超稳定中间相Li2 3FePO4中的超结构加速锂电池阴极反应
超稳定中间相Li2 / 3FePO4中的超结构加速锂电池阴
极反应
摘要：LiFePO4阴极材料因其优良的电化学性能，被认为是最具应用前景的锂离子电池正极材料之一LiFePO4作为新一代锂离子电池阴极材料,其理论比容量为170mAh·g-1,电压平台为3.4V（相对于Li/Li+）,具有价格低廉,环保,热稳定好,安全性高,循环性能优越等优点,被认为是锂离子电池理想的阴极材料。无论绝缘端构件Li x FePO4，在x≈0和x≈1之间的双相反应如何，纳米结构的优化总而言之基本上改善了正LiFePO4电极的功率密度。同时Li2 / 3FePO4的亚稳态中间共晶组成的长程有序已经被发现并且确定其上层结构，其反映在Fe位点的主要极化子结晶，随后是Li +再分布以优化Li-Fe相互作用，很大程度的加速了锂离子电池的阴极反应。本文主要通过XRD，X-ray等对亚稳中间相Li2 / 3FePO4的检测分析确定其对锂电池阴极反应的加速过程。
关键词：阴极材料；LiFePO4；锂离子电池；亚稳中间相；Li2 / 3FePO4；固体材料
Superstructure in the Metastable Intermediate-Phase Li2/3FePO4 Accelerating the Lithium Battery Cathode
Reaction
Abstract:LiFePO4is an important cathode material for lithium-ion batteries. Regardless of the biphasic reaction between the insulating end members, Li x FePO4, optimization of the nanostructured architecture has substantially improved the power density of positive LiFePO4electrode. The charge transport that occurs in the interphase region across the biphasic boundary is the primary stage of solid-state electrochemical reactions in which the Li concen-trations and the valence state of Fe deviate significantly from the equilibrium end members. Complex interactions among Li ions and charges at the Fe sites have made understanding stability and transport properties of the intermediate domains difficult. Long-range ordering at metastable intermediate eutectic composition of Li2/3FePO4has now been discovered and its superstructure determined, which reflected predomi-nant polaron crystallization at the Fe sites followed by Li+ redistribution to optimize the Li Fe interactions.
Keywords: cathode material; LiFePO4; lithium ion battery; metastable mesophase; Li2 / 3FePO4; solid material
目录
摘要 (1)
Abstract: (2)
1 引言 (4)
1.1研究背景和意义 (4)
1.2 锂离子电池简介 (5)
1.3 混合离子电导性固体材料简介 (6)
2 Li
x FePO
4
加速阴极反应的研究 (7)
2.1 Li
x FePO
4
的结构和电化学特性 (7)
2.2 Li
x FePO
4
系统中相平衡的研究 (8)
2.3 Li
2 / 3FePO
4
的制备 (8)
3 实验数据处理与分析 (9)
3.1 Li
2 / 3FePO
4
的X射线衍射图谱分析 (9)
3.2 同步加速器下Li
2 / 3FePO
4
的X射线衍射图和中子衍射图 (10)
结论 (12)
参考文献； (13)
1 引言
1.1研究背景和意义
随着全球经济的飞速发展，人类对能源的需求和消耗与日俱增，由能源消耗、所带来的环境污染也日益严重，能源的紧缺以及环境的恶化已经给人类的生存造成了极大的威胁。面对生存和可持续发展，开发绿色环保、可持续的电化学存储和转换体系势在必行。另外，随着小型化便携式电子器件、不间断电源供给系统、电动工具、电动交通工具等领域的不断更新换代，人类对化学电源，特别是可移动化学电源的性能要求变得越来越高。面对日益严苛的性能要求，开发性能优异的化学电源成为必然。
为了减少煤炭、石油等高碳资源的消耗，为了减少温室气体的排放，人们开始着手于进行能源结构的调整，并将开发新型绿色能源纳入议题。其中，发展风力发电、太阳能发电、潮汐能发电等绿色清洁能源是该议题的重要内容。然而这些能源的供给较小且作用不连续，使之难以满足大规模的供电要求。因此为了能够有效地利用这部分绿色能源，开发与之匹配的二次电池便成为了当务之急。与传统的铅酸电池、镍氢及镍镉等二次电池相比，锂离子电池因具有质量轻、电压高、比能量大、循环寿命长、自放电小、无记忆效应、环境污染小等优点而备受学术界和产业界的青睐，预计未来将会取代这些传统的二次电池并得以大规模的应用。
受制于石油储量和环保的压力，近年来世界各国正竞相大力发展纯电动、混合动力等新能源汽车，并将逐渐替代传统的汽油车。然而不论是纯电动汽车还是混合动力汽车，其核心部件都是动力电池。作为过渡阶段的混合动力汽车，其动力电池主要采用镍氢电池和锂离子电池。但是相比镍氢电池而言，采用锂离子电池将会使混合动力汽车的电池组质量降低40～50 %，体积降低20～30 %，比能量增加近 2 倍。尽管目前锂离子电池的成本和技术等方面没有太大的优势，但是随着锂离子电池技术的发展、制造工艺的日趋成熟、生产成本的不断减低，其优势将会远远超过镍氢电池，因此未来锂离子电池将有望在纯电动车方面发挥
重要的作用。
众所周知，锂离子电池能否得以广泛应用的关键在于电池的性能、价格以及安全性。正极材料作为锂离子电池的核心组成部分，它的性能的提升将很大程度上决定了整个锂离子电池性能的提升，其成本的大幅度降低也将会直接导致锂离子电池成本的大幅降低。因此开发性能优异、价格低廉的正极材料是锂离子电池的研究重点。
1.2 锂离子电池简介
锂离子电池（LIB）以其高能量、安全可靠、寿命长、无污染等优点，成为目前最具有发展前途的高能二次电池。同时锂离子电池（LIB）是当前可用的最先进的能量存储系统，但是由于成本和安全性问题，其应用长期限于便携式电子设备。随着锂离子电池的进一步发展的需要，人们越来越多的要求可充电锂离子电池电极材料具有更高的比容量和更好的安全性，现在LIB现在开始应用于诸如电动车辆的大型应用。在电池的正极中使用包括锂和过渡金属如LiMO2（M = Co，Ni，Mn，Li）和LiMn2O4的陶瓷混合电子导电氧化物。元素Fe已被认为是索尼在1991年首次将LIB首次商业化后的材料的圣杯。
锂离子电池正极材料的发展最早可以归溯到1972年。当时Exxon公司首先以Ti S
2
为正极，金属锂为负极，有机溶剂二氧戊环稀释的高氯酸锂为电解液，研制出了第一个性能较好的锂电池。接着1980年 M. Armand等以高插锂电势的嵌锂化合物和低插锂电势的嵌锂化合物组成了一个没有金属锂的二次电池，并提出了摇椅式电池的概念，这也就是后来的锂离子电池。同年，J.B. Goodenough
等人首次报道了可以进行锂离子插层的Li Co O
2
正极材料。三年后，Thackeray 等人报道了另一种价廉的、电化学性能良好的锂离子电池正极材料尖晶石型Li
Mn
2O
4
正极材料。1989 年 Manthiram 等报道了可以进行锂离子插层的、具有较
高电位的聚阴离子Li
2Fe
2
(SO
4
)
3
正极材料。1991 年，日本的Sony 新能源公司和
电池部联合开发出了一种以Li Co O
2
为正极，聚糖醇热解碳为负极的实用性锂
离子电池，最先将 Li Co O
2
正极材料商业化。1996年，Goodenough等人又发现
了另一种聚阴离子的橄榄石型 Li MPO
4
(M=Fe, Mn, Co 和 Ni)正极材料。随后，围绕着如何提高或者改善这些电极材料的电化学性能，各国研究者展开了一系列有关掺杂、表面改性以及粉体纳米化等方面的研究。
1.3 混合离子电导性固体材料简介
混合的离子电导性固体材料具有许多重要功能，例如在电池中提供能量储存，调节热电能量转换，以及用作燃料电池反应的催化剂。其中一个典型的应用例子就是在用于电池的固体电极材料中的可逆能量存储。然而，尽管对可再充电电池的研究和这种技术在我们的日常生活中是逐步渗透的，但是迄今为止还没有建立固体中多种稠合移动相的相关性科学。因此，我们试图实现一些如何使相反电荷（离子和电子）在混合导体中移动在一起，而锂离子电池中的阴极材料LiFePO4便是典型电极材料。
铁系正极材料是应用较多的正极材料，于铁资源比较丰富，价格比较便宜，所以用含铁物质来代替含Co物质逐渐成为了人们关注的焦点。在众多的含铁物质里，可以插锂的含铁物质有很多，主要可以分为以下三类。第一类是α-Fe2O3、γ- Fe2O3、Fe3O4、Li Fe5O8、γ-Fe OOH的衍生物、Fe OCl、Fe PS3、Li3Fe N2等。第二类含铁物质是以Fe4+/Fe3+氧化还原对参与电化学反应的。第三类是铁的聚阴离子化合物。由于铁的磷酸盐就有适中的电压平台和较高的容量，因此得到了研究者的广泛关注。在铁的磷酸盐化合物中，Li Fe PO4性能尤为突出，是一种颇具潜力的正极替代材料磷酸铁锂，Li x FePO4（0 2 Li x FePO4加速阴极反应的研究 2.1 Li x FePO4的结构和电化学特性 LiFePO4为橄榄石结构，属于正交晶系，空间群为Pbnm，晶格参数为a=0.6008nm，b=1.0334nm,c=0.4693nm。在LiFePO4的晶体结构中，氧原子以稍微扭曲的六方紧密堆积方式进行排列，Fe和Li 各自处于氧原子八面体中心位置，形成FeO6八面体和LiO6八面体，P处于氧原子四面体中心位置，形成PO4四面体。交替排列的FeO6八面体、LiO6八面体和PO4四面体形成了一个层状的脚手架结构。在bc 面上，相邻的FeO6八面体共角顶连接形成了FeO6层，这一结构也正是电子电导率不高的原因所在。在FeO6层之间，相邻LiO6八面体沿b轴方向通过共棱相连形成链状。一个PO4四面体和一个FeO6八面体共用棱上的两个氧原子，同时又与两个LiO6八面体共用棱上的两个氧原子。在锂离子所在的a-c平面上，PO4四面体限制了Li+的移动。基于这种结构排列，Li+只能在二维平面上进行脱嵌，在一定程度上阻碍了Li+在晶格内的扩散，使Li+的脱嵌变得比较困难。其晶体结构如图2.1所示。在LiFePO4结构中，由于存在较强的三维立体的P-O-Fe 键，所以该材料具有较强的动力学和热力学的稳定性。 图2.1 Li Fe PO4和Fe PO4的结构示意图 (a) Li Fe PO4的结构示意图; (b) Fe PO4的结构示意图 2.2 Li x FePO4系统中相平衡的研究 Li x FePO4及其相关系统中的相平衡已经被几个研究小组广泛研究。LiFePO4 -FePO4系统在室温下不混溶，但在边缘构件附近略微混溶，0 Li Fe PO4作为正极材料，它的充放电反应机理不同于其他传统的正极材料。在充放电的过程中，随着锂离子的嵌入/脱出，正极材料经历着一个二相反应，即Li Fe PO4和Fe PO4两相之间的相互转化。充电时，Li+从Fe O6层间迁移出来，经过电解质进入负极，同时Fe2+被氧化为Fe3+，电子经过相互接触的导电剂汇集到集流极，从外电路到达负极。放电过程相反。其反应机理可用式（1-1）表示； 根据两者的晶胞参数可知，随着充电反应的进行，晶胞的体积稍有收缩（仅为6.81%）。这种结构上的相似性使得LiFePO4电极材料具有较好的循环稳定性。当LiFePO4和碳材料组成电池时，这种较小的体积收缩正好可以弥补碳负极的膨胀，从而能够较大程度的减少内应力，这对提高锂离子电池的体积利用率时非常有意义的。另外，LiFePO4和FePO4的晶体结构比较稳定，即使在400℃的高温下晶体结构也能保持不变，因此不需考虑温度对晶体结构的影响。 2.3 Li2 / 3FePO4的制备 使用常规的陶瓷方法制备了LiFePO4粉末。首先，使LiFePO4粉末与NO2 BF4在乙腈溶液中在室温下反应，并与提取所有的锂形成FePO4。将原始LiFePO4和FePO4以3:2的摩尔比充分混合在密封的真空石英玻璃管中。将该安瓿在623K 下退火以形成均匀的固溶体。最后，将安瓿放入冷水中以获得亚稳相。 3 实验数据处理与分析 3.1 Li 2 / 3FePO 4的X 射线衍射图谱分析 图3.1. a ）同步辐射粉末X 射线衍射（XRD ）图案 b ）亚稳态混合价态相Li 2 / 3FePO 4的选择区电子衍射图。 图 3.1.a 示出了亚稳态Li 2 / 3FePO 4相的高分辨率粉末X 射线衍射（HR-XRD ）图。 在d = 11.64°和5.82°观察到的弱布拉格反射，这清楚地表明存在较长范围的周期性。与超晶格反射一起，基本反射显示由于基本晶格的单斜晶畸变导致的峰值分裂（例如210Pnma ）。 选择的面积电子衍射图案满足在HR-XRD 图案中的所有观察到的超反射和峰值分裂。 图3.1.b 表示在原始Pnma 晶格的ab 平面中的三重超结构。 沿c 方向观察不到超晶格反射，具有以下变换矩阵的单斜晶超晶胞： ???? ? ??=001130-100P 3.2 同步加速器下Li2 / 3FePO4的X射线衍射图和中子衍射图 图3.2.a）中子衍射图和b）在室温下对Li 2 / 3FePO 4的同步加速器 X射线衍射图案。 图3.2示出了最终细化结果的观察和计算的衍射图案。中子和X射线衍射图的同时细化显示亚稳相保持原始橄榄石骨架。其原子从其原始位置的小位移中 观察到轻微的差异，其中氧原子有更大的位移相比其它原子。因为衍射图表明样品含有6.8％的FePO4，所以主要亚稳相中的Li浓度预期为约0.67，这与Li2 / FePO4相中Li占据率为0.67相一致。 3 根据Vegard定律，Li2 / 3FePO4的基本晶胞的预期体积为282.99?3，而实际体积大得多，286.733?3（对于超晶格为860.20?3）。这个结果表明引入的Fe3+和Li +之间存在强排斥相互作用，这已知是LiFePO4 -FePO4体系中相分离的主要驱动力。 3.2 Li2 / 3FePO4的结构分析 图3.3 Li2 / 3FePO4中上层结构 图3.3示出了电荷排序模式，Fe位点在沿[110]的ab平面中显示条带型电荷排序。Li球的绿色分数表示每个Li位点的占据率，其中电荷条纹沿着[110] Pnma 延伸。可以理解这种模式是因为Fe亚晶格中Fe3+离子之间的静电排斥。最后，我们检查了Li占有率和电荷顺序之间的相关性。Li和Fe具有不同的亚晶格。Li 形成一维晶格，而Fe形成高度扭曲的伪二维正方晶格。对于橄榄石结构中的两个子晶格，同时满足最不受欢迎的配置是不可能的。然而，每个Li位点具有不同的Fe2+：Fe3+比率用于与相关占据的第二最近协调。具有较大占据的Li位点被更大数量的Fe3+包围，反之亦然。这个趋势表明Li-Fe相互作用存在于当前的有序和Li无序模型中。 结论 总之，我们发现亚稳态中间相Li2/3[Fe2 +2/3Fe3 +1/3]PO4中的长程有序。中间体可以用作缓冲剂以缓和两个端部构件Li x=0FePO4和Li x=1FePO4之间的晶格失配，以加速相边界移动，如Orikasa等人。已经指出。此外，这种锂缺乏和混合态预期诱导比原始LiFePO4和FePO4更高的离子/电子传导性，并且可能增强反应动力学。结构分析显示，Fe位点处的电荷有序条带和锂的无序配置是由锂和Fe3+离子之间的静电挫伤引起的。局部极化子和无序Li构型表明锂是高度可移动的，与具有缓慢性质的局部极化子相反。多个实验的这些结果同意并为所提出的亚稳态超结构及其起源提供了强有力的证据。我们的模型还解释了在LiFePO4阴极反应期间在极不平衡条件下形成中间相的起源。这里获得的关于亚稳定中间体在电化学反应期间的全面理解可能对于理解其中局部极化子与更快的离子传导共存的混合导电能量存储和催化材料具有一般意义。许多功能材料也是这种类型的。 参考文献； [1]张克宇,姚耀春. 锂离子电池磷酸铁锂正极材料的研究进展[J]. 化工进展,2015,01:166-172. 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Therefore, The body on the characteristics of lithium ion rechargeable electric discharge pool,the development trend of lithium-ion battery charging process and control unit , the paper designed an intelligent charging and discharging system . This design of the control unit is constructed from long MAX1898 -based charging circuit and a control unit from AT89C51 . Provide power supply support for LM7805 MAX1898 with AT89C51. This article also provides a block diagram and function for lithium-ion battery charge and discharge control system. Lithium- ion battery characteristics , charge and discharge characteristics of lithium -ion batteries , the introduction of lithium-ion battery charging circuit design, rechargeable lithium-ion battery is designed to generate part of the program the microcontroller parts, power supply , voltage conversion and opto-isolated part of the charging chip , etc. as the main content of the paper . Key words: SCM,STC89c51, MAX1898 锂离子电池内部的构造和形状分类 锂离子电池的制造工艺技术非常严格，复杂，锂离子电池制造工艺流程中的几个主要工序如下： 1、制浆用专门的溶剂和粘接剂分别与粉末状的正负极活性物质混合，经高速搅拌均匀后，制成浆状的正负极物质。 2、涂膜将制成的浆料均匀地涂覆在金属箔的表面，烘干，分别制成正、负极极片。 3、装配按正极片一隔膜一负极片一隔膜自上而下的顺序放好，经卷绕制成电池芯，再经注入电解液、封口等工艺过程，即完成电池的装配过程，制成成品电池。 4、化成用专用的电池充放电设备对成品电池进行充放电测试，对每一只电池都进行检测，筛选出合格的成品电池，待出厂。 电池的结构锂离子电池的形状主要有圆柱形锂电池和方型锂电池两种，此外还有扣式锂离子电池。1998年，锂离子电池产量2．80亿只(60％为圆柱形电池，40％为方形电池)，其中40％用于笔记本电脑，40％用于手机，20％用于摄像机等。无论是何种锂离子电池，锂离子电池的基本结构为：正极片、负极片、正负极集流体、隔膜纸、外壳及密封圈、盖板等。 (1)正极目前使用的有LCo()2，LiNi02，LiMmO，等，从电性能及其他综合性能来看，普遍采用LiCoQ制作正极，即将LiCo()2与粘结剂(P丁FE)混合，然后碾压在正极集流体(铝箔)上制成正极片。 (2)负极将石墨和粘结剂混合碾压在负极集流体(铜箔)上。 (3)电解液较好的是LiPF6，但价格昂贵；其他有LiAsF6，但有很大的毒性；LiClQ，具有强氧化性；有机溶剂有DEC，DMC，DME等。 (4)隔膜纸采用微孔聚丙烯薄膜或特殊处理的低密度聚乙烯膜。此外，外壳、盖帽、密封圈等，根据电池的外形变化而有所改变。还要考虑安全装置。 方型和圆柱形锂离子电池一样，盖子上也有一种特殊加工的破裂阀，以防止电池内压过高而可能出现的安全问题。这种阀一旦打开，电池即失效。同样，锂离子电池的极片也是卷绕起来的，它完全不同于方形MH—Ni或Cd-Ni电池的叠片结构。方型与圆柱形电池不同，方形电池的正极柱是一种金属—陶瓷或金属—玻璃绝缘子，它实现了正极与壳体之间的绝缘。扣式锂离子电池结构为了满足计算机、摄像机、笔记本电脑对高比能量和薄型化的要求，许多公司纷纷开发扣式锂离子电池。 文章摘自电池论坛：https://www.sodocs.net/doc/5f11626014.html,/thread-210352-1-1.html 电池论坛https://www.sodocs.net/doc/5f11626014.html, 锂离子电池的工作原理 锂离子电池的结构如图2.1和图2.2 所示，一般由正极、负极和高分子隔膜构成。 锂离子电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径，目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，如Li x CoO2，Li x NiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等，这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上。负极材料一般用锂碳层间化合物Li x C6，其电解质一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极(焦炭、石墨)、正极氧化钴锂(Li x CoO2）和有机电解液三部分组成。 锂离子电池的电化学表达式： 正极反应： 负极反应： 电池反应： 式中：M=Co、Ni、Fe、W等。 图2.1 锂离子电池结构示意图图2.2 圆柱形锂离子电池结构图锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此，在充放电循环时，Li+分别在正负极上发生“嵌入-脱嵌”反应，Li+便在正负极之间来回移动，所以，人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池”或“摇摆电池”。 锂离子蓄电池是在锂蓄电池的基础上发展起来的先进蓄电池，它基本解决了 困扰锂蓄电池发展的两个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问题。锂离子电池与锂电池在原理上的相同之处是：在两种电池中都采用了一种能使锂离子嵌入和脱嵌的金属氧化物或硫化物作为正极，采用一种有机溶剂—无机盐体系作为电解质。不同之处是：在锂离子电池中采用使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极。因此，这种电池的工作原理更加简单，在电池工作过程中，仅仅是锂离子从一个电极(脱嵌)后进入另一个电极(嵌入)的过程。具体来说，当电池充电时锂离子是从正极中脱嵌，在碳负极中嵌入，放电时反之。在充放电过程中没有晶形变化，故具有较好的安全性和较长的充放电寿命。 锂离子电池的主要性能 锂离子电池的额定电压为3.6V（少数的是3.7V）。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：石墨的4.2V；焦炭的4.1V。充电时要求终止充电电压的精度在±1％之内。锂离子电池的终止放电电压为2.4～2.7V（电池厂家给出工作电压范围或终止放电电压的参数略有不同）。高于终止充电电压及低于终止放电时会对电池有损害。 其使用有一定要求：充电温度：0℃～45℃；保存温度：-20℃～+60℃。锂离子电池不适合大电流充放电。一般充电电流不大于1C，放电电流不大于2C（C 是电池的容量，如C=950mAh，1C的充电率即充电电流为950mA）。充电、放电在20℃左右效果较好，在负温下不能充电，并且放电效果差[4]，（在-20℃放电效果最差，不仅放电电压低，放电时间比20℃放电时的一半还少）。 锂离子电池的充放电特性 锂离子电池的标称电压为3.6V，充满电压为4.2V，对过充电和过放电都比较敏感。为了最大限度减少锂离子电池易受到的过充电、深放电以及短路的损害，单体锂离子电池的充电电压必须严格限制。其充放电特性如图2-3 锂离子电池的充电特性 锂电池在充电中具有如下的特性: 1.在充电前半段，电压是逐渐上升的; 2.在电压达到4.2V后，内阻变化，电压维持不变; 3.整个过程中，电量不断增加; 4.在接近充满时，充电电流会达到很小的值。 经过多年的研究，已经找到了较好的充电控制方法: 1.涓流充电达到放电终止电压 2. 7V ; 2.使用恒流进行充电，使电压基本达到4.2V。安全电流为小于0.8C; 3.恒流阶段基本能达到电量的80% ; 硅太阳能电池的结构及 工作原理 集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988） 一.引言： 太阳能是人类取之不尽用之不竭的可再生能源。也是清洁能源，不产生任何的环境污染。?? 当电力、煤炭、石油等不可再生能源频频告急，能源问题日益成为制约国际社会经济发展的瓶颈时，越来越多的国家开始实行“阳光计划”，开发太阳能资源，寻求经济发展的新动力。欧洲一些高水平的核研究机构也开始转向可再生能源。在国际光伏市场巨大潜力的推动下，各国的太阳能电池制造业争相投入巨资，扩大生产，以争一席之地。 全球太阳能电池产业1994-2004年10年里增长了17倍，太阳能电池生产主要分布在日本、欧洲和美国。2006年全球太阳能电池安装规模已达1744MW，较2005年成长19％，整个市场产值已正式突破100亿美元大关。2007年全球太阳能电池产量达到3436MW，较2006年增长了56%。 中国对太阳能电池的研究起步于1958年，20世纪80年代末期，国内先后引进了多条太阳能电池生产线，使中国太阳能电池生产能力由原来的3个小厂的几百kW一下子提升到4个厂的4.5MW，这种产能一直持续到2002年，产量则只有2MW左右。2002年后，欧洲市场特别是德国市场的急剧放大和无锡尚德太阳能电力有限公司的横空出世及超常规发展给中国光伏产业带来了前所未有的发展机遇和示范效应。 目前，我国已成为全球主要的太阳能电池生产国。2007年全国太阳能电池产量达到1188MW，同比增长293%。中国已经成功超越欧洲、 日本为世界太阳能电池生产第一大国。在产业布局上，我国太阳能电池产业已经形成了一定的集聚态势。在长三角、环渤海、珠三角、中西部地区，已经形成了各具特色的太阳能产业集群。 中国的太阳能电池研究比国外晚了20年，尽管最近10年国家在这方面逐年加大了投入，但投入仍然不够，与国外差距还是很大。政府应加强政策引导和政策激励，尽快解决太阳能发电上网与合理定价等问题。同时可借鉴国外的成功经验，在公共设施、政府办公楼等领域强制推广使用太阳能，充分发挥政府的示范作用，推动国内市场尽快起步和良性发展。 太阳能光伏发电在不远的将来会占据世界能源消费的重要席位，不但要替代部分常规能源，而且将成为世界能源供应的主体。预计到2030年，可再生能源在总 绿色环保节能太阳能 能源结构中将占到30％以上，而太阳能光伏发电在世界总电力供应中的占比也将达到10％以上；到2040年，可再生能源将占总能耗的50％以上，太阳能光伏发电将占总电力的20％以上；到21世纪末，可再生能源在能源结构中将占到80％以上，太阳能发电将占到60％以上。这些数字足以显示出太阳能光伏产业的发展前景及其在能源领域重要的战略地位。由此可以看出，太阳能电池市场前景广阔。 在太阳能的有效利用当中；大阳能光电利用是近些年来发展最快，最具活力的研究领域，是其中最受瞩目的项目之一。 纯电动汽车的基本结构和原理 与燃油汽车相比，纯电动汽车的结构特点是灵活，这种灵活性源于纯电动汽车具有以下几个独特的特点。首先，纯电动汽车的能量主要是通过柔性的电线而不是通过刚性联轴器和转动轴传递的，因此，纯电动汽车各部件的布置具有很大的灵活性。其次，纯电动汽车驱动系统的布置不同，如独立的四轮驱动系统和轮毂电动机驱动系统等，会使系统结构区别很大；采用不同类型的电动机，如直流电动机和交流电动机，会影响到纯电动汽车的重量、尺寸和形状；不同类型的储能装置，如蓄电池，也会影响纯电动汽车的重量、尺寸及形状。另外，不同的能源补充装置具有不同的硬件和机构，例如，蓄电池可通过感应式和接触式的充电机充电，或者采用更换蓄电池的方式，将替换下来的蓄电池再进行集中充电。 纯电动汽车的结构主要由电力驱动控制系统、汽车底盘、车身以及各种辅助装置等部分组成。除了电力驱动控制系统，其他部分的功能及其结构组成基本与传统汽车相同，不过有些部件根据所选的驱动方式不同，已被简化或省去了。所以电力驱动控制系统既决定了整个纯电动汽车的结构组成及其性能特征，也是纯电动汽车的核心，它相当于传统汽车中的发动机与其他功能以机电一体化方式相结合，这也是区别于传统内燃机汽车的最大不同点。 1、电力驱动控制系统 电力驱动控制系统的组成与工作原理如图5.1所示，按工作原理可划分为车载电源模块、电力驱动主模块和辅助模块三大部分。 1)车载电源模块 车载电源模块主要由蓄电池电源、能源管理系统和充电控制器三部分组成。 (1)蓄电池电源。蓄电池是纯电动汽车的唯一能源，它除了供给汽车驱动行驶所需的电能外，也是供应汽车上各种辅助装置的工作电源。蓄电池在车上安装前需要通过串并联的方式组合成所要求的电压一般为12V或24V的低压电源，而电动机驱动一般要求为高压电源，并且所采用的电动机类型不同，其要求的电压等级也不同。为满足该要求，可以用多个12V 或24V的蓄电池串联成96～384V高压直流电池组，再通过DC／DC转换器供给所需的不同电压。也可按所需要求的电压等级，直接由蓄电池组合成不同电压等级的电池组，不过这样会给充电和能源管理带来相应的麻烦。另外，由于制造工艺等因素，即使同一批量的蓄电池其电解液浓度和性能也会有所差异，所以在安装电池组之前，要求对各个蓄电池进行认真的检测并记录，尽可能把性能接近的蓄电池组合成同一组，这样有利于动力电池组性能的稳定和延长使用寿命。 (2)能源管理系统。能源管理系统的主要功能是在汽车行驶中进行能源分配，协调各功能部分工作的能量管理，使有限的能量源最大限度地得到利用。能源管理系统与电力驱动主模块的中央控制单元配合在一起控制发电回馈，使在纯电动汽车降速制动和下坡滑行时进行能量回收，从而有效地利用能源，提高纯电动汽车的续程能力。能源管理系统还需与充电控制器一同控制充电。为提高蓄电池性能的稳定性和延长使用寿命，需要实时监控电源的使用情况，对蓄电池的温度、电解液浓度、蓄电池内阻、电池端电压、当前电池剩余电量、放电时间、放电电流或放电深度等蓄电池状态参数进行检测，并按蓄电池对环境温度的要求进行调温控制，通过限流控制避免蓄电池过充、放电，对有关参数进行显示和报警，其信号流向辅助模块的驾驶室显示操纵台，以便驾驶员随时掌握并配合其操作，按需要及时对蓄电池充电并进行维护保养。 (3)充电控制器。充电控制器是把电网供电制式转换为对蓄电池充电要求的制式，即把交流电转换为相应电压的直流电，并按要求控制其充电电流。充电器开始时为恒流充电阶段。 智能型锂电池管理系统（BMS） 产品简介 【系统功能与技术参数】 晖谱智能型电池管理系统（BMS），用于检测所有电池的电压、电池的环境温度、电池组总电流、电池的无损均衡控制、充电机的管理及各种告警信息的输出。特性功能如下： 1.自主研发的电池主动无损均衡专利技术 电池主动无损均衡模块与每个单体电芯之间均有连线，任何工作或静止状态均在对电池组进行主动均衡。均衡方式是通过一个均衡电源对单只电芯进行补充电，当某串联电池组中某一只单体电芯出现不平衡时对其进行单独充电，充电电流可达到5A，使其电压保持和其它电芯一致，从而弥补了电芯的不一致性缺陷，延长了电池组的使用时间和电芯的使用寿命，使电池组的能源利用率达到最优化。 2.模块化设计 整个系统采用了完全的模块化设计，每个模块管理16只电池和1路温度，且与主控制器间通过RS485进行连接。每个模块管理的电池数量可以从1～N（N≤16）只灵活设置，接线方式采用N＋1根；温度可根据需要设置成有或无。 3.触摸屏显示终端 中央主控制器与显示终端模块共同构成了控制与人机交互系统。显示终端使了带触摸按键的超大真彩色LCD屏，包括中文和英文两种操作菜单。实时显示和查看电池总电压、电池总电流、储备能量、单体电池最高电压、单体电池最低电压、电池组最高温度，电池工作的环境温度，均衡状态等。 4.报警功能 具有单只电芯低电压和总电池组低电压报警延时功能，客户可以根据自己的需求，在显示界面中选择0S～20S间的任意时间报警或亮灯。 5.完善的告警处理机制 在任何界面下告警信息都能以弹出式进行滚动显示。同时，还可以进入告警信息查询界面进行详细查询处理。 6.管理系统的设置 电池电压上限、下限报警设置，温度上限报警设置，电流上限报警设置，电压互差最大上限报警设置，SOC初始值设置，额定容量，电池自放电系数、充电机控制等。 7.超大的历史数据信息保存空间 自动按时间保存系统中出现的各类告警信息，包括电池的均衡记录。 8.外接信息输出 系统对外提供工业的CANBUS和RS485接口，同时向外提供各类告警信息的开关信号输出。 9.软件应用 根据需要整个系统可以提供PC管理软件，可以将管理系统的各类数据信息上载到电脑，进行报表的生成、图表的打印等。 10.参数标准 电压检测精度：0.5％ 电流检测精度：1％ 能量估算精度：5％ 锂电池原理 锂离子电池的正极材料通常有锂的活性化合物组成，负极则是特殊分子结构的碳．常见的正极材料主要成分为LiCoO2 ，充电时，加在电池两极的电势迫使正极的化合物释出锂离子，嵌入负极分子排列呈片层结构的碳中．放电时，锂离子则从片层结构的碳中析出，重新和正极的化合物结合．锂离子的移动产生了电流． 锂电池的种类 1、根据锂电池所用电解质材料不同分类 可以分为液态锂电池(lithium ion battery, 简称为LIB)和聚合物锂电池(polymer lithium ion battery, 简称为LIP)两大类。聚合物锂电池所用的正负极材料与液态锂都是相同的，电池的工作原理也基本一致。它们的主要区别在于电解质的不同, 锂电池使用的是液体电解质, 而聚合物锂电池则以固体聚合物电解质来代替, 这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物锂电池可分为三类： （1）固体聚合物电解质锂电池。电解质为聚合物与盐的混合物，这种电池在常温下的离子电导率低，适于高温使用。 （2）凝胶聚合物电解质锂电池。即在固体聚合物电解质中加入增塑剂等添加剂，从而提高离子电导率，使电池可在常温下使用。 （3）聚合物正极材料的锂电池。采用导电聚合物作为正极材料，其能量是现有锂电池的3倍，是最新一代的锂电池。由于用固体电解质代替了液体电解质,与液态锂电池相比，聚合物锂电池具有可薄形化、任意面积化与任意形状化等优点，也不会产生漏液与燃烧爆炸等安全上的问题，因此可以用铝塑复合薄膜制造电池外壳，从而可以提高整个电池的容量；聚合物锂电池还可以采用高分子作正极材料，其质量比能量将会比目前的液态锂电池提高50％以上。此外,聚合物锂电池在工作电压、充放电循环寿命等方面都比锂电池有所提高。基于以上优点，聚合物锂电池被誉为下一代锂电池。 2、按充电方式分类 按充电方式可分为不可充电的及可充电的两类。不可充电的电池称为一次性电池，它只能将化学能一次性地转化为电能，不能将电能还原回化学能（或者还原性能极差）。而可充电的电池称为二次性电池（也称为蓄电池）。它能将电能转变成化学能储存起来，在使用时，再将化学能转换成电能，它是可逆的。 锂电池原理和结构 1、锂离子电池的结构与工作原理：所谓锂离子电池是指分别用二个能可逆地嵌入与脱嵌锂离子的化合物作为正负极构成的二次电池。人们将这种靠锂离子在正负极之间的转移来完成电池充放电工作的，独特机理的锂离子电池形象地称为“摇椅式电池”，俗称“锂电”。以LiCoO2为例：⑴电池充电时，锂离子从正极中脱嵌，在负极中嵌入，放电时反之。这就需要一个电极在组装前处于嵌锂状态，一般选择相对锂而言电位大于3V且在空气中稳定的嵌锂过渡金属氧化物做正极，如LiCoO 2、LiNiO2、LiMn2O4、LiFePO4。⑵为负极的材料则选择电位尽可能接近锂电位的可嵌入锂化合物，如各种碳材料包括天然石墨、合成石墨、碳纤维、中间相小球碳素等和金属氧化物，包括SnO、SnO2、锡复合氧化物SnBxPyOz(x=0.4～0.6，y=0.6～0.4，z=(2＋3x＋5y)/2)等。 2、电池一般包括：正极（positive）、负极（negative）、电解质（electrolyte）、隔膜（separator）、正极引线（positivelead）、负极引线（negativeplate）、中心端子、绝缘材料（insulator）、安全阀（safetyvent）、密封圈（gasket）、PTC（正温度控制端子）、电池壳。一般大家较关心正极、负极、电解质 锂电池的详细介绍 1、锂离子电池 锂离子电池目前由液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)两类。其中，液态锂离子电池是指Li +嵌入化合物为正、负极的二次电池。正极采用锂化合物L iC oO2或LiMn2O4，负极采用锂-碳层间化合物。锂离子电池由于工作电压高、体积小、质量轻、能量高、无记忆效应、无污染、自放电小、循环寿命长，是21世纪发展的理想能源。 2、锂离子电池发展简史 锂电池和锂离子电池是20世纪开发成功的新型高能电池。这种电池的负极是金属锂，正极用MnO2，SOCL2，(CFx)n等。70年代进入实用化。因其具有能量高、电池电压高、工作温度范围宽、贮存寿命长等优点，已广泛应用于军事和民用小型电器中，如移动电话、便携式计算机、摄像机、照相机等、部分代替了传统电池。 3、锂离子电池发展前景 锂离子电池以其特有的性能优势已在便携式电器如手提电脑、摄像机、移动通讯中得到普遍应用。目前开发的大容量锂离子电池已在电动汽车中开始试用，预计将成为21世纪电动汽车的主要动力电源之一，并将在人造卫星、航空航天和储能方面得到应用。 4、电池的基本性能 (1)电池的开路电压 (2)电池的内阻 (3)电池的工作电压 (4)充电电压 充电电压是指二次电池在充电时，外电源加在电池两端的电压。充电的基本方法有恒电流充电和恒电压充电。一般采用恒电流充电，其特点时在充电过程中充电电流恒定不变。随着充电的进行，活性物质被恢复，电极反应面积不断缩小，电机的极化逐渐增高。 1.ABMS-EV系列电池管理系统 概述： ABMS-EV系列锂电池管理系统应用于纯电动大巴、混合动力大巴、纯电动汽车、混合动力汽车。采用层级设计，严格执行汽车相关标准，硬件平台全部采用汽车等级零部件，软件符合汽车编程规范。 2、ABMS-EV01电池管理系统： 2.1)概述： ABMS-EV01系列锂电池管理系统主要用于低速电动车，物流车，环卫车等，采用一体化设计，集电池电压温度检测，SOC估算，绝缘检测，均衡管理，保护，整车通信，充电机通信，及交流充电桩接口检测为一体，结构紧凑，功能完善。 2.2) 选型号说明： 2.3)技术参数： 2.4)产品外观： 3、ABMS-EV02电池管理系统： 3.1)概述： ABMS-EV02系列锂电池管理系统主要用于电动叉车，电动搬运车等快速充放电场合，采用一体化设计，集电池电压温度检测与保护，SOC估算，均衡管理，通信等功能。 3.2) 选型号说明： 3.3)技术参数： 3.4)产品外观： 4、ABMS-EV03电池管理系统： 4.1)概述： ABMS-EV03系列锂电池管理系统主要用于电动叉车，电动搬运车等需要快速充放电场合，采用一体化设计，集电池电压温度检测，SOC估算，均衡管理，保护，通信，LED电量指示，制热，制冷管理，双电源回路设计，充电机，车载电源独立供电。 4.2) 选型号说明： 4.3)技术参数： 4.4)产品外观： 5、ABMS-EK01电池管理系统： 5.1)概述： ABMS-EK01系列锂电池管理系统主要用于电动自行车，电动摩托车等，采用软硬件多重冗余保护等，充电MOS控制，放电继电器控制，实现慢充快放，一体化设计，集电池检测，SOC估算，保护，通信为一体。 5.2)选型说明： 5.3)技术参数: 一．电池常规知识 目录 1.什么是电池？ 2.一次电池和二次电池有什么区别? 3、充电电池是怎样实现它的能量转换？ 4、什么是Li-ion电池？ 5、Li-ion电池的工作原理？ 6、Li-ion电池的主要结构。 7、Li-ion电池的优缺点。 8、Li-ion电池安全特性是如何实现的？ 9、什么是充电限制电压？额定容量？额定电压？终止电压？ 10、Li-ion铝壳和钢壳电池比较它的区别有哪些？ 11、目前常见的各种可充电电池之间有什么区别？ 1、什么是电池？ 电池是一种能源。当它正负极连接在用电器上时，因为正负极之间存在电势之差，电流从正极流向负极，储存在电池中的化学能直接转化成电能释放出来，一只电池必然由两种不同电化学活性的物质组成正负两极，正负极活性物质之间的电动势差形成电池的电压，根据其电化学系统的不同，各种类型的电池 电压各有不同。 2、一次电池和充电电池有什么区别? ?电池内部的电化学设计决定了该类型的电池是否可充。根据它 们的电化学成分和电极的结构可知，可充电电池的内部结构之 间所发生的反应是可逆的。 ?理论上，这种可逆性是不会受循环次数的影响，既然充放电会 在电极的体积和结构上引起可逆的变化，那么可充电电池的内 部设计就支持这种变化。而一次电池在给定的电池环境中两个 电极之间的电化学反应是不可逆的，因此，不可以将一次电池 拿来充电，这种做法很危险也很不经济。如果需要反复使用， 应选择真正的循环次数在1000次左右的充电电池，这种电池又 称为二次电池。 ?另一明显的区别就是它们具有较高的比能量和负载能力，以及 自放电率。一次电池能量密度远比一次电池高。然而他们的负 载能力相对要小。 ?二次电池具有相对较高的负载能力，可充电电池Li-ion，随着 近几年的发展，具有高能量容量。 ?不管何种一次电池的电化学系统属于哪种，所有的一次电池的 自放电率都很小。 3、充电电池是怎样实现它的能量转换？ ?每种电池都具有电化学转换的能力，即将储存的化学能直接转 换成电能。就二次电池而言(另一术语也称可充电便携式电池)， 铅酸蓄电池的结构和工作原理 （一）铅酸蓄电池的结构 铅酸蓄电池主要由正极板组?负极板组?隔板?容器和电解液等构成,其结构如下图所示： 1.极板 铅酸蓄电池的正?负极极板由纯铅制成,上面直接形成有效物质,有些极板用铅镍合金制成栅架,上面涂以有效物质?正极(阳极)的有效物质为褐色的二氧化铅,这层二氧化铅由结合氧化的铅细粒构成,在这些细粒之间能够自由地通过电解液,将正极材料磨成细粒的原因是可以增大其与电解液的接触面积,这样可以增加反应面积,从而减小蓄电池的内阻?负极(阴极)的有效物质为深灰色的海绵状铅?在同一个电池内,同极性的极板片数超过两片者,用金属条连接起来,称为极板组 或极板群?至于极板组内的极板数的多少,随其容量(蓄电能力)的大小而异?为了获得较大的蓄电池容量,常将多片正?负极板分别并联,组成正?负极板组,如下图所示： 安装时,将正?负极板组相互嵌合,中间插入隔板,就形成了单格电池?在每个单格电池中,负极板的片数总要比正极板的片数多一片,从而使每片正极板都处于两片负极板之间,使正极板两侧放电均匀,避免因放电不均匀造成极板拱曲? 2.隔板 在各种类型的铅酸蓄电池中,除少数特殊组合的极板间留有宽大的空隙外,在两极板间均需插入隔板,以防止正?负极板相互接触而发生短路?这种隔板上密布着细小的孔,既可以保证电解液的通过,又可 以阻隔正?负极板之间的接触,控制反应速度,保护电池?隔板有木质?橡胶?微孔橡胶?微孔塑料?玻璃等数种,可根据蓄电池的类型适当选定?吸附式密封蓄电池的隔板是由超细玻璃丝绵制作的,这种隔板可以把电解液吸附在隔板内,吸附式密封蓄电池的名称也是由此而来的? 3.容器 容器是用来盛装电解液和支撑极板的,通常有玻璃容器?衬铅木质容器?硬橡胶容器和塑料容器四种?容器用于盛放电解液和极板组,应该耐酸?耐热?耐震?容器多采用硬橡胶或聚丙烯塑料制成,为整体式结构,底部有凸起的肋条以搁置极板组?壳内由间壁分成3个或6个互不相通的单格,各单格之间用铅质联条串联起来?容器上部使用相同材料的电池盖密封,电池盖上设有对应于每个单格电池的加液孔,用于添加电解液和蒸馏水以及测量电解液密度?温度和液面高度? 4.电解液 铅酸蓄电池的电解液是用蒸馏水稀释高纯浓硫酸而成的?它的密度高低视铅蓄电池类型和所用极板而定,一般在15℃时为1.200～1.300g/cm3?蓄电池用的电解液(稀硫酸)必须保持纯净,不能含有危害铅酸蓄电池的任何杂质?电解液的作用是给正?负电极之间流动的离子创造一个液体环境,或者说充当离子流动的介质?电解液的相对密度对蓄电池的工作有重要影响,相对密度大,可减少结冰的危险并提 锂电池保护板工作原理 锂电池保护板根据使用IC,电压等不同而电路及参数有所不同,下面以DW01 配MOS管8205A进行讲解: 锂电池保护板其正常工作过程为: 当电芯电压在2.5V至4.3V之间时，DW01 的第1脚、第3脚均输出高电平(等于供电电压)，第二脚电压为0V。此时DW01 的第1脚、第3脚电压将分别加到8205A的第5、4脚，8205A内的两个电子开关因其G极接到来自DW01 的电压，故均处于导通状态，即两个电子开关均处于开状态。此时电芯的负极与保护板的P-端相当于直接连通，保护板有电压输出。 2.保护板过放电保护控制原理: 当电芯通过外接的负载进行放电时,电芯的电压将慢慢降低,同时DW01 内部将通过R1电阻实时监测电芯电压,当电芯电压下降到约2.3V时DW01 将认为电芯电压已处于过放电电压状态，便立即断开第1脚的输出电压，使第1脚电压变为0V，8205A内的开关管因第5脚无电压而关闭。此时电芯的B-与保护板的P-之间处于断开状态。即电芯的放电回路被切断，电芯将停止放电。保护板处于过放电状态并一直保持。等到保护板的P 与P-间接上充电电压后，DW01 经B-检测到充电电压后便立即停止过放电状态，重新在第1脚输出高电压，使8205A内的过放电控制管导通，即电芯的B-与保护板的P-又重新接上，电芯经充电器直接充电。 4.保护板过充电保护控制原理: 当电池通过充电器正常充电时,随着充电时间的增加,电芯的电压将越来越高，当电芯电压升高到4.4V时,DW01 将认为电芯电压已处于过充电电压状态，便立即断开第3脚的输出电压，使第3脚电压变为0V，8205A内的开关管因第4脚无电压而关 锂电池原理与工艺复习 第一章化学电源的原理及类别 一、电池术语与及使用基本常识 1、电池的容量可以分为理论容量、额定容量、实际容量。 2、理论容量是把活性物质的质量按法拉第定律计算而得的最高理论值。为了比较不同系列的电池，常用比容量的概念，即单位体积或单位质量电池所能给出的理论电量，单位为Ah/kg （mAh/g)或Ah/L(mAh/cm3)。 3、实际容量是指电池在一定条件下所能输出的电量。它等于放电电流与放电时间的乘积，单位为 Ah，其值小于理论容量。 4、额定容量也叫保证容量，是按国家或有关部门颁布的标准，保证电池在一定的放电条件下应该放出的最低限度的容量。 5、电池阻包括欧姆阻和极化阻，极化阻又包括电化学极化与浓差极化。 6、终止电压(Cut-off discharge voltage)指电池放电时，电压下降到电池不宜再继续放电的最低工作电压值。 7、开路电压(Open circuit voltage OCV)电池不放电时，电池两极之间的电位差被称为开路电压。 8、放电深度(Depth of discharge DOD)在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比，称为放电深度。 9、过放电(Over discharge)电池若是在放电过程中，超过电池放电的终止电压值，还继续放电时就可能会造成电池压升高，正、负极活性物质的可逆性遭到损坏，使电池的容量产生明显减少。 10、过充电(Over charge)电池在充电时，在达到充满状态后，若还继续充电，可能导致电池压升高、电池变形、漏夜等情况发生，电池的性能也会显著降低和损坏。 11、能量密度(Energy density)电池的平均单位体积或质量所释放出的电能。 12、自我放电(Self discharge)电池不管在有无被使用的状态下，由于各种原因，都会引起其电量损失的现象。 13、放电平台锂离子电池完全充电后，放电至3.6V时的容量记为C1，放电至3.0V时的容量记为C0，C1/C0称为该电池之放电平台（行业标准1C放电平台为70%以上） 14、充电循环寿命(Cycle life)电池在完全充电后完全放电，循环进行，直到容量衰减为初始容量的75%，此时循环次数即为该电池之循环寿命。 15、化成：电池制造后，通过一定的充放电方式将其部正负极物质激活，改善电池的充放电性能及自放电、储存等综合性能的过程称为化成，电池只有经过化成后才能体现真实性能。 16、分容：电池在制造过程中，因工艺原因使得电池的实际容量不可能完全一致，通过一定的充放电制度检测，并将电池按容量分类的过程称为分容 17、快速充电：充电电流大于0.2C，小于0.8C则是快速充电。 18、慢速充电：充电电流在0.1C-0.2C之间时，我们称为慢速充电。 19、涓流充电：充电电流小于0.1C时，我们称为涓流充电。 20、超高速充电：充电电流大于0.8C时，我们称之为超高速充电。 21、恒流充电方式：恒流充电法是保持充电电流强度不变的充电。方法，恒流充电器通常使用慢速充电电流。 22、快速自动充电方式：通常所使用的是余弦法充电，也就是说并非用恒定的大电流充电，而是像余弦波那样电流强度随之变化，这样能缓解热量的积聚，从而将温度控制在一定围。 锂离子电池的工作原理、特点及分类 锂离子电池的构成主要有正极、负极、非水电解质和隔膜四个部分组成，两个能可逆脱嵌的锂离子化合物构成正负极。其工作原理图如1-1（b）所示，充电时锂离子从正极材料中脱出，通过隔膜经电解质溶液向负极迁移，同时电子在外电路从正极流向负极，锂离子在负极得到电子后被还原成金属锂，嵌入负极晶格中；而在放电时，负极的锂会失去电子成为锂离子，通过隔膜经电解质溶液向正极方向迁移并进入正极材料中储存。正负两极间不仅有锂离子在迁移，为保持电荷平衡，相同数量的电子经外电路也在正负两极之间传递，使正负两极发生氧化还原反应，并保持一定电位。 图1-1锂离子电池工作示意图 a. 金属锂二次电池； b. 锂离子二次电池 （图中枝晶照片直接由原位扫描电镜拍出） Fig.1-1 Schematic representation and operating principles of Li batteries a. Rechargeable Li-metal battery； b. Rechargeable Li-ion battery 以目前已经商业化的锂离子电池为例，正极采用LiCoO2材料，负极采用碳材料，宇部隔膜为电池隔膜，LiPF6的碳酸乙烯酯（EC）、碳酸二乙酯（DEC）或碳酸二甲酯（DMC）溶液为电解液，充电过程中发生的正负两极的电极反应可表示为： CoO2+xLi++xe- 正极反应：LiCoO2 = Li (1-x) 负极反应：C+x Li++xe- = Li x C CoO2+Li x C 电池总反应：LiCoO2+C = Li (1-x) 锂离子二次电池主要有以下优点： 锂电池的工作原理-标准化文件发布号：（9556-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII 锂离子电池的工作原理 锂离子电池的结构如图2.1和图2.2 所示，一般由正极、负极和高分子隔膜构成。 锂离子电池的正极材料必须有能够接纳锂离子的位置和扩散路径，目前应用性能较好的正极材料是具有高插入电位的层状结构的过渡金属氧化物和锂的化合物，如Li x CoO2，Li x NiO2以及尖晶石结构的LiMn2O4等，这些正极材料的插锂电位都可以达到4V以上。负极材料一般用锂碳层间化合物Li x C6，其电解质一般采用溶解有锂盐LiPF6、LiAsF6的有机溶液。典型的锂离子蓄电池体系由碳负极(焦炭、石墨)、正极氧化钴锂(Li x CoO2）和有机电解液三部分组成。 锂离子电池的电化学表达式： 正极反应： 负极反应： 电池反应： 式中：M=Co、Ni、Fe、W等。 图2.1 锂离子电池结构示意图图2.2 圆柱形锂离子电池结构图锂离子电池实际上是一个锂离子浓差电池，正负电极由两种不同的锂离子嵌入化合物构。充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质嵌入负极，此时负极处于富 锂态，正极处于贫锂态；放电时则相反，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极，正极处于富锂态，负极处于贫锂态。锂离子电池的工作电压与构成电极的锂离子嵌入化合物本身及锂离子的浓度有关。因此，在充放电循环时，Li+分别在正负极上发生“嵌入-脱嵌”反应，Li+便在正负极之间来回移动，所以，人们又形象地把锂离子电池称为“摇椅电池”或“摇摆电池”。 锂离子蓄电池是在锂蓄电池的基础上发展起来的先进蓄电池，它基本解决了困扰锂蓄电池发展的两个技术难题，即安全性差和充放电寿命短的问题。锂离子电池与锂电池在原理上的相同之处是：在两种电池中都采用了一种能使锂离子嵌入和脱嵌的金属氧化物或硫化物作为正极，采用一种有机溶剂—无机盐体系作为电解质。不同之处是：在锂离子电池中采用使锂离子嵌入和脱嵌的碳材料代替纯锂作负极。因此，这种电池的工作原理更加简单，在电池工作过程中，仅仅是锂离子从一个电极(脱嵌)后进入另一个电极(嵌入)的过程。具体来说，当电池充电时锂离子是从正极中脱嵌，在碳负极中嵌入，放电时反之。在充放电过程中没有晶形变化，故具有较好的安全性和较长的充放电寿命。 锂离子电池的主要性能 锂离子电池的额定电压为3.6V（少数的是3.7V）。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：石墨的4.2V；焦炭的4.1V。充电时要求终止充电电压的精度在±1％之内。锂离子电池的终止放电电压为2.4～2.7V（电池厂家给出工作电压范围或终止放电电压的参数略有不同）。高于终止充电电压及低于终止放电时会对电池有损害。 动力锂电池组智能管理系统设计 锂电池由于具有体积小、质量轻、电压高、功率大、自放电少以及使用寿命长等优点，逐渐成为动力电池的主流。但是由于锂离子电池具有明显的非线性、不一致性和时变特性，因此在应用时需要进行一定的管理。另外锂电池对充放电的要求很高，当出现过充电、过放电、放电电流过大或电路短路时，会使锂电池温度上升，严重破坏锂电池性能，导致电池寿命缩短。当锂电池串联使用于动力设备中时，由于各单节锂电池间内部特性的不一致，会导致各节锂电池充、放电的不一致。一节性能恶化时，整个电池组的行为特征都会受到此电池的限制，降低整体电池组性能。为使锂电池组能够最大程度地发挥其优越性能，延长使用寿命，必须要对锂电池在充、放电时进行实时监控，提供过压、过流、温度保护和电池间能量均衡。 本文设计的动力锂电池组管理系统安装在锂电池组的内部，以单片机为控制核心，在实现对各节锂电池能量均衡的同时，还可以实现过充、过放、过流、温度保护及短路保护。通过LCD显示电池组的各种状态，并可以通过预留的通信端口读取各节锂电池的历史性能状态。 系统总体方案设计 动力锂电池智能管理系统主要由充电模块、数据采集模块(包括电压、电流、温度数据采集)、均衡模块、电量计算模块、数据显示模块和存储通信模块组成。系统框图如图1所示。 图1 管理系统结构框图 整个系统以单片机为主控制器，通过采集电流信息，判断出电池组是在充电、放电还是在闲置状态及是否有过流现象，并对其状态做出相应处理。对各节电池电压进行采集分析后，系统决定是否启动均衡模块对整个电池组进行能量均衡，同时判断是否有过充或过放现象。温度的采集主要用于系统的过温保护。整个系统的工作状态、电流、各节电压、剩余电量及温度信息都会通过液晶显示模块实时显示。下面对其各个模块的实现方法进行介绍。 微控制器ATmega8 基于STM32的锂电池充放电系统的设计——硬件部分 专业：电子科学与技术学号：111100630 姓名：许金科 指导老师：曾益彬 摘要 锂电池的使用越来越广泛，为了能够充分发挥锂电池的性能，提高电池使用效率并延长电池寿命，需要设计一个锂电池充放电管理系统，该系统是以STM32为控制核心，通过使用RT9545来实现对电池保护。通过使用电源管理芯片BQ24230实现对锂电池充放电路径管理，通过使用电池电量检测芯片BQ27410来实现对电池剩余电池容量SOC、充电状态、电池电压、电池充放电电流、电池温度等参数的检测。通过使用DC-DC升压芯片LMR62421能够输出稳定的电压，实现对整个系统的供电，最后通过STM32实现对电池状态信息的读取与显示。 关键词：电池管理系统，SOC，充电方式 Lithium Battery Charging and Discharging System Design Based on STM32———Hardware Abstract More widespread use of lithium batteries, in order to give full play to the performance of lithium batteries, to improve battery efficiency and extend battery life, it need to design a lithium battery charge and discharge management system, which is based STM32 control core, through the use of RT9545 to realization of battery protection. By using the power management chip BQ24230 lithium battery charge and discharge path to achieve the management, through the use of battery detection chip BQ27410 to achieve the battery remaining battery capacity SOC, detection current, temperature and other parameters of the battery state of charge, battery voltage, battery charge and discharge. By using the DC-DC boost chip output stable voltage LMR62421 able to achieve power to the entire system, and finally through STM32 achieve read and display the battery status information. Key words：Battery Management System，SOC，Charge Mode锂电池的充放电系统
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