我国科研人员开发高压电解液构筑高能量密度锂电池体系

吴坤

摘要：随着社会的不断发展，能源危机逐渐显现。面对环境污染和能源危机的双重压力，世界各国开始广泛地发展新能源，对电能储存的要求也越来越高。锂离子电池由于具有能量密度高、循环寿命长、自放电低等优点，被广泛应用于电化学储能系统中。然而，当锂离子电池发生机械、电气或热滥用时，会发生热失控，电池在热失控过程中产生的气体具有很高的燃爆特性，极易造成严重的危害。在储能系统中，锂离子电池通过串并联组成模组，当一只电池发生热失控时，热量传播到邻近电池，会引发模组的热蔓延甚至整个储能系统的事故。因此，迫切需要对储能系统中锂离子电池热失控的烟气危害和特性进行深入研究。

关键词：高压电解液构筑；高能量密度；锂电池体系

引言

电化学模型可以近似模拟电池在使用过程中所出现的化学反应现象，模型具有高精度的特点，但是计算量、复杂度比较高，仅仅在一些测试电池系统标量中比较常见；电气模型根据RC电路的阶数可分为：分数阶与整数阶。建立整数阶电气模型是以整数阶RC等效电路为参考，电路结构简易且易于实现；建立分数阶电气模型，采用分数阶RC等效电路为参考，能够精确描述锂离子电池在使用过程中系统的非线性变化，减小了电池模型的误差。

1进行新能源汽车锂电池热管理系统热性能优化的意义

虽然新能源汽车使用锂电池能够体现出更加良好的经济性和环保性，但是锂电池的安全性能相对较差，所以有必要对其中的电池问题进行有效解决。对于纯电动汽车来说，其中必须应用的电池组为数个电池模块共同组成，电池模块则为数个单体电池进行并联或是串联而形成。对于电动汽车来说，因为空间密闭，所以热量能够不断积聚，且降温效果较差，单体电池的使用性能也就能够在此环境中受到不良影响。并且，如果单体电池还需持续处于放电状态，其中的温度以及热量则能够出现分布不均的情况，进而极易导致电池模块出现性能、容量的退化，甚至有可能引起爆炸，不仅导致电动汽车自身的使用效果及寿命受到影响，更是有可能威胁相关人员的生命安全。

2锂电池有价金属回收技术现状

近年来，我国锂电池行业正处于前所未有的高速发展期，与此同时，将有一大批锂电池进入规模化退役阶段，锂电池回收市场前景十分广阔。如果能充分回收镍、钴、锰、锂这些战略性关键金属，将会给社会带来巨大的商业价值。现如今，针对锂离子电池回收的技术主要有火法冶炼法、湿法冶炼法、机械活化法、生物浸出法和联合处理技术。火法冶炼法是通过对废旧锂电池正极材料进行高温煅烧，发生氧化还原反应后形成不混溶的熔融层，冷凝后钴等金属被富集为合金，锂等金属被富集成渣相，从而达到分离金属的目的。湿法冶炼法是使浸出溶剂选择性地溶解目的组分，再对目标金属及金属化合物进行分离提纯的一种方法。机械活化法是将正极材料与有机助磨剂混合进行机械球磨化学处理，使其发生物理变化和化学变化，从而实现废旧锂电池正极材料有价金属的分离。生物浸出法是利用微生物辅助正极材料氧化成为可溶性金属硫酸盐，以提高金属浸出率的方法。火法—湿法联合技术主要包括前期处理、浸出以及萃取提纯三大部分，该工艺先对废旧锂电池正极材料进行碳热还原处理，随后利用湿法冶金提炼目标金属。

3开发高压电解液构筑高能量密度锂电池体系的思路

3.1锂电池热管理系统设计

对于新能源汽车来说，虽然相对于空气冷却系统，流体冷却结构的形式更加复杂，但是应用效果也更好，所以可以选择在该冷却系统之中附加一加热装置，以避免低温环境下，锂电池的使用性能受到不良影响。在对冷却系统进行应用的过程中，液体材料为其中主要的冷却介质，其与热源进行直接接触或者间接接触，均能够实现一定程度的散热。一般来说，可以选择将电池模块置于绝缘性能良好的液体中促使电池冷却，或是在电池周围放置冷却夹板，但是为了保障安全性，应主要采用放置冷却夹板的形式，针对电池组的顶部放置冷却扁平管，加速电池组在工作过程中的热量流失，也就有利于保障电池组的冷却效果。

3.2微波辅助浸出过程强化工艺

浸出是锂电池回收过程中的关键步骤，其目的是使浸出溶剂选择性地溶解目的组分，得到富含有价金属离子的浸出液，以进行目标金属的提取和分离。浸出方法包括酸浸(无机酸或有机酸)、氨浸、电化学浸出和生物浸出等。酸浸法是正极有价金属回收最常用的方法，常用的无机酸有H2SO4、HCl和HNO3，常用的有机酸有柠檬酸、苹果酸、草酸、琥珀酸和抗坏血酸。两种类型的酸浸法大多数都采用双氧水作为还原剂。由于微波能将反应提取与高级浸出过程中的快速加热相结合，提高金属溶解率，因而可以使用微波来强化浸出过程。微波作用过程中，极性分子会发生高速振动，增加了物质之间相互碰撞的概率。在固液反应体系中，这种高频振动会使得固体颗粒周围形成局部强烈的液相对流，起到扰动作用，使阻碍反应进行的沉淀物不易沉积在反应颗粒上。这些现象都能够在不同程度上强化物质的反应活性，对化学反应起到一定的催化作用，从而极大地缩短浸出时间，节省药剂的用量。

3.3构建电池组及冷却结构计算模型

在新能源汽车锂电池的冷却系统之中，热量首先出现于电池的位置，之后能够向冷却扁管位置进行转移，在由扁管中流动的冷却液将热量带走。在对边界条件进行选择以及进行初始化时，冷却液的入口速度即为入口边界条件，冷却液的出口压力则为出口边界条件，流体和固体的耦合界面，属于非滑移移动界面，进行热传递的过程即属于自然对流。基于此，在环境温度处于25℃的状态之下，可以采用要松弛法以及有限体积法对离散模型进行求解。（1）动力电池生产制造过程中，由于其电池质量本身较高，所以LTO电池具有最高的ADP（f）与GWP，而具有高碳排放因子的正负极材料为动力电池生产阶段带来了大量的温室气体排放，所以具有较高的GWP，电池制造装配阶段的电能损耗则为电池生命周期带来大量的ADP。（2）匹配不同动力电池纯电动汽车生命周期化石能源消耗LTO>LMO>LFP>NCM，全球变暖潜值LTO>LMO>NCM>LFP，各BEV运行使用阶段环境排放与能源消耗占比最高（60%～70%），报废回收阶段产生约10%～20%的正效益，其中动力电池生产制造在整车生产制造中拥有较高的环境排放与能耗（40%～70%）。

3.4制动能量回收技术

制动能量回收技术是混合动力汽车提升能量利用率的重要技术手段，目前已有测试表明制动能量回收可节约20%以上能量消耗，大大降低了尾气排放。通过对车辆制动时产生的动能进行回收，再将其转化为电能储存在动力电池中，实现对制动损耗能量的再利用。目前的储能方式包括电储能、液压储能、飞轮储能、超级电容储能。电储能技术通过具有可逆作用的发电机将车辆损耗的大量动能转化为电能，再将其储存在电池中用于车辆下次启动或加速。液压储能技术由具有可逆作用的泵电动机实现能量转换，车辆制动时将车辆的动能转化为液压能储存在储能器中，车辆启动时再将液压能转化为动能，驱动车辆行驶。飞轮储能本质是利用高速旋转的飞轮来储存车辆损耗的动能，车辆启动时飞轮释放动能转换为车辆动能。

结束语

由于动力电池高端产能供应紧张,短期内难以实现市场下沉,规模较小的车企在获得优质电池产品资源方面难度较大,在地方保护、资本投入等因素影响推动下,车企更容易与操作灵活、价格较低的小型电池企业达成供应合作；产业正处于市场化发展初期,价格相对较低的中小车型在一定程度上降低电池产品门槛,为三四梯队电池企业创造市场生存空间。商用车在电池供应选择上更为灵活,2021年以来商用车市场逐步恢复,也为各地电池厂提供了发展空间。

参考文献

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