LiFePO4電池用作軍用電源的優(yōu)勢分析

任志國, 彭政, 彭昂, 祝志勇

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LiFePO4電池用作軍用電源的優(yōu)勢分析

任志國, 彭政, 彭昂, 祝志勇

（武漢船用電力裝置研究所，武漢430064）

國外早已將鋰離子電池用于航空、水中兵器等領(lǐng)域，但該類電池本身的安全性制約了其在軍事方面的廣泛應(yīng)用。磷酸亞鐵鋰電池與傳統(tǒng)的鋰離子電池相比，具有較高的熱穩(wěn)定性和較高的安全性，理論分析和試驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)作為可充式軍用電源首要選擇。

LiFePO4 安全性 軍用電源

0 引言

軍用電源對(duì)安全性、方便性、能量密度、環(huán)境適應(yīng)性以及耐濫用性具有較高的要求。鋰離子電池以其具有較高的能量密度、免維護(hù)、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)一直受到各界的青睞，但其自身安全性一直令人擔(dān)憂。LiFePO4鋰離子電池的應(yīng)用為滿足軍用電源找到了希望。

1 LiFePO4鋰離子電池工作原理

LiFePO4鋰離子電池主要由正極片、隔膜、負(fù)極片、電解液、極柱（極耳）和外包裝構(gòu)成。正極的活性物質(zhì)為磷酸亞鐵鋰，負(fù)極活性物質(zhì)為碳。充電時(shí)，鋰離子從磷酸亞鐵鋰材料中脫出，以電解液為載體，透過隔膜到達(dá)負(fù)極，嵌入碳材料，電子則從正極通過外電路到達(dá)負(fù)極，維持化學(xué)反應(yīng)平衡；放電時(shí)鋰離子和電子的運(yùn)動(dòng)方向則相反。

在正極上進(jìn)行的充放電反應(yīng)如下：

充電反應(yīng)：

LiFePO4-xLi+-xe-→xFePO4+(1-x)LiFePO4

放電反應(yīng)：

FePO4+xLi++xe-→xLiFePO4+(1-x)FePO4

2 LiFePO4鋰離子電池特點(diǎn)及優(yōu)勢

2.1 耐高溫

鋰離子電池在UUV內(nèi)的空間受到很大限制，因此結(jié)構(gòu)緊湊，不利于散熱，這要求電池有很好的耐高溫性能。與以LiCoO2、LiMn2O4和三元材料為正極活性物質(zhì)的鋰離子電池相比，LiFePO4鋰離子電池的電化學(xué)性能有了顯著的改進(jìn)，這是由其結(jié)構(gòu)決定的。在磷酸亞鐵鋰中Li+具有二維可移動(dòng)性，在充放電過程中鋰離子的脫出和嵌入受到很強(qiáng)的P-O共價(jià)鍵形成的離域環(huán)境影響，使磷酸亞鐵鋰具有很強(qiáng)的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性。所以LiFePO4鋰離子電池具有良好的高溫安全性能，在高倍率充、放電時(shí)極柱的溫度甚至升高到170℃的情況下，仍能保持安全使用。表1[1]列出了常用正極材料的差熱分析(DSC)數(shù)據(jù)。

從表1可以看出目前所發(fā)現(xiàn)的鋰離子電池正極材料中，磷酸亞鐵鋰的安全性最好。

2.2 儲(chǔ)存性

電池的長期所處的環(huán)境溫度有可能比較高，要求電池具有較好的高溫儲(chǔ)存性能，即在高溫儲(chǔ)存后仍保持較高安全性。分別以LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2和LiFePO4為正極材料做成型號(hào)為18650的鋰離子電池[2]，將充滿電的電池在高溫（55±2℃）下儲(chǔ)存30天，進(jìn)行儲(chǔ)存前后過充電性能對(duì)比試驗(yàn)。LiFePO4鋰離子電池過充電方式為3 C恒電流充至12 V,轉(zhuǎn)恒壓充電，電流降為0.01 C后截止。其余兩種電池過充電方式為3 C恒電流至5V,轉(zhuǎn)恒壓充，電流降為0.01 C后截止。儲(chǔ)存前LiCoO2和LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2為正極的電池均能通過過充電測試，但儲(chǔ)存后，以儲(chǔ)存前過充電方式試驗(yàn)，兩種電池均燒毀，起火前，兩種電池的表面溫度達(dá)到100℃以上。LiFePO4鋰離子電池儲(chǔ)存前后以相同的過充電方式試驗(yàn)，電池表面溫度最高為84℃，未發(fā)生熱失控現(xiàn)象。

從以上高溫儲(chǔ)存前后的過充試驗(yàn)對(duì)比可以看出，LiCoO2、LiNi1/3Co1/3Mn1/3O2為正極的鋰離子電池安全性發(fā)生明顯下降，而LiFePO4電池依然保持較高的過充安全性，因此LiFePO4電池較其它鋰離子電池用于軍用電源在高溫儲(chǔ)存性能方面具有明顯優(yōu)勢。

2.3 濫用性

電池在運(yùn)輸、儲(chǔ)存和使用過程中可能會(huì)出現(xiàn)外部短路或針刺、擠壓等現(xiàn)象，考察這些因素所帶來的安全問題在軍用電源中的應(yīng)用是必要的。

將內(nèi)阻為9 mΩ的2.4 Ah軟包裝LiFePO4鋰離子電池充滿電，用外部僅為6 mΩ的電阻進(jìn)行短路試驗(yàn)，試驗(yàn)過程未發(fā)生熱失控，電池未燃燒、爆炸。最大電流達(dá)到58 C，電池表面溫度最高達(dá)到109℃，表現(xiàn)出較高的短路安全性。電池表面溫度和電流隨時(shí)間變化曲線如圖4所示。

在實(shí)際應(yīng)用過程中應(yīng)加控制電路進(jìn)行短路保護(hù)，如果控制電路與電池之間線路短路，或者控制電路短路保護(hù)發(fā)生故障，控制電路無法發(fā)揮短路保護(hù)功能，這要求電池具有較高的短路安全性。電池短路的安全性與電池容量、內(nèi)阻、外電路電阻等有關(guān)，電池容量越大，短路釋放的能量就越大；內(nèi)阻和外電路電阻越小，短路電流就越大，瞬間電池內(nèi)積蓄的熱量就越大，溫升迅速。電芯溫度升高后，電池材料的熱反應(yīng)起始溫度成為是否發(fā)生熱失控的關(guān)鍵，發(fā)生熱失控后電池材料的反應(yīng)熱大小決定了危險(xiǎn)程度和危害的可控性。從表1中可以看出，磷酸亞鐵鋰材料的熱反應(yīng)起始溫度最高，發(fā)生熱失控后單位質(zhì)量放出的熱量最小，意味著該材料為正極的鋰離子電池與其它材料相比具有較高的短路安全性。

將50 Ah的磷酸亞鐵鋰電芯充滿電[3]，用直徑為3 mm的鋼針進(jìn)行針刺試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中和結(jié)束均未出現(xiàn)燃燒、爆炸，電池表面溫度最高僅為90℃左右，表現(xiàn)出較高的熱穩(wěn)定性。溫度隨時(shí)間變化曲線見圖5。

國外Valence公司將LiFePO4鋰離子電池和金屬氧化物鋰離子電池（LiCoO2、LiNiO2、LiMnO4）進(jìn)行了擠壓、針刺試驗(yàn)的對(duì)比，型號(hào)同為18650電池。擠壓試驗(yàn)中，金屬氧化物鋰離子電池溫度迅速升到600℃，出現(xiàn)火花，放出濃煙，而LiFePO4鋰離子電池溫度曲線比較平穩(wěn)，最高溫度升到110℃左右，沒有發(fā)生爆炸、燃燒。針刺試驗(yàn)中，金屬氧化物鋰離子電池均超過550℃，而LiFePO4鋰離子電池從常溫僅升到110℃左右。

從濫用試驗(yàn)中可以看出，LiFePO4鋰離子電池表現(xiàn)出較高的安全性，相對(duì)于其它正極材料的鋰離子電池用于軍用電源具有較高的濫用安全性。

3 實(shí)例分析

金槍魚機(jī)器人公司在美國海軍研究部的資助下研發(fā)了最新戰(zhàn)場準(zhǔn)備自主水下航行體（簡稱BPAUV），該BPAUV電源采用2個(gè)3.5 kWh的電池組，每個(gè)重約31 kg，電池組的凈比能量為116 Wh/kg,其中性浮力時(shí)平均能量密度為105 Wh/kg。8只鋰離子聚合物單體電池并聯(lián)組成的模塊稱為量子(quanta)電池，容量為40.5 Ah。由3個(gè)量子電池并聯(lián)組成的模塊稱為磚塊(brick)電池。BPAUV電池組采用8個(gè)磚塊電池串聯(lián)而成，電池能量接近3550 Wh，名義電壓為29.6 V，航行體運(yùn)行時(shí)間為18 h。對(duì)量子電池進(jìn)行安全試驗(yàn)[4]。短路試驗(yàn)中電極出現(xiàn)燃脫現(xiàn)象；擠壓試驗(yàn)電池冒煙并著火。

過充試驗(yàn)，冒煙并很快著火；高溫非正常使用試驗(yàn)中，充滿電的量子電池冒煙并著火，放完電的量子電池冒出了更多的煙，未著火。磚塊電池的過充電試驗(yàn)與量子電池一樣冒煙很快著火。從該電池的單體工作電壓、放電截止電壓、充電截止電壓可判斷出，采用了常規(guī)的鋰離子電池正極材料，雖然做成了聚合物電池，但仍無法避免過充和高溫非正常使用引發(fā)燃燒的后果，因此鋰離子電池應(yīng)用于電源的安全性亟待解決。國內(nèi)已有單位研制的磷酸亞鐵鋰單體電池質(zhì)量比能超過140 Wh/kg，接近傳統(tǒng)鋰離子電池的比能水平。

4 結(jié)論

LiFePO4電池不但具有較高的熱穩(wěn)定性，能適應(yīng)惡劣環(huán)境的儲(chǔ)存和使用，不易引發(fā)安全事故，而且在發(fā)生熱失控情況下，該單位質(zhì)量的正極材料放出的熱量在現(xiàn)有鋰離子電池正極材料中最小，容易控制。理論分析和安全試驗(yàn)表明，作為軍用電源，目前以LiFePO4材料為正極的鋰離子電池最為安全。因LiFePO4材料的振實(shí)密度較低、理論容量較低，以及該電池本身的電壓較低，導(dǎo)致電池的比能低于采用其它正極材料的鋰離子電池。隨著材料制備工藝的不斷改進(jìn)和電池制作工藝的不斷提高，目前磷酸亞鐵鋰電池的質(zhì)量比能和體積比能得到了較大提升。綜合考慮，高比能的磷酸亞鐵鋰電池為軍用可充式電池的最佳選擇。

[1] 胡信國等. 動(dòng)力電池技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[2] 李佳，何亮明，杜翀. 鋰離子電池高溫儲(chǔ)存后的安全性[J]. 電池，2010,40(3): 158-160.

[3] 陳性保.50AhLiFePO4聚合物鋰離子單體電池的制備[J]. 電池，2009,39(1): 34-35.

[4] 黃紅飛. 美國海軍對(duì)應(yīng)用于戰(zhàn)場準(zhǔn)備自主水下航行體(BPAUV)上鋰離子電池的安全性試驗(yàn)[J].水雷戰(zhàn)與艦船防護(hù)，2011，19(2)：66-70.

Analysis of Application Advantages of LiFePO4 Li-ion Batteries for Military Use

Ren Zhiguo, Peng Zhen, Peng Ang, Zhu Zhiyong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM911

A

1003-4862（2015）01-0037-03

2014-08-25

任志國（1978-），男，碩士。研究方向：鋰離子電池設(shè)計(jì)。