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环境湿度对新能源汽车锂电池的性能影响

http://www.finance.hc360.com2019年08月14日11:39T|T
 电动汽车是一种采用电力驱动的全天候多地形交通工具,其动力电池包的环境适应性直接影响电动汽车在各种气候环境条件下的使用稳定性,也关系着电动汽车全寿命服役周期内的安全性和可靠性,同时也影响新能源汽车产业的可持续发展。我国地域辽阔气候类型多样,其中湿热气候是很典型的一类,但目前关于电动汽车动力电池包湿热气候环境适应性的研究尚属空白。

  因此,本文针对湿热气候环境对电池包的热影响和湿影响开展研究工作。阐述了电动汽车电池包环境防护设计要求以及国内外关于汽车环境适应性相关研究的现状与不足,提出本文的研究内容。在环境适应性概念认知下提出电池包湿热气候环境适应性问题,通过分析电池包在湿热气候环境可能遭受的环境载荷谱,找出主要环境影响因素,并对太阳辐射、温度、湿度对电池包的作用效应进行深入分析,根据分析结果提出后续的研究思路及研究方法。

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  在分析电池包微环境透湿和温湿度数学模型的基础上,以一款小型动力电池包为研究对象,进行电池包箱体内外湿度扩散试验,通过对箱体内外温度、湿度以及气压数据的实时监测,获得电池包箱体内外湿度扩散特性。然后对动力电池单体进行高温高湿搁置,通过搁置前后电池性能对比,湿热环境载荷对电池的影响程度。论文的研究成果对动力电池包湿热环境防护设计和动力电池包环境适应性试验有参考价值,对动力电池包的评价体系的建立也具有一定指导意义。

  高镍正极配硅碳负极已经被行业内公认为高比能量锂离子动力电池的技术路线。而高镍正极面临很多问题,其中原材料的保存、电池生产环境要求高是巨大的挑战。本文简单总结下环境因素,特别是湿度对高镍正极材料特性的影响,理解错误之处请大家批评指正。

  对于镍基材料,颗粒表面会发生自发反应,Ni3+转变为Ni2+,释放O2-,当镍含量高的材料(NMC622、NMC811、NCA等)暴露在空气中时,更容易吸收空气中的二氧化碳和水,发生如下反应:

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  这样在颗粒表面形成Li2CO3和LiOH层,材料中Ni比例高,PH值也越高,而Li2CO3和LiOH消耗了材料中的Li,又不具备电化学活性,因此会造成容量衰减,而且颗粒表面致密的Li2CO3层阻碍Li的扩散,影响电池性能。LiOH也会与PVDF和LiPF6反应,对电池工艺和性能产生不利影响。

  材料与空气的反应会在原材料保存、电极制备、极片存储等整个过程进行,因此,对于高镍材料,从原材料到整个电池生产过程都需要严格的环境控制,特别是水分控制。如果水分与材料已经发生了反应,通过常规的干燥过程根本无法再次去除水分的影响,电极浆料的制备、极片制造等环节都需要在干燥环境内进行,一般地,高镍正极电池的生产过程都需要露点-30℃环境。

  如果高镍正极材料颗粒表面吸收空气中的水分,反应产生了LiOH,这就会对极片制造工艺过程产生严重的影响。在高镍正极浆料制备过程中,PVDF溶解于NMP中,材料表面的碱性基团会攻击相邻的C-F、C-H键,PVDF很容易发生双分子消去反应,会在分子链上形成一部分的碳碳双键,反应如下:

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  当PVDF内双键増加时,其粘结力也会増加,这会导致浆料粘度増加,甚至浆料形成凝胶状态。因此,高镍正极浆料在制备和涂布过程,环境湿度对其影响巨大,如果再工艺过程中吸水反应,特别容易造成浆料性质发生变化,导致极片制造过程出现品质不稳定,工艺一致性差等问题,形成凝胶浆料时,甚至涂布过程无法进行。

  而且,当PVDF内双键増加导致粘结力増加时,极片脆性増加特别容易发生断裂,极片辊压、分切等工艺收放卷过程中,极片断裂造成工艺过程无法进行。如果电池是方形卷绕工艺,在卷芯拐角处会造成极片断裂或者掉料的情况。

  LiOH会与Al箔发生如下反应:

  6OH-+2Al+6H2O→6OH-+2Al(OH)3+3H2

  Al被腐蚀之后,机械强度降低,电池电化学性能和安全性都会受到影响,而且箔材被腐蚀表面性质变化,涂层剥离强度会降低,极片的机械性能和电性能都会受到影响。

  此外,LiOH也会与LiPF6反应,消耗电解液中的Li离子,产生HF气体,它可以使电池内部的金属零件腐蚀,进而使电池最终漏液。而且HF破坏SEI膜,会与SEI膜主要成分持续发生反应:

  ROCO2Li+HF→ROCO2H+LiF

  LiCO3+2HF→H2CO3+2LiF

  动力电池包密封的新材料应用

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  随着近年来锂离子电池能量密度的不断提升,容量更高的NCM622和NCM811材料逐渐替代了传统的NCM111材料,从而使得动力电池的能量密度有了大幅的提升,因此近期推出的电动汽车的续航里程普遍都在400km以上,部分高端车型的续航里程甚至已经达到了500km以上。常识告诉我们随着Ni含量的提高,正极材料更加容易“吸水”,因此对于操作环境的要求也在不断提升,但是我们对于正极材料究竟是如何“吸水”的机理认识还不够深入。因此,我们要借助更为有效的材料针对外部环境的湿度进行阻隔!

  德耐隆Telite®防水吸音隔材料,亦称之为固态密封垫片、固态垫片。它是一种呈固态状的新型高分子疏水憎油 (憎水率99%)密封材料。广州市绿原环保材料有限公司的德耐隆Telite®防水吸音隔材料与液体密封腻子有所不同,液态密封胶需要给一定的外界紧固力,才能发挥其密封作用,因此有人称它为"液体垫片"。它与固体垫片,如橡胶、石棉、金属、纸质等材料做成的垫片不同,它具有不易燃且憎水性好,因此不存在固体垫片起密封作用时必然产生的压缩变形,因而也没有内应力、松弛、蠕变和弹性疲劳破坏等导致泄漏的因素。由于它可以充满结合面之间的凹陷和缝隙,消除界面泄漏,因而是一种较理想的疏水型保温隔热、降噪材料。

  德耐隆Telite®防水吸音隔材料可以在-180℃--240℃的环境下正常工作,而且不易燃,疏水憎油 (憎水率99%)同时保持着优异的密封性能。德耐隆Telite®防水吸音隔材料可以单独用来密封pack箱体,也可以配合密封圈使用,完全可以满足IP67的要求。在pack箱体需要维修时,可以随时打开,由于德耐隆Telite®防水吸音隔材料是固体,可以反复使用,不用去除残胶和二次打胶。

  最后,在电池内部产生LiF沉淀,使锂离子在电池负极片发生不可逆转的化学反应,消耗活性锂离子,电池的能量就减少了。

  高镍材料吸收水分反应产物Li2CO3在充电状态的高电位下容易分解产生CO2气体,造成电池鼓包漏液问题。当材料吸收的水分足够多时,产生的气体多,电池内部的压力就会变大,从而引起电池受力变形,出现电池鼓涨,漏液等危险。


责任编辑:许慧

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