【正文】 改善其電子電導率。正是由于磷酸鐵鋰低廉的價格和與鈷酸鋰不相上下的電化學性能，使其有望在對安全性和溫度要求較高的動力型二次電池領域獲得廣泛應用，磷酸鐵鋰動力電池材料制備設備的研究也將會得到長足發(fā)展。三、LiFePO4 / C 制備工藝的優(yōu)化及其性能1 引 言正極材料是決定鋰離子電池性能的關鍵因素,目前90 %以上的鋰離子電池的正極材料都是用鈷酸鋰(LiCoO2 ) ,由于鈷資源有限且有毒、價格昂貴、存在一定的安全問題等不足,不能滿足人們的需要。鎳酸鋰 (LiNiO2 ) 雖然容量較高、自放電率低,但是材料制備困難。尖晶石型錳酸鋰(LiMn2O4 ) 雖然具有良好的耐過充能力,但是由于錳在電解液中會溶解,且其高溫循環(huán)性能差等不足限制了其實際應用。1997 年,Goodenough 科研小組首先報道了具有橄欖石結(jié)構的磷酸鐵鋰(LiFePO4 ) 能夠可逆地嵌入和脫出鋰離子,LiFePO4 就以其低廉的價格、良好的循環(huán)性能、安全無毒、較高的理論容量、原材料來源廣泛等優(yōu)勢,引起電化學工作者的廣泛關注。LiFePO4 的理論比容量是170mAh/ g ,其理論真實密度是3. 6g/ cm3 ,Fe2 + / Fe3 + 相對金屬鋰的電壓是3. 4V ,具有非常平穩(wěn)的充放電平臺。本文應用液相共沉淀法聯(lián)合固相焙燒法來制備LiFePO4 / C 復合材料,以材料首次放電比容量為考察標準通過正交實驗來優(yōu)化制備工藝,并對材料的理化性能和電化學性能進行了測試。2 實 驗2. 1 磷酸鐵鋰的制備以硫酸亞鐵、磷酸二氫銨、氨水為原料,檸檬酸為分散劑,用共沉淀法通過嚴格控制體系的p H 值、物料流速、攪拌速度和反應體系溫度等來制備球形磷酸亞鐵銨,充分洗滌和干燥后按一定的x (Li) ∶x ( Fe) 與碳酸鋰混合,再加入適量的葡萄糖,在高速球磨機上進行球磨,然后將球磨好的樣品置于預抽真空高溫爐中進行高溫焙燒,用N2 氣保護,控制升溫速率為5 ℃/ min ,恒溫一段時間后,在爐中自然冷卻,得到LiFePO4 / C復合材料。2. 2 材料性能測試與表征用日本Hitachi 公司S2550 型掃描電子顯微鏡(SEM) 觀察合成產(chǎn)物顆粒的形貌,采用日本理學D/MAX2PC2200 X 射線衍射儀(Cu 靶,λ= 0. 15405nm)對產(chǎn)品進行物相晶體結(jié)構分析, 電壓40kV , 電流20mA ,掃描范圍為10～60176。,掃描速度2176。/ min 。用北京第二光學儀器廠WQF2510 型傅立葉變換紅外光譜儀(F TIR) 測試產(chǎn)品的組成,分辨率為4cm1 ,掃描范圍為400～4000cm 1 。2. 3 電化學性能測試用涂布法制備正極片,將得到的LiFePO4 與乙炔黑、PVDF 按80 ∶15 ∶5 的質(zhì)量比攪拌均勻,以無水乙醇為溶劑,混合成漿料,然后將漿料涂布在鋁箔上,充分干燥后制成正極片,以金屬鋰為負極,Celgard2400聚丙烯多孔膜為隔膜, 1mol/ L LiPF6 / EC2DMC(體積比為1 ∶1) 為電解液,在充滿Ar 氣的手套箱中組裝成電池,將試驗電池置于BS9300 型充放電儀(廣州擎天實業(yè)有限公司) 上進行電化學性能測試,充放電電壓范圍是2. 2～ 。3 結(jié)果與討論3. 1 正交實驗在單因素分析實驗的基礎上,為得到以球形磷酸亞鐵銨為前驅(qū)體用固相焙燒法制備LiFePO4 的最佳工藝條件,考察了球磨時間、x (Li) ∶x ( Fe) 、葡萄糖用量、焙燒溫度和時間對材料首次放電比容量的影響,因此設計了水平正交實驗。從正交實驗的結(jié)果來分析,在一定的實驗條件下,隨著焙燒溫度的升高,材料的首次放電比容量先升高后減小,當溫度過低時,不利于LiFePO4 的生成,含有少量的雜質(zhì)相,當溫度過高時,顆粒變大,存在燒結(jié)的現(xiàn)象,降低了材料的離子擴散速率,影響材料的放電容量。焙燒溫度一定時,隨著球磨時間的增加,材料的首次放電比容量增加,因為球磨時間直接決定反應物料間混合的均勻程度和顆粒的大小。 Fe 過量時,材料中會含有Fe 的雜相,而Li 過量時,也會產(chǎn)生Li2O 相,考慮到鋰在高溫時會揮發(fā)造成損失,所以在實驗過程中適宜的x(Li) ∶x ( Fe) = 1. 02 ∶1. 00 。焙燒時間過短,晶體生長不完全,會產(chǎn)生大量的晶格,影響材料的比容量,焙燒時間過長,生成粒徑較大的顆粒,增加了Li + 在LiFePO4體相中的擴散路程,降低材料的比容量。葡萄糖用量決定產(chǎn)品中的含碳量,碳包覆雖然能夠提高材料的電子導電率,但也會降低材料的振實密度,所以葡萄糖的適宜用量是反應物料質(zhì)量的6 %。3. 2 材料的表征在最佳工藝條件下進行實驗,得到LiFePO4 / C 正極材料,其振實密度為1. 61g/ cm3 。該工藝條件下所得到的樣品以球形和類球形顆粒為主,平均粒徑為2. 0μm。3．3 材料的電化學性能分析非常平穩(wěn)的充放電電壓平臺,其充電平臺和放電平臺分別為3. 4～3. 5V和3. 3～3. 2V。電流密度為0. 1C 時首次充電容量為163. 4mAh/ g ,放電容量為147. 6mAh/ g ,首次充放電效率達到了90. 3 % , 放電容量達到了理論容量的86. 8 %。隨著電流密度的增加,材料的放電容量隨之減小,當充放電電流密度為0. 5和1C 時, 和122. 3mAh/ g。原因可能是電流密度的增加,使得Li x FePO4 / Li1 x FePO4 的界面面積不斷縮小,電極的極化效應增加,從而導致比容量的下降。在0. 1C 電流密度下,循環(huán)50 次之后,其容量為142. 8mAh/ g ,其容量保持率為96. 7 %,在0. 5C 電流密度下,循環(huán)50 次后,其容量為127. 3mAh/ g ,容量保持率為93. 1 % ,在1C 電流密度下,循環(huán)50 次后,其容量為106. 6mAh/ g ,容量保持率為87. 2 %。說明在該工藝條件下,材料具有良好的循環(huán)性能。在室溫時,樣品在0. 5C 的充放電電流密度下,其首次放電比容量為136. 7mAh/ g ,當溫度提高到60 ℃時,材料的首次放電比容量增加到163. 8mAh/ g , % ,比在室溫下提高了27. 1mAh/ g ,提高材料的使用溫度,有利于增加鋰離子的擴散速率,從而提高材料的比容量。這也說明LiFe2PO4 正極材料具有優(yōu)越的安全性能,能滿足動力電池在高溫下使用的要求。常溫下樣品在低電流密度下(0. 5C) ,循環(huán)20 次之后, 其容量從136. 7mAh/ g 下降到132. 5mAh/ g ,容量保持率為96. 9 % ,提高電流密度(1C) ,再循環(huán)20 次之后,其容量從120. 8mAh/ g 下降到114. 9mAh/ g ,容量保持率為95. 1 %。而在溫度為60 ℃時,在低電流密度(0. 5C) ,循環(huán)20 次之后,其容量從163. 8mAh/ g 下降到161. 5mAh/ g ,容量保持率為98. 6 % ,提高電流密度(1C) 時,再循環(huán)20 次,其容量從154. 4mAh/ g 下降到151. 2mAh/ g ,容量保持率為97. 9 % ,這說明在高溫下,材料的循環(huán)性能比室溫好。4 結(jié) 論(1) 以磷酸亞鐵銨為前驅(qū)體合成出LiFePO4 / C正極材料。(2) 在單因素實驗的基礎上,通過正交實驗得到最佳工藝條件為: 球磨時間為7h , x(Li ) ∶x ( Fe) =1. 02 ∶1. 00 ,葡萄糖用量為反應物料質(zhì)量的6 % ,焙燒溫度為700℃,焙燒時間為10h 。各因素對材料的首次放電比容量的影響順序是: 焙燒溫度、球磨時間、x (Li) ∶x ( Fe) 、焙燒時間、葡萄糖用量。(3) 在最佳工藝條件下,材料的振實密度達到1. 61g/ cm3 ,室溫下在0. 1 、0. 5 和1C 放電電流密度下首次放電比容量分別為147. 6 、136. 7 和122. 3mAh/g ,循環(huán)50 次后容量分別為142. 8 、127. 3 和106. 7mAh/ g 。在60 ℃放電電流密度為0. 5C 時,其首次放電比容量高達163. 8mAh/ g ,比室溫下提高了19. 8 %。第七章 動力鋰電池生產(chǎn)工藝概述一、動力鋰電池生產(chǎn)設備鋰動力電池動態(tài)篩選設備解決電池組匹配問題，篩選出早期有內(nèi)在缺陷的不合格品，從而使每個單體電池能具有合格的循環(huán)使用壽命。篩選設備與化成分容設備融合在一起，篩選時間比化成分容略長一些，但不會過長，篩選規(guī)模依投資規(guī)模而定，單路柜機插板式結(jié)構，數(shù)十路、成百上千路均可以，彼此獨立控制，可靈活擴展。篩選條件是在模擬工況充放電環(huán)境下測量單體電芯的充放電工作平臺和動態(tài)內(nèi)阻，除了原有的靜態(tài)參數(shù)作為配組的依據(jù)外，還增加了工作平臺和動態(tài)內(nèi)阻匹配標準，如此下來，現(xiàn)有的許多電池生產(chǎn)企業(yè)所生產(chǎn)的單體電芯均達不到汽車動力電池的使用標準。動力電池組PACK 規(guī)范工裝設備舉全國之力想借助這次能源危機掌握技術主動權，一方面解決國內(nèi)能源短缺問題，另一方面還可以通過技術產(chǎn)品輸出再次獲得豐厚的經(jīng)濟收益，目前正緊鑼密鼓地制定汽車動力電池的尺寸規(guī)格及PACK 規(guī)范，爭取在國際上掌握標準制定的主動權，我們的競爭對手主要是**，在PACK 規(guī)范方面具有獨特的技術創(chuàng)新。動力電池組PACK 規(guī)范的核心內(nèi)容是封裝的標準化，該標準必須以保證品質(zhì)為前提，將動態(tài)篩選出的單體電芯經(jīng)過高效低成本的工裝設備進行封裝，同時兼顧快速質(zhì)檢、BMS接駁、維修保養(yǎng)更換三大操作平臺，并在整個PACK 過程中，有效保障安全生產(chǎn)和高生產(chǎn)率。工裝設備是在我們專有技術的基礎上定制完成的，全部由自己設計加工制造?？焖儋|(zhì)檢設備和壽命測試設備動力電池組PACK 成品出廠前必須進行整體全面質(zhì)檢，因為PACK 成品不但包含數(shù)只動力電池，還有動態(tài)一致控制的BMS 系統(tǒng)，質(zhì)檢的目的是全面檢驗成品的整體性能，把好出廠前的最后一道質(zhì)量關?？焖儋|(zhì)檢設備不同于有臺架的動態(tài)篩選設備，重點驗證BMS 控制能力和單體電芯基本參數(shù)是否發(fā)生異變（因后期操作引起），設備要求快速判定，以便提高生產(chǎn)效率，該設備可以制備數(shù)臺同時質(zhì)檢。壽命測試設備是了解PACK 成品真正性能的重要一環(huán)，該設備往往在PACK 成品大批量投產(chǎn)前就必須投入運行，其特點是自動化程度高，帶有能量循環(huán)再利用特性，無人值守的安全機制，以及海量數(shù)據(jù)存儲和全程數(shù)據(jù)分析功能。以上這些生產(chǎn)設備我們經(jīng)過數(shù)年努力已經(jīng)能全部自制，不但擺脫了國外的技術控制，而且還大幅度降低了購置成本，至少節(jié)約設備投資數(shù)倍。二、動力鋰電池工藝流程PACK 成品由三部分構成，即電池組、BMS 和固定架外殼，其中固定架外殼由應用的具體結(jié)構來決定，涉及到整車的位置、配重、充電接口、通風管道布置以及空間立體尺寸等，這需要與具體車型進行匹配，在承攬加工前必須事先雙方確認好相關設計圖紙，不能有任何差錯。不同的PACK 成品，對充電機、充電站、充電器的要求會有所不同，為了在社會上全面普及使用，必須具有最大范圍的充電條件兼容能力，為此我們在BMS 技術方面做了大量的創(chuàng)新工作，力求充電機構簡單、安全、可靠，在不影響動力電池組使用性能的條件下，可以直接家庭充電，也可路邊、停車場地面插座刷卡充電（全自助方式），大大降低充電機構的建設成本，使充電機構成為停車場基本配套設施變得簡單易行，這在新能源汽車的推廣使用方面至關重要。只要用戶有需求，新能源汽車路邊充電時間可以縮短至20 分鐘，我們目前設計的PACK 成品已經(jīng)能達到這個水平。第八章 電動汽車用驅(qū)動電機的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢一、 引言我國汽車工業(yè)的發(fā)展面臨著來自能源安全、環(huán)境保護和氣候變化等可持續(xù)發(fā)展要求的多重挑戰(zhàn)。隨著近幾年汽車保有量的快速增加，汽車能源消耗增長呈現(xiàn)加速趨勢，進一步加劇了我國石油供需矛盾。在當前石油資源日益緊張，價格不斷攀升的國際形勢下，發(fā)展電動汽車特別是混合動力汽車是緩解我國石油資源短缺現(xiàn)狀的有效途徑，也是增強我國汽車工業(yè)核心競爭力的重大戰(zhàn)略舉措。經(jīng)過“八五”、“九五”規(guī)劃的實施，特別是“十五”國家863 電動汽車重大專項,我國已實現(xiàn)了官、產(chǎn)、學、研的資源整合,具有了電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)自主研發(fā)能力。在國家“三縱三橫”總體布局中(如附圖所示),驅(qū)動電機及其控制系統(tǒng)被列為“三橫”中的共性技術之一。 二、 電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的特點及分類電動汽車對驅(qū)動電機系統(tǒng)的要求至少包括：（1）基速以下輸出大轉(zhuǎn)矩，以適應車輛的啟動、加速、負荷爬坡、頻繁起停等復雜工況；（2）基速以上為恒功率運行，以適應最高車速、超車等要求；（3）全轉(zhuǎn)速運行范圍內(nèi)的效率最優(yōu)化，以提高車輛的續(xù)駛里程；（4）結(jié)構堅固、體積小、重量輕、良好的環(huán)境適應性和高可靠性；（5）低成本及大批量生產(chǎn)能力。電動汽車最早采用了直流電機系統(tǒng),特點是成本低、控制簡單,但重量大,需要定期維護。隨電力電子技術、自動控制技術、計算機控制技術的發(fā)展,包括異步電機及永磁電機在內(nèi)的交流電機系統(tǒng)體現(xiàn)出比直流電機系統(tǒng)更加優(yōu)越的性能,目前已逐步取代了直流電機控制系統(tǒng)。特別是借助于設計方法、開發(fā)工具及永磁材料的不斷進步,用于驅(qū)動的永磁同步電動機得到了飛速發(fā)展。電動汽車中常用的交流電機主要有異步、永磁、開關磁阻三大類型，其特點如表1所示。表1 電機比較其中,異步電機主要應用在純電動汽車(包括轎車及客車),永磁同步電機主要應用在混合動力汽車(包括轎車及客車)中,開關磁阻電機目前主要應用在客車中。特別是,由于具有高效、高功率密度的特點,目前在混合動力轎車中采用的基本都是永磁同步電動機。日本豐田公司的PRIUS 采用的永磁同步電動機功率已達到了50kW,新配置的SUV 車型所用電機功率甚至達到了123kW。與普通工業(yè)用驅(qū)動電機系統(tǒng)及通用變頻器不同，電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的特點是高性能、高功率密度、高可靠性，低成本、低污染和良好的環(huán)境適應性，如表2 所示。表2 工業(yè)用與汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的主要差別三、 電動汽車用驅(qū)動電機系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)的車用驅(qū)動電機系統(tǒng)已達到了小批量生產(chǎn)的水平，包括上述的各種類型電機以及風冷、水冷等冷卻形式，涵蓋5kW～180kW 功率范圍。部分系統(tǒng)指標（如比功率和系統(tǒng)效率）達到了國際先進水平。系統(tǒng)中應用了矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制方法,