【正文】 改善其電子電導(dǎo)率。正是由于磷酸鐵鋰低廉的價(jià)格和與鈷酸鋰不相上下的電化學(xué)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(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用，磷酸鐵鋰動力電池材料制備設(shè)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(guān)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(jià)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(shí)際應(yīng)用。1997 年,Goodenough 科研小組首先報(bào)道了具有橄欖石結(jié)構(gòu)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(jià)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(xué)工作者的廣泛關(guān)注。LiFePO4 的理論比容量是170mAh/ g ,其理論真實(shí)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(yīng)用液相共沉淀法聯(lián)合固相焙燒法來制備LiFePO4 / C 復(fù)合材料,以材料首次放電比容量為考察標(biāo)準(zhǔn)通過正交實(shí)驗(yàn)來優(yōu)化制備工藝,并對材料的理化性能和電化學(xué)性能進(jìn)行了測試。2 實(shí) 驗(yàn)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(yán)格控制體系的p H 值、物料流速、攪拌速度和反應(yīng)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(jī)上進(jìn)行球磨,然后將球磨好的樣品置于預(yù)抽真空高溫爐中進(jìn)行高溫焙燒,用N2 氣保護(hù),控制升溫速率為5 ℃/ min ,恒溫一段時(shí)間后,在爐中自然冷卻,得到LiFePO4 / C復(fù)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(xué)D/MAX2PC2200 X 射線衍射儀(Cu 靶,λ= 0. 15405nm)對產(chǎn)品進(jìn)行物相晶體結(jié)構(gòu)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(xué)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(xué)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(fù)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(yàn)電池置于BS9300 型充放電儀(廣州擎天實(shí)業(yè)有限公司) 上進(jìn)行電化學(xué)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(shí)驗(yàn)在單因素分析實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)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(shí)間、x (Li) ∶x ( Fe) 、葡萄糖用量、焙燒溫度和時(shí)間對材料首次放電比容量的影響,因此設(shè)計(jì)了水平正交實(shí)驗(yàn)。從正交實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來分析,在一定的實(shí)驗(yàn)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(dāng)溫度過低時(shí),不利于LiFePO4 的生成,含有少量的雜質(zhì)相,當(dāng)溫度過高時(shí),顆粒變大,存在燒結(jié)的現(xiàn)象,降低了材料的離子擴(kuò)散速率,影響材料的放電容量。焙燒溫度一定時(shí),隨著球磨時(shí)間的增加,材料的首次放電比容量增加,因?yàn)榍蚰r(shí)間直接決定反應(yīng)物料間混合的均勻程度和顆粒的大小。 Fe 過量時(shí),材料中會含有Fe 的雜相,而Li 過量時(shí),也會產(chǎn)生Li2O 相,考慮到鋰在高溫時(shí)會揮發(fā)造成損失,所以在實(shí)驗(yàn)過程中適宜的x(Li) ∶x ( Fe) = 1. 02 ∶1. 00 。焙燒時(shí)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(shí)間過長,生成粒徑較大的顆粒,增加了Li + 在LiFePO4體相中的擴(kuò)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(dǎo)電率,但也會降低材料的振實(shí)密度,所以葡萄糖的適宜用量是反應(yīng)物料質(zhì)量的6 %。3. 2 材料的表征在最佳工藝條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得到LiFePO4 / C 正極材料,其振實(shí)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(xué)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(shí)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(dá)到了90. 3 % , 放電容量達(dá)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(dāng)充放電電流密度為0. 5和1C 時(shí), 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(yīng)增加,從而導(dǎo)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(shí),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(dāng)溫度提高到60 ℃時(shí),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(kuò)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(shí),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(shí),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(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上,通過正交實(shí)驗(yàn)得到最佳工藝條件為: 球磨時(shí)間為7h , x(Li ) ∶x ( Fe) =1. 02 ∶1. 00 ,葡萄糖用量為反應(yīng)物料質(zhì)量的6 % ,焙燒溫度為700℃,焙燒時(shí)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(shí)間、x (Li) ∶x ( Fe) 、焙燒時(shí)間、葡萄糖用量。(3) 在最佳工藝條件下,材料的振實(shí)密度達(dá)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(shí),其首次放電比容量高達(dá)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(shè)備鋰動力電池動態(tài)篩選設(shè)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(gè)單體電池能具有合格的循環(huán)使用壽命。篩選設(shè)備與化成分容設(shè)備融合在一起，篩選時(shí)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(jī)插板式結(jié)構(gòu)，數(shù)十路、成百上千路均可以，彼此獨(dú)立控制，可靈活擴(kuò)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(biāo)準(zhǔn)，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(dá)不到汽車動力電池的使用標(biāo)準(zhǔn)。動力電池組PACK 規(guī)范工裝設(shè)備舉全國之力想借助這次能源危機(jī)掌握技術(shù)主動權(quán)，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(shù)產(chǎn)品輸出再次獲得豐厚的經(jīng)濟(jì)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(biāo)準(zhǔn)制定的主動權(quán)，我們的競爭對手主要是**，在PACK 規(guī)范方面具有獨(dú)特的技術(shù)創(chuàng)新。動力電池組PACK 規(guī)范的核心內(nèi)容是封裝的標(biāo)準(zhǔn)化，該標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備進(jìn)行封裝，同時(shí)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(gè)PACK 過程中，有效保障安全生產(chǎn)和高生產(chǎn)率。工裝設(shè)備是在我們專有技術(shù)的基礎(chǔ)上定制完成的，全部由自己設(shè)計(jì)加工制造?？焖儋|(zhì)檢設(shè)備和壽命測試設(shè)備動力電池組PACK 成品出廠前必須進(jìn)行整體全面質(zhì)檢，因?yàn)镻ACK 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(yàn)成品的整體性能，把好出廠前的最后一道質(zhì)量關(guān)。快速質(zhì)檢設(shè)備不同于有臺架的動態(tài)篩選設(shè)備，重點(diǎn)驗(yàn)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(shè)備要求快速判定，以便提高生產(chǎn)效率，該設(shè)備可以制備數(shù)臺同時(shí)質(zhì)檢。壽命測試設(shè)備是了解PACK 成品真正性能的重要一環(huán)，該設(shè)備往往在PACK 成品大批量投產(chǎn)前就必須投入運(yùn)行，其特點(diǎn)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(jī)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(shè)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(shù)控制，而且還大幅度降低了購置成本，至少節(jié)約設(shè)備投資數(shù)倍。二、動力鋰電池工藝流程PACK 成品由三部分構(gòu)成，即電池組、BMS 和固定架外殼，其中固定架外殼由應(yīng)用的具體結(jié)構(gòu)來決定，涉及到整車的位置、配重、充電接口、通風(fēng)管道布置以及空間立體尺寸等，這需要與具體車型進(jìn)行匹配，在承攬加工前必須事先雙方確認(rèn)好相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙，不能有任何差錯(cuò)。不同的PACK 成品，對充電機(jī)、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(shù)方面做了大量的創(chuàng)新工作，力求充電機(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu)的建設(shè)成本，使充電機(jī)構(gòu)成為停車場基本配套設(shè)施變得簡單易行，這在新能源汽車的推廣使用方面至關(guān)重要。只要用戶有需求，新能源汽車路邊充電時(shí)間可以縮短至20 分鐘，我們目前設(shè)計(jì)的PACK 成品已經(jīng)能達(dá)到這個(gè)水平。第八章 電動汽車用驅(qū)動電機(jī)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(hù)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(jìn)一步加劇了我國石油供需矛盾。在當(dāng)前石油資源日益緊張，價(jià)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(qiáng)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(shí)施，特別是“十五”國家863 電動汽車重大專項(xiàng),我國已實(shí)現(xiàn)了官、產(chǎn)、學(xué)、研的資源整合,具有了電動汽車用驅(qū)動電機(jī)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(jī)及其控制系統(tǒng)被列為“三橫”中的共性技術(shù)之一。 二、 電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)及分類電動汽車對驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的要求至少包括：（1）基速以下輸出大轉(zhuǎn)矩，以適應(yīng)車輛的啟動、加速、負(fù)荷爬坡、頻繁起停等復(fù)雜工況；（2）基速以上為恒功率運(yùn)行，以適應(yīng)最高車速、超車等要求；（3）全轉(zhuǎn)速運(yùn)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(gòu)堅(jiān)固、體積小、重量輕、良好的環(huán)境適應(yīng)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(jī)系統(tǒng),特點(diǎn)是成本低、控制簡單,但重量大,需要定期維護(hù)。隨電力電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展,包括異步電機(jī)及永磁電機(jī)在內(nèi)的交流電機(jī)系統(tǒng)體現(xiàn)出比直流電機(jī)系統(tǒng)更加優(yōu)越的性能,目前已逐步取代了直流電機(jī)控制系統(tǒng)。特別是借助于設(shè)計(jì)方法、開發(fā)工具及永磁材料的不斷進(jìn)步,用于驅(qū)動的永磁同步電動機(jī)得到了飛速發(fā)展。電動汽車中常用的交流電機(jī)主要有異步、永磁、開關(guān)磁阻三大類型，其特點(diǎn)如表1所示。表1 電機(jī)比較其中,異步電機(jī)主要應(yīng)用在純電動汽車(包括轎車及客車),永磁同步電機(jī)主要應(yīng)用在混合動力汽車(包括轎車及客車)中,開關(guān)磁阻電機(jī)目前主要應(yīng)用在客車中。特別是,由于具有高效、高功率密度的特點(diǎn),目前在混合動力轎車中采用的基本都是永磁同步電動機(jī)。日本豐田公司的PRIUS 采用的永磁同步電動機(jī)功率已達(dá)到了50kW,新配置的SUV 車型所用電機(jī)功率甚至達(dá)到了123kW。與普通工業(yè)用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)及通用變頻器不同，電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)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(yīng)性，如表2 所示。表2 工業(yè)用與汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的主要差別三、 電動汽車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀目前國內(nèi)的車用驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)已達(dá)到了小批量生產(chǎn)的水平，包括上述的各種類型電機(jī)以及風(fēng)冷、水冷等冷卻形式，涵蓋5kW～180kW 功率范圍。部分系統(tǒng)指標(biāo)（如比功率和系統(tǒng)效率）達(dá)到了國際先進(jìn)水平。系統(tǒng)中應(yīng)用了矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制等控制方法,