量保持率90%的电芯按照国标GBT/31485要求进行安全测试,从测试结果可以看出,其电芯的整体通过率相比于分容后电芯有所提高。
而循环至520周后容量保持率80%的电芯,析锂面积较大。
其电芯与分容后的相比,在针刺、过充测试的通过率有所提升,但在加热、短路测试的通过率有所下降。
(2)其次为了探究电芯安全优劣化机理,接下来对循环后电芯拆解分析。
循环600周后量保持率90%的电芯,在短路、过充测试中通过的一个重要原因是在充放电循环时固体电解质界面(SEI)膜增厚,造成极片电阻增加,从而使针刺时的短路电阻增大、过充时更容易极化到上限电压。
循环520周后量保持率80%的电芯的电芯容量快速衰减的原因是由于在循环过程中出现了大面积析锂,造成了锂的损失。
其电池在加热、短路测试通过率降低的原因是大量析锂造成了电芯热稳定性下降。
(3)由于电池在循环的后期很容易析锂,存在着电池内短路的风险,因而进一步探究了析锂对电芯安全的影响。
对80%容量保持率的电芯负极的析锂区与正常区分别做XPS测试分析,其试验结果证明负极析出的锂已变成了锂的化合物,因而造成正负极短路安全风险较小。
车用锂离子动力电池实验报告
试验题目：车用锂离子动力电池实验目录试验题目：车用锂离子动力电池实验 (1)1.实验目的： (2)2.动力电池简介 (2)a)车载动力电池介绍 (2)b)国内电动车用锂离子动力电池的标准 (2)3.实验仪器 (3)4.试验方法 (4)5.数据处理分析 (5)a)分析不同温度下、不同倍率下电池能放出或充进的电量 (5)b)电池的直流内阻特性（与温度、SOC关系） (7)c)电池开路电压与温度的关系 (9)d)电池的开路电压稳定时间 (10)e)电池的功率特性（与温度、SOC关系） (11)f)各温度下电池特性比较 (12)6.实验总结 (14)7.附录 (14)a)参考文献 (14)b)数据处理代码 (15)1.实验目的：1)了解动力电池主要性能参数2)了解动力电池基本性能试验标准及方法3)了解动力电池试验设备4)基本掌握试验结果分析方法2.动力电池简介a)车载动力电池介绍新能源汽车动力电池可以分为蓄电池和燃料电池两大类，蓄电池用于纯电动汽车（EV），混合动力电动汽车（HEV）及插电式混合动力电动汽车（PHEV）；燃料电池专用于燃料电池汽车（FaV）。
主要类型有主要有阀控式铅酸蓄电池（VRLAB）、碱性电池（Cd-Ni）电池、MH-Ni 电池）、Li-ion 电池、聚合物Li-ion 电池、Zn-Ni 电池、锌-空气电池、超级电池、质子交换膜燃料电池（PEMFC）、直接甲醇燃料电池（DMFC）等。
而就电池性能而言，不同需求造成了对电池的性能需求不同。
HEV有汽油发动机作为动力来源，更强调加速性能和爬坡能力，因此更注重电池的比功率（要求高达800——1 200 W / kg）；PHEV和EV完全以电池作为动力，更强调充电后的续驶能力，因而更关注电池的比能量（要求达到100——160 Wh/kg）。
在现有的新能源汽车动力电池中，锂离子电池生产成本相对较低，重复充电利用非常方便，相比其他可携带能源具有更高的成本优势。
航空用大容量锂离子电池研究
电子测量0 引言锂离子蓄电池是二十世纪九十年代初发展起来的一种新型高能电池，具有比能量大、工作电压高、循环寿命长、自放电小、免维护等特点[1]。
目前，航空机载领域装备的直流化学电源主要作为应急电源使用，类型主要有：镉镍蓄电池组、锌银蓄电池组、铅酸蓄电池组，与此相比，锂离子蓄电池组的体积比能量和质量比能量更高，可以降低机载直流化学电源的重量，增加飞行器的额外载荷能力，因此高性能的航空用锂离子蓄电池组正成为机载直流化学电源的技术发展趋势。
到目前为止，航空机载能够实用的锂离子电池正极材料主要有钴酸锂、磷酸铁锂、锰酸锂、镍酸锂及镍钴锰酸锂三元材料等，而负极材料基本上都采用碳。
目前工程应用范围最广、应用技术最成熟的正极材料是钴酸锂材料。
国外在航空航天领域开始应用的是镍酸锂正极材料和钴酸锂正极材料两种，其中法国SAFT公司使用镍酸锂材料、日本使用钴酸锂材料。
镍酸锂材料具有比能量高、储存性能优异等特点，但其安全性最差。
与钴酸锂材料电池相比，磷酸铁锂电池和锰酸锂电池的安全性有所提高，成本降低，但磷酸铁锂电池的比能量低、低温性能差，锰酸锂电池的高温使用寿命较差，镍钴锰酸锂三元材料是最近发展的新材料，航空机载工程化应用时间较短。
航空用锂离子蓄电池组通常具备容量大、电压高等特性，一般情况下采用多只大容量动力锂离子电池串联增压，其供电特性等性能与大容量动力锂离子电池直接相关。
大容量动力锂离子电池的制造工艺主要有两种：①采用叠片或卷绕工艺直接制造大容量锂离子电芯；②通过小容量锂离子电芯并联增容制造。
不管是哪种工艺，均需要通过集流体汇流后进行输出。
基于小容量锂离子电芯并联增容的大容量动力锂离子电池，刘新军等[2]研究了极耳分布、引出方式等对内部并联单元电流分布的影响；周显茂等[3]研究了单体的容量、放电平台、初始电压、自放电率等参数对并联电池性能的影响。
本文基于小容量锂离子电芯并联增容的航空用大容量动力锂离子电池，采用内阻测量法及恒流放电法研究了锂离子电芯并联后的内阻、功率供电特性变化，并开展了过充电、过放电、针刺、加温及短路安全性测试。
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II
目
录
第一章 绪论 .............................................................................................................................. 1 1.1 动力电池特点及其发展 ....................................................................................................... 1 1.1.1 动力电池的特点 .......................................................................................................... 1 1.1.2 动力电池的发展 .......................................................................................................... 1 1.2 锂离子电池工作原理........................................................................................................... 3 1.3 锂离子动力电池研究现状.................................................................................................... 3 1.3.1 锂离子动力电池存在问题 ............................................................................................ 3 1.3.2 锂离子动力电池解决方法 ............................................................................................ 4 1.4 电池热仿真模型研究进展.................................................................................................... 6 1.4.1 电化学-热耦合模型 ..................................................................................................... 6 1.4.2 电-热耦合模型 ............................................................................................................ 6 1.5 锂离子动力电池电芯研究进展............................................................................................. 8 1.5.1 卷绕电芯设计.............................................................................................................. 8 1.5.2 叠片电芯设计............................................................................................................ 10 1.6 课题的提出与研究内容 ..................................................................................................... 12 第二章 实验方法与设备 ......................................................................................................... 13 2.1 电池制作过程 ................................................................................................................... 13 2.2 电池制作工艺及设备......................................................................................................... 13 2.3 检测方法........................................................................................................................... 16 2.3.1 电池充放电性能测试................................................................................................. 16 2.3.2 扫描电镜分析（SEM）............................................................................................. 16 2.3.3 X 射线衍射分析（XRD）.......................................................................................... 16 2.3.4 电化学阻抗分析（EIS） ........................................................................................... 16 2.3.5 红外热成像分析 ........................................................................................................ 17 2.3.6 安全性能检测............................................................................................................ 17 第三章 20Ah 软包电池设计与热仿真计算............................................................................. 18 3.1 设计原理........................................................................................................................... 18 3.2 电池具体设计 ................................................................................................................... 18 3.2.1 电池使用材料............................................................................................................ 18 3.2.2 电芯结构设计............................................................................................................ 19 3.3 电池实体图....................................................................................................................... 21 3.4 电池热模型理论计算......................................................................................................... 21 3.4.1 二维模型计算............................................................................................................ 21 3.4.2 三维模型计算............................................................................................................ 22
分类号： 学 号： 6120100117
密
级： 10407
单位代码：
硕 士 学 位 论 文
论文题目: 大容量锂离子动力电池设计与性能研究
研 专
究 业
方 名
向 称
动力电池及其材料 材料学 段建峰 钟盛文 教授
研 究 生 姓 名 导师姓名、职称
2013 年 6 月 6 日
江西·赣州
摘
要