电动汽车用MH-Ni电池的研制

duxuan20

摘要：报道了电动汽车用MH-Ni电池的研制。通过优化设计单体及组合电池结构，优选正负极原材料及配方，提高了电池质量比能量，使之达到63Wh/kg;在改进正极配方的基础上优选电池化成制度，采用闭口化成的方法，提高电池倍率放电性能 ；3C 率放电达到额定容量的80.95%，同时提高了电池的高温充电效率;电池在45℃下以0.2C充电，标准放电达到额定容量的80%;另外，通过优选电液、隔膜及对生产工艺的改进，提高了电池的高温性能，延长了电池寿命。将电池装车进行实效运行实验，一次充电行驶里程为257km。

　　关键词：电动汽车;MH-Ni电池;高比能量

　　随着人类对环境保护意识的不断增强，人们认识到汽车尾气排放对城市造成了严重的污染，另外石油资源逐年减少，30-40年后面临枯竭。降低汽车的污染和节省能源已成为世界各国政府面临的严峻问题。电动车的使用被认为是最终解决这一问题的最佳途径，电动车具有能源利用率高，可以综合利用各种不同能源的特点。而作为研制电动汽车系统工程中的动力型MH-Ni电池，对于全球性节能和能源形式的更新换代有着十分重要的意义。




　　1 研制过程

　　1.1主要技术指标

　　电动汽车动力蓄电池与一般燃油汽车启动蓄电池不同，同时它与混合动力车用动力电池也有很大的区别；因为电动汽车既要在启动、爬坡、加速时进行大功率输出，还要有长时间的低功率输出，即较长的一次续驶里程，所以电动汽车对动力电池就提出了较严格的要求，如：大容量、高比能量、高比功率、高效率、长寿命、合理的运行环境、安全性好等，由此提出如下技术指标。

　　电池型号：JQNF95；额定容量：95Ah(0.2C 率放电)；标称电压：1.2V；质量比能量：55-65Wh/kg；体积比能量：175-195Wh/kg；循环寿命：≥500次；外形尺寸：388mm×116mm×175mm。

　　1.2电池设计

　　1.2.1单体电池设计

　　(1)单体电池结构优化设计

　　单体电池采用方形密封结构，壳体外形尺寸为：112mm×33.68mm×159mm，集流体的外形设计成特殊形状，减少欧姆内阻，使电池具有良好的大电流放电性能，表1对两种不同集流体结构进行了比较，采用结构1可以明显地降低电池内阻，同时又可起到电池压缩密封的作用。

　　电池设计时，尽量减小极板间的空隙，提高导热性能，以避免热量的积聚，阻止内压升高，提高充电效率。

　　(2)单体电池设计容量为95Ah，质量比能量为60Wh/kg；容量设计为正限制，负极组容量要超过正极组的容量，这样利于过充时正极产生的氧被负极复合，而且在充电后期和过充时，负极不会有氢气析出，因此，正负极的容量配比要选择适当，我们选择1∶1.35-1∶1.5。

　　(3)电解液的确定

　　首先对不同组分电解液进行对比实验，确定了含K+、Na+、Li+元素的多元组分电解液，选用该三元体系的电解液，对电池高温(50℃)性能有改善，但对电池的低温性能影响很小，数据见表2。




　　表3比较了不同电液量对电池性能的影响。电液的加入量是影响电池性能的主要因素，电液量多时，阻碍了氧气从正极表面向负极方向的扩散，使氧气在负极上复合的能力降低导致电池内压升高；而电液量少时电池内阻增加，充放电极化增大，电池寿命降低；通过在电池中加入不同的电液量，测试电池内阻、高低温放电性能，确定了合适的电液量。

　　(4)隔膜的选择

　　在电池中隔膜主要起着隔离两电极，保持两电极之间具有良好的离子通道和防止活性物质向对电极迁移等作用。隔膜的优劣对电池容量、放电电压、自放电和循环寿命产生较大的影响，因此选择隔膜必须具有良好的电解液保持能力，化学稳定性、优良的抗氧化能力、透气性及足够的机械强度。表4是比较不同隔膜对电池性能的影响，从表中数据可以发现选择优质隔膜材料是至关重要的，改进隔膜性能是提高电池循环寿命的最直接的手段之一，我们选择聚丙烯接枝膜作为动力型金属氢化物镍电池的隔膜。

　　1.2.2组合电池设计

　　电池组合采用新型框架式结构，将单体电池串联在一个模块中。该结构的特点是：结构紧凑，空间利用率高，有利于提高电池的体积比能量，同时具有良好的通风散热性能，对提高整组电池的可靠性、安全性、质量均匀性以及延长整组电池的循环寿命均起到至关重要的作用。





　　1.3技术关键及解决措施

　　1.3.1提高单体电池比能量

　　(1)由于MH-Ni电池设计采用正限制，所以要提高单体电池比能量，首先就要改进正极配方，提高正极比容量，在原有正极配方基础上，适当减小正极中粘结剂的用量，使正极的质量比容量由原来的170mAh/g提高到180mAh/g。

　　(2)对电池化成制度进行优选，采用闭口化成，充电态进行高温陈化[3]，采取此方案，提高了电池的质量比能量，达到63Wh/kg；同时也提高了电池的高温充电效率，45℃下以0.2C率充电，常温放电达到额定容量的80%。

　　1.3.2提高电池高倍率放电性能

　　为了电池具有良好的大电流放电性能，对正极基板的厚度及面密度提出不同于圆形电池的设计要求，改进正极配方，采用覆钴的Ni(OH)2，并在电池结构上进行优化，电池极板与集流体采用特殊的联接方式，使单体电池的欧姆内阻小于2mΩ。

　　1.3.3提高使用寿命








　　电池组的使用寿命由单体电池的使用寿命，单体电池的均一性、可靠性决定；影响MH-Ni电池循环寿命的因素有很多，主要有贮氢合金组成及制备工艺，贮氢电极的组成及表面处理，正极因素，隔膜衰竭与降解，电池生产工艺等方面，我们主要通过选择钴含量高、经过热处理的AB5型贮氢合金；选择锌、钴含量高的氢氧化镍，可以降低正极膨胀，提高正极氧的析出过电位，提高充电效率；同时优选隔膜，优选电池化成制度，电池在充电态进行热处理，进一步提高单体电池的综合性能；同时再确定优化的电池筛选组合分类制度，从而延长电池组的使用寿命。

　　1.3.4动力MH-Ni电池的散热问题

　　　　MH-Ni电池化学反应如下：

　　M+Ni(OH)2 MH+NiOOH+△H (1)

　　电池在过充情况下有下列氧复合反应：

　　4OH-→2H2O+O2+4e- (2)

　　2H2O+O2+4e-→4OH- (3)

　　MH+OH-→M+H2O+△H (4)

　　由上述反应可知，MH-Ni电池充电为放热过程，电池容量越大，尤其是在较大电流充电末期或过充电条件下，电池发热尤为严重，热的来源，有下面几个方面：电池欧姆极化热Q1，电化学极化热Q2，MH-Ni电化学反应热Q3，电池过充电氧复合热Q4。

　　电池过热，会极大损伤电极材料和隔膜材料，影响电极性能和寿命，控制和限制大容量电池过热问题是电池正常使用的重要环节。我们从电池的充电制度，电液加入量、隔膜的优选及电池的组合设计上对电池加以改进，从而使电池在充放电时的散热问题得到了很好解决。

　　表5、表6分别比较了不同充电制度及不同电池组合结构对电池充电末期温升的影响。通过实验比较，我们确定了优化的充电制度和电池组合结构。








　　2 电池性能

　　电池经过分选组合后，对组合电池分别进行各种性能测试，其中包括常温下不同倍率放电试验，温度试验，电池的安全试验：如耐冲击、耐震动、耐针刺试验，自放电测试，电池寿命测试，测试结果见表7及图1-6。












　　电池0.2C充电，0.2C、0.5C、1C、2C、3C放电曲线如图1，图2；电池在-18℃下，0.2C放电曲线如图3；电池在50℃下，0.2C，1C放电曲线如图4；电池循环寿命曲线如图5；电池在不同温度下0.2C放电曲线如图6。
在(20±5)℃条件下，按表8测试制度进行电池循环寿命试验。

　　3 实效运行

　　(1)将22组JQNF95方形MH-Ni电池组安装在道奇电动车上，在城市工况下以50km/h的平均时速一次行驶228km，最高时速为120km/h。图7为里程-电压曲线

　　(2)将24组JQNF95方形MH-Ni电池组串联构成288V电池组，作为电动汽车电源，与国内研制的概念电动汽车配套，该概念车配用先进的进口电池组，一次充电续驶里程为230km。2001年2月14日，在湖北襄樊国家试车场，经国家有关部门测试，该概念车换装相同体积的和平海湾大型动力MH-Ni电池组，一次充电续驶里程达到257km。2月15日的其他性能检测结果表明，该电动汽车在快速爬坡、高速行驶，不同放电深度下快速启动等方面的数据均大大优于原订标准。该车的最高时速为114km/h。两组电池的比较实验，是在相同用车、相同时速、相同路面同等实验条件下进行的。实验数据见表9。

　　4 国内外各个厂家MH-Ni电池组技术指标对比

　　表10是将和平海湾公司研制的电动车用方形MH-Ni电池与日本松下、汤浅，美国OVONIC公司等研制的动力型MH-Ni电池进行性能比较。比较表中数据，和平动力型MH-Ni电池质量比能量与日本松下电池相同，比其他公司研制的电池稍差；但和平电池在质量比功率和体积比能量上都在这些电池的前列。

　　5 结论

　　(1)通过调整、改进、优选正负极材料，选择覆钴Ni(OH)2和AB5合金，优化正极配方，提高方形MH-Ni电池正极利用率，提高动力电池大电流放电性能；另外通过调整选择三元体系电解液，改善了电池的高温性能。

　　(2)通过优化单体及组合电池结构设计，优选工艺，研制开发出适应电动汽车用方形动力MH-Ni电池，其0.2C率放电质量比能量为63Wh/kg，体积比能量为145Wh/L，循环寿命达到700次时，容量仍为初始容量的92%。
　　使用我公司研制的JQNF95方形动力MH-Ni电池，可以使电动汽车行驶速度达到114km／h，一次行驶里程257km。

xiaoningqiang

呵呵，我们中炬森莱的电池也不错哦，呵呵！
  在车上都跑好几万公里了哦！海南，黑河都跑过了的哦

边缘设计

这个不错，呵呵