不同類型鋰離子電池在UPS工況下的適應(yīng)性分析

吳戰(zhàn)宇，沙樹勇，周壽斌

(江蘇華富儲能新技術(shù)股份有限公司，江蘇 揚州 225600)

0 引言

鋰離子電池具有工作電壓高、比能量大、體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應(yīng)、無污染等眾多優(yōu)點，因此近年來鋰離子電池的在新能源儲能、動力及后備電源領(lǐng)域(UPS)的應(yīng)用不斷擴大[1]。當前，隨著社會科學技術(shù)的不斷發(fā)展，UPS 電源的運用已在實際生活中得到了大眾廣泛的重視與關(guān)注。其中，UPS 電源的類型也存在著多樣化，比較常見的類型主要有在線式、后備式、在線互動式等幾種類型，但不同類型的UPS 電源在功能特性上具有不同的作用，因此在選用UPS電源時應(yīng)對電源的可用性進行具體的分析與理解，從而充分發(fā)揮出UPS 技術(shù)的作用[2]。

目前UPS領(lǐng)域使用的化學電源仍以免維護鉛酸蓄電池為主導。在市場上常見的鋰離子電池中，磷酸鐵鋰電池較被看好，這種電池雖然比能量不及鈷酸鋰電池，但是其安全性高，單體電池的循環(huán)次數(shù)能達到2000次，放電穩(wěn)定?；诖它c，在UPS應(yīng)用領(lǐng)域，磷酸鐵鋰電池是最早也是目前唯一替代鉛酸電池的鋰離子電池[3]。但其它類型的鋰離子電池，如三元(NiCoMn)鋰離子電池、錳酸鋰電池等是否可用于UPS領(lǐng)域以及在模擬UPS使用工況下對鋰離子電池進行長時間浮充會產(chǎn)生什么樣的結(jié)果，這個還不得而知。

本文以以磷酸鐵鋰電池(以下簡稱：鐵鋰)進行參照，考察三元(NiCoMn)鋰離子電池(以下簡稱：三元鋰)、錳酸鋰電池(以下簡稱：錳鋰)在模擬UPS使用工況進行使用的情況。并對三種電池在UPS工況下的適應(yīng)性進行了分析。

1 實驗部分

1.1 樣品電池

分別選擇鐵鋰、三元及錳鋰三種類型的電芯各1只進行測試，磷酸鐵鋰電芯樣品規(guī)格型號為22650/3.0Ah，三元鋰規(guī)格型號為：1690135/12Ah，錳鋰規(guī)格型號為18650/2.0Ah。三種電芯在測試前進行容量檢測。

1.2 測試設(shè)備

深圳市新威爾電子有限公司生產(chǎn)的規(guī)格型號為CT-3008W5V20A-TF的高精度電池性能測試系統(tǒng)。

1.3 測試方案

(1)完全充放電測試：先對樣品電池進行20次完全充放電循環(huán)，以此判斷電芯是否異常并使其容量達到穩(wěn)定狀態(tài)。完全充電方式為恒流/恒壓(CC/CV)方式，放電為恒流限壓方式，具體參數(shù)見表1。

表1 三種樣品電池的充放電方案

(2)模擬UPS工況測試：經(jīng)過完全充放電測試合格之后的三種樣品電池，隨后進行模擬UPS工況測試。測試方法按照YDT 799-2010 《通信用閥控式密封鉛酸蓄電池》中7.23.1蓄電池過充電壽命實驗規(guī)定的執(zhí)行。具體如下：

A) 以0.1C恒流充電至相應(yīng)充電限制電壓

B) 在充電限制電壓下恒壓充電30天；

C) 以0.1C進行恒流放電至相應(yīng)放電截止電壓

以上為一個測試周期，重復(fù)以上周期，并記錄每個周期之后樣品電池放電容量的變化。

2 結(jié)果及討論

2.1 完全充放電測試

將3種樣品20次完全充電測試后循環(huán)后，計算其容量保持率，結(jié)果如表2所示。從表2的結(jié)果可以看出，經(jīng)過三種樣品電池均具有較好的容量保持能力，其中最高為鐵鋰，達到101.0%；容量保持能力最低的為三元鋰，達到97.9%；兩只錳鋰電池的容量保持能力均為98.8%。因此，可以判定三種電芯無異常。

表2 樣品完全充放電循環(huán)放電容量 單位：mAh

2.2 模擬UPS工況測試

表3 為3類電池4個樣品經(jīng)過完全充放后，在模擬UPS工況條件下的各周期內(nèi)放電容量變化情況。測試過程中發(fā)現(xiàn)，錳鋰樣品(錳鋰1#)在3個周期后就已經(jīng)完全不能放電，為了驗證是否是樣品原因，另取錳鋰樣品(錳鋰2#)1只再次進行測試。

表3 樣品模擬UPS工況測試放電容量 單位：mAh

圖1 錳鋰樣品實驗周期內(nèi)充放電容量變化

2.3 模擬UPS工況適應(yīng)性分析

(1)錳鋰樣品

錳鋰1#樣品前2個模擬UPS工況放電容量由1975.5mAh依次衰減至1874mAh、1715mAh，第3個周期則只有553.3mAh電芯完全報廢。為避免單只電池失效引起誤判，重新選取錳鋰2#樣品進行測試，從2#樣品的實驗結(jié)果證實，錳鋰1#樣品模擬UPS工況出現(xiàn)這種現(xiàn)象并非偶然，2#樣品的容量衰減情況也非常嚴重(圖1)。錳酸鋰體系的電芯出現(xiàn)這樣的現(xiàn)象可能與錳酸鋰材料在高荷電態(tài)下的 John-Teller效應(yīng)使得錳溶解造成整體正極片上活性物質(zhì)結(jié)構(gòu)坍塌，從而導致電芯報廢。從此實驗看，錳酸鋰體系不適合于長期高荷電態(tài)下浮充的領(lǐng)域。

(2)三元鋰及鐵鋰樣品

圖2 鐵鋰樣品與三元樣品實驗周期內(nèi)充放電容量變化

接下來將三元鋰樣品與鐵鋰樣品進行對比分析。圖2為兩種樣品整個實驗周期內(nèi)的充放電容量比較圖。

從實驗曲線上看，三元鋰樣品在第一個模擬UPS工況的放電容量較之前的完全充放電容量相近，隨后5個周期內(nèi)容量衰減相對較快，衰減至10897mAh，與模擬UPS工況前相比衰減了11.1%，而鐵鋰樣品則基本無變化，直到第40個實驗周期(第20個模擬UPS工況)后放電容量出現(xiàn)先略有下降隨后上升。而三元鋰樣品也在相同周期出現(xiàn)類似情況，初步懷疑與實驗環(huán)境溫度有關(guān)。于是將后段的樣品恒流充電及恒流放電的環(huán)境溫度數(shù)據(jù)提取出來與放電容量進行比對分析。具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 鐵鋰樣品與三元樣品放電容量與環(huán)境溫度對應(yīng)曲線

圖3 鐵鋰樣品與三元樣品第30個周期后放電容量與環(huán)境溫度對應(yīng)曲線

從表4中和圖3中均可看出，兩種電池的放電容量變化與環(huán)境溫度變化完全一致，因此此階段中容量偏低的周期并非模擬UPS工況原因造成，而是受環(huán)境溫度影響。為了消除這種影響，選取溫度比較接近常溫25℃的前后兩個周期進行比較。選取第48次(第28次模擬UPS工況)與第40次(第20次模擬UPS工況)進行比較 。兩次循環(huán)之間的對比可以看出，鐵鋰樣品在經(jīng)歷了8個模擬UPS工況后放電容量只減少了31.6mAh，衰減率1.1%，而三元鋰樣品也只減少了240.5mAh，衰減率為2.3%。從以上數(shù)據(jù)分析可知，鐵鋰及三元鋰樣品在UPS工況下具有較好的適應(yīng)能力。

2.4 三種電池的適應(yīng)性比較

將鐵鋰及三元鋰在模擬UPS工況下各循環(huán)周期的放電容量與首次循環(huán)周期的放電容量進行比較，得到兩種電池的容量保持率，結(jié)果如表5所示。

圖4為根據(jù)表5繪制的鐵鋰與三元鋰樣品的容量保持率曲線，鐵鋰樣品在經(jīng)歷了28個模擬UPS工況周期后容量仍有近95%，而三元樣品雖然在前期5個周期容量保持率快速下降到89%，但在隨后的周期容量保持率基本平穩(wěn)，第27、28個周期的容量保持率仍維持在84.5%以上。因此，在長期浮充的領(lǐng)域，磷酸鐵鋰體系表現(xiàn)最佳，三元鋰體系也可應(yīng)用，但容量會下降為初始容量的85%。相比而言，錳酸鋰體系則完全不可用。

表5 鐵鋰樣品與三元鋰樣品模擬UPS工況周期的放電容量及保持率

圖4 鐵鋰與三元鋰樣品模擬UPS工況周期容量保持率曲線

3 結(jié)論

在經(jīng)歷了26個月的27個模擬UPS周期，磷酸鐵鋰樣品容量保持率仍能達到近95%；而三元鋰樣品前5個周期的容量保持率下降至89%，隨后比較穩(wěn)定，最后容量保持率為84.6%；而錳酸鋰的兩個樣品均只捱過兩個周期后直接報廢。因此，在需要長期浮充的領(lǐng)域，磷酸鐵鋰體系表現(xiàn)最佳，三元鋰體系也可應(yīng)用，但容量有所下降，而錳酸鋰體系則完全不可用。綜上所述，在UPS領(lǐng)域，除鐵鋰電池外，三元鋰也有較好的適應(yīng)性，是UPS用鋰離子電池可以選擇的電池體系之一。

[1] 王玲, 高朋召, 李冬云, 黃詩婷, 肖漢寧. 鋰離子電池正極材料的研究進展[J]. 硅酸鹽通報, 2013, 32 (01): 77-84.

[2] 李利. 談UPS 電源的技術(shù)性能及可用性[J]. 電子制作, 2016, 07: 69-70.

[3] 李志華, 唐志雄. 通信用磷酸鐵鋰電池的節(jié)能減排應(yīng)用[J]. 電源世界, 2011, 08: 54-57.