臥龍電氣大容量鋰離子電池（LFP）在通信和儲能中的應(yīng)用

王秀利

（臥龍電氣集團鋰電池事業(yè)部）

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，各行各業(yè)對通訊服務(wù)的需求不斷上升，為了保障通訊系統(tǒng)的正常運行，作為備用電源的蓄電池受到了廣泛關(guān)注。

隨著電池技術(shù)研究的不斷深入，各種新型化學(xué)電源不斷出現(xiàn)，特別是上世紀90年代發(fā)展起來的鋰電池。以其優(yōu)越的性能，帶來了一場電池技術(shù)革命。隨著鋰電池技術(shù)不斷進步和市場的強勁需求，鋰電池在不同行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。近年來，國內(nèi)有些鋰電池廠嘗試開發(fā)大容量鋰電池，并應(yīng)用在通訊行業(yè)的備用電源系統(tǒng)。

綜觀通信市場，截至2010年底，通信基站數(shù)量超過120萬個，經(jīng)過多年的使用、老化，基站現(xiàn)行使用的鉛酸電池已經(jīng)進入了一個更換和淘汰期。根據(jù)國家的節(jié)能減排政策以及鋰電池技術(shù)的成熟和廣泛應(yīng)用情況，長效、安全、環(huán)保、節(jié)能的新型鋰電池替代傳統(tǒng)的鉛酸電池勢在必行。

隨著通信系統(tǒng)在社會生活各個方面的作用越來越重要，以及近幾年來鉛酸電池在使用中出現(xiàn)的問題，電信運營商對電池的要求越來越高。重點關(guān)注的是電池的安全性、可靠性和長壽命。因此電信系統(tǒng)蓄電池的下一步發(fā)展方向?qū)⑹牵禾岣甙踩?，可靠性；提高浮充電和循環(huán)壽命。

臥龍磷酸鐵鋰電池應(yīng)用于通信行業(yè)有如下優(yōu)勢。

1 產(chǎn)品種類豐富

形成三大系列，幾十種產(chǎn)品。廣泛應(yīng)用在戶外型基站；村通等無空調(diào)的基站；空間緊張的室內(nèi)宏基站；直流供電的室內(nèi)覆蓋／分布式信源站；無市電或三四類市電地區(qū)的太陽能光伏基站；直流供電方案的WLAN站點等（見表1～表3）。

2 臥龍產(chǎn)品的技術(shù)性能優(yōu)勢

優(yōu)異的耐高溫性能可成倍增加戶外站電池的壽命，降低維護及更換電池費用，提供系統(tǒng)可靠性；此外在有空調(diào)的基站中，可以嘗試將空調(diào)設(shè)置為35度時啟動，能有效降低基站平均電耗，“節(jié)能”優(yōu)勢更加明顯。磷酸鐵鋰電池更耐高溫，電熱峰值可達350℃到500℃，在實際應(yīng)用中，可以取消電池恒溫箱的使用。鋰離子電池在高溫下的容量衰減較常溫下快，高溫條件下若電池的放熱速度大于散熱速度，會引起電解液的陽極氧化以及電解液、陽極活性物質(zhì)、陰極活性物質(zhì)、粘結(jié)劑的熱力學(xué)分解等問題；而低溫條件下，由于鋰離子的沉積速度有可能大于嵌入速度，從而導(dǎo)致金屬鋰沉積在電極表面，容易產(chǎn)生鋰枝晶，而發(fā)生安全問題，公司產(chǎn)品通過測試對比，高溫循環(huán)性能優(yōu)異，60℃環(huán)境下1C5循環(huán)100次容量保持97.5%以上（見表4）。

表1 通訊用后備式鋰電池系統(tǒng) （直流系列）

表2 通訊用后備式鋰電池系統(tǒng) （交流系列）

表3 通訊用后備式鋰電池系統(tǒng)（UPS系列）

表4 幾種產(chǎn)品循環(huán)100次容量保持率對比

同時，在磷酸鐵鋰添加20%磷酸釩鋰，混合材料的大電流及低溫放電性能優(yōu)異（見圖1、圖2）。

在高倍率（1500 mA／g）下，由于磷酸釩鋰的加入，電池材料的放電性能提高29%。

圖1 組裝電池在不同放電倍率下的放電曲線

圖2 組裝電池在不同溫度下的充、放電曲線

在－30oC，添加磷酸釩鋰的混合材料的放電容量為71 mAh／g，比磷酸鐵鋰放電容量高21 mAh／g。

（1）鋰離子電池設(shè)計與開發(fā)

優(yōu)化鋰離子電池正極和負極配方體系，研究正、負極材料，隔膜和電解液之間的匹配性；采用高速和膏機，研究漿料配比、和漿工藝、涂布方式及其工藝參數(shù)對電池的安全性、使用壽命和一致性的影響；對隔膜和集流體采用預(yù)處理；并采用噴涂設(shè)備，優(yōu)選粘結(jié)劑，提高活性物質(zhì)與集流體結(jié)合力；依據(jù)單體電池?zé)崾Э胤治龊蛢?nèi)阻測試，優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)。

通過對極耳、極柱及二者連接方式的計算設(shè)計，得到最有利于電流通過的結(jié)構(gòu)，以將電池內(nèi)部的接觸電阻降低至最??；通過對電池內(nèi)部極片結(jié)構(gòu)、電芯組裝方式的計算設(shè)計，優(yōu)化電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)，提高電池體積比能量，保證電流在極片上均勻分布，得到在大倍率放電時，溫升穩(wěn)定、分布均勻的結(jié)構(gòu)形式，提高電池的安全性及使用壽命。采用“Z”型層疊制造工藝，極群方式是多極結(jié)構(gòu)，電流密度分布上更均勻，制成電池阻抗小，適合大容量電池制作，提高了電池電化學(xué)性能（見圖3）。

圖3 “Z”型層疊工藝示意圖

圖4 單體電池實物圖

（2）電池的模塊化設(shè)計

研究單體電池曲線擬合分選技術(shù)；通過優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計并優(yōu)選組裝材質(zhì)，實現(xiàn)電池模塊輕量化設(shè)計；對電池模塊的安全性及能量密度、功率密度和循環(huán)壽命進行評價；在模擬工況（電動車頻繁啟動、加速或剎車等暫態(tài)條件）下，研究電池系統(tǒng)的循環(huán)壽命，研究電池模塊在高、低溫條件下的循環(huán)性能和失效機制，從而提高電池的使用壽命；研究長期儲存對電池性能的影響，抑制儲存期間電池性能的衰減；對電池模塊進行可靠性驗證及評價。

模塊式產(chǎn)品，單體電池產(chǎn)品主體以IFP1090140（10 Ah）磷酸鐵鋰鋰離子電池為主，通過并聯(lián)增容，串聯(lián)增壓模式來組合各系列產(chǎn)品（見圖4）。

電池組組合的方式采用臥龍專利技術(shù)來進行。該專 利 已 受 理 及 授 權(quán)，專 利 號：201020526753.3；201010279805.6。該組合方式有效地保護電池免受損傷，避免外部震動、劃傷；電池組的極耳采用搭接和焊接相結(jié)合的連接方式，提高組合可靠性，且方便裝配或拆分，便于不良電池的更換；充分考慮電池膨脹因素，組裝架的厚度高于電池厚度的10～20%，消除單體電池間在充放電過程中的內(nèi)部應(yīng)力，利于延長產(chǎn)品的壽命；組裝架采用絕緣的樹脂或塑料材料，保證了PACK組的絕緣性，提高了PACK組的安全性（見圖5）。

圖5 電池組組合方式示意圖

（3）研究電池系統(tǒng)的管理系統(tǒng)

研究電池系統(tǒng)溫度場分布規(guī)律，優(yōu)化電池系統(tǒng)熱交換設(shè)計；研究殼體結(jié)構(gòu)和材料，優(yōu)化保護電路及布線工藝設(shè)計，提高系統(tǒng)電安全及電磁兼容性；建立SOC（荷電狀態(tài)）、SOH（惡化程度）模型并試驗校證，提高SOC、SOH估算精度，研究充放電大電流無損均衡充放電控制技術(shù)；研究電池系統(tǒng)的加速壽命預(yù)測并試驗校證。將SOC的計算精度提高到7%；可實現(xiàn)28 A大電流無損均衡，降低電池組差異性，延長電池組使用壽命。

電信運營商所需的通信設(shè)備趨向于集成化、小型化、輕型化。即在有限的空間內(nèi)安裝更多的業(yè)務(wù)設(shè)備。對其使用溫度范圍、比能量、壽命等提出了更高的要求。近年來，電信運營商和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商正逐步或已經(jīng)開始尋求并研究新型備電解決方案。鋰離子電池因其自身的技術(shù)特點，具有高容量、高電壓、無污染等優(yōu)點而備受人們的廣泛關(guān)注，發(fā)展勢頭迅猛，是未來中小型后備電源、惡劣環(huán)境等條件下后備電源技術(shù)的發(fā)展趨勢，會逐漸成為高要求后備電源解決方案的首選。通信市場平均每年新增投資2500億，基站用蓄電池約占總投資的3%。在未來三年隨著鋰電池的批量生產(chǎn)和工藝的改善，產(chǎn)品價格將會得到大幅度的下降，鋰電池市場部分取代現(xiàn)有的鉛酸電池市場是一個大勢所趨，鋰電池將進入一個大規(guī)模的市場應(yīng)用時代。