磷酸鐵鋰電池電壓一致性改善研究

張大峰，劉 煒, 劉 麗

(國軒新能源(蘇州)有限公司，江蘇昆山215300)

由于磷酸鐵鋰電池獨(dú)有的安全性優(yōu)勢，受到眾多新能源汽車公司的青睞，新能源汽車的電源系統(tǒng)是由眾多的單體電池并聯(lián)成多個電池組，最后電池組再串并聯(lián)組成大的電池包，該電池包的實(shí)際容量受單節(jié)電池組間電壓一致性影響，若各節(jié)電壓相近，彼此間壓差小，容量得以充分發(fā)揮；若各節(jié)電壓存在較大差異，彼此間壓差大，導(dǎo)致充放電時出現(xiàn)單節(jié)保護(hù)問題，降低了整個電池包的實(shí)際充放電容量，導(dǎo)致續(xù)航里程不足和電性能受影響等問題。

本文從環(huán)境溫度和分容方式兩方面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)來改善磷酸鐵鋰單體電池間電壓一致性，最終確定了環(huán)境溫度及分容后小電流續(xù)放電或充電，對提升單體電池電壓整體一致性有較大幫助，從而確保電池包各節(jié)電池組間壓差一致性。

1 實(shí)驗(yàn)

正極材料：磷酸鐵鋰、石墨稀、PVDF、NMP；負(fù)極材料：石墨、導(dǎo)電劑、SBR、CMC、去離子水；隔膜：陶瓷隔膜；電解液(天津金牛)。

將正負(fù)極材料各自通過合漿機(jī)混合成漿料，正極漿料涂敷在12 μm 厚的鋁箔上，負(fù)極漿料涂敷在6 μm 厚的銅箔上，經(jīng)過涂布烘箱烘干后，分別經(jīng)過輥壓機(jī)輥壓至工藝要求厚度(正極片壓實(shí)密度為2.36 g/cm3，負(fù)極片壓實(shí)密度為1.61 g/cm3)。將輥壓好后的正負(fù)極片經(jīng)過極片分切機(jī)，分切至所需尺寸的正負(fù)極片，將分切好的正負(fù)極片和隔膜通過卷繞機(jī)卷繞成兩頭為全極耳設(shè)計的卷芯，極耳分別位于卷芯兩端，再將卷芯兩端極耳經(jīng)超聲波揉平，兩端焊接蓋板，最后注液封裝，制成鋁殼圓柱電池。

2 結(jié)果與討論

2.1 環(huán)境溫度對電壓一致性的影響

取產(chǎn)線分容后同一容量檔位的合格電池6 只，常溫下0.5 C 恒流恒壓充滿電，然后在5、15、25、35、45、55 ℃下各取1只，靜置4 h 后，以0.3 C 放電至2.0 V。對比容量及放電后電池的電壓，如圖1 和圖2 所示。

由圖1 可知，在一定溫度范圍內(nèi)，放電容量隨溫度升高而遞增，當(dāng)溫度增至25 ℃及以上時，放電容量趨于平穩(wěn)；當(dāng)溫度增至55 ℃時，容量出現(xiàn)輕微減小的趨勢。

圖1 不同溫度下放電容量折線圖

圖2 不同溫度下分容放電后電池電壓柱形圖

由圖2 可知，隨著溫度的增加，分容放電后電池電壓呈現(xiàn)逐步減小并趨于穩(wěn)定的趨勢，以25 ℃為轉(zhuǎn)折點(diǎn)，達(dá)到35 ℃及以上時趨于平穩(wěn)態(tài)。25 ℃與5 ℃的電池壓差相差200 mV 左右，35 ℃及以上與5 ℃的電池壓差相差315～350 mV；但35、45、55 ℃三者電池壓差只有35～50 mV。

導(dǎo)致圖1 和圖2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的原因?yàn)椋?1)溫度偏低時，電池極化較大(如圖3)，電池殘余容量不一，導(dǎo)致電壓不一[1]；(2)磷酸鐵鋰材料低溫下容量發(fā)揮和倍率性能不佳，即低溫性能不佳；(3)溫度過高，損耗了有效鋰含量，不可逆容量增加[2]。

圖3 不同溫度下的放電平臺曲線

綜上，磷酸鐵鋰鋰電池批量生產(chǎn)分容放電時，車間適宜的環(huán)境溫度區(qū)間為25～45 ℃，最好控制在35 ℃附近最佳，因?yàn)榇藴囟认卤ＷC了容量的發(fā)揮且不會造成不可逆容量損失增加，而且分容后電池的反彈電壓趨于平穩(wěn)，一致性好，壓差小。

2.2 分容優(yōu)化方式

2.2.1 小電流續(xù)放電對電壓一致性的影響

取產(chǎn)線分容后電性能合格的電池864 只，在常溫下分成兩組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，第一組0.5 C 恒流恒壓充電至3.65 V，0.05 C截止，0.5 C 恒流放電至2.5 V；第二組0.5 C 恒流恒壓充電至3.65 V，0.05 C 截止，0.5 C 恒流放電至2.5 V，靜置30 min 后，以0.01 C 再次放電至2.5 V。對比兩組電池電壓一致性，如圖4 所示。

圖4 0.5 C與0.01 C放電后的電壓分布

由圖4 可知，0.01 C 再次續(xù)放電后電壓一致性明顯高于0.5 C，說明分容放電后如果再采用更小倍率的電流進(jìn)行續(xù)放電，可將電池各自由于極化而殘留的剩余容量近一步釋放出來(如圖5 所示)，使原本剩余容量不一的電池通過續(xù)放電形式變得一致，從而實(shí)現(xiàn)了電壓分布窗口由寬變窄，電壓一致性得到提高。

圖5 0.01 C續(xù)放電放出的剩余容量分布

2.2.2 小電流補(bǔ)電對電壓一致性的影響

取產(chǎn)線分容后電性能合格的電池200 只，在常溫下分成兩組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，A 組0.5 C 恒流恒壓充電至3.65 V，0.05 C 截止，0.5 C 恒流放電至2.5 V；B 組0.5 C 恒流恒壓充電至3.65 V，0.05 C 截止，0.5 C 恒流放電至2.5 V，靜置30 min 后，以0.05 C 補(bǔ)電至3.1 V。對比兩組電池電壓一致性，如圖6 所示。

圖6 小電流補(bǔ)電至3.1 V后電壓分布對比圖

由圖6 可知，分容放電后以小電流補(bǔ)電至3.1 V 后電壓一致性也明顯優(yōu)于0.5 C 直接放電至2.5 V 的電壓分布，說明分容放電后如果再采用更小倍率的電流進(jìn)行稍許補(bǔ)電，可將電池各自由于極化而殘留的剩余容量不一的電池，通過補(bǔ)電形式將最終的剩余容量補(bǔ)到相同程度，從而實(shí)現(xiàn)了電壓分布窗口由寬變窄，電壓一致性同樣得到提高[3]。

2.3 環(huán)境溫度與分容優(yōu)化方式相結(jié)合

表1 電池包充放電壓差及容量

取公司正常量產(chǎn)的同一批電池分成兩組。方案1：不控制分容區(qū)溫度，分容時0.5 C 恒流恒壓充電至3.65 V，0.05 C截止，0.5 C 恒流放電至2.5 V，將電性能合格的電池經(jīng)Pack 串并聯(lián)成最終的成品大電池包。方案2：將分容區(qū)溫度控制在30～40 ℃，分容時0.5 C 恒流恒壓充電至3.65 V，0.05 C 截止，0.5 C 恒流放電至2.5 V，靜置30 min 后，以0.01 C 再次放電至2.5 V，將電性能合格的電池經(jīng)Pack 串并聯(lián)成最終的成品大電池包。對比兩個方案電池包電性能測試時的充電壓差、放電壓差及各串電壓，見表1、圖7 和圖8。

方案1 和方案2 的電池包放電容量分別為52 041 和53 134 mAh。結(jié)合表1 可知，電芯分容階段控制環(huán)境溫度在30～40 ℃，結(jié)合0.01 C 更小倍率電流續(xù)放電，對單體電芯間電壓一致性有顯著提升，其在Pack 串并聯(lián)組包后，整個電池包各串充放電電壓明顯降低，最終放電容量顯著提升；其中充電壓差由444 mV 降至90 mV，降低約80%，放電電壓由549 mV 降至161 mV，降約71%，而最終的放電容量提升約1 100 mAh 即2%左右。

圖7 電池包充電時各串單節(jié)電壓值

圖8 電池包放電時各串單節(jié)電壓值

由圖7 和圖8 可知，電芯分容階段控制環(huán)境溫度在30～40 ℃，結(jié)合0.01 C 更小倍率電流續(xù)放電，各串電壓一致性較好，曲線呈現(xiàn)平穩(wěn)狀態(tài)；相反，方案1 各串電壓彼此相差較大，其曲線呈現(xiàn)上下波動狀態(tài)。

3 結(jié)論

(1)磷酸鐵鋰電池化成分容時，環(huán)境溫度控制在25～45 ℃為宜，以35 ℃附近最佳，此溫度下保證了容量的發(fā)揮且不會造成不可逆容量損失增加，而且分容后電池的反彈電壓趨于平穩(wěn)，電壓一致性好，壓差小。

(2)磷酸鐵鋰電池分容放電后，采用更小倍率電流(如0.01 C)續(xù)放電或更小倍率電流(如0.03 C)微補(bǔ)電的分容優(yōu)化方式，縮窄了單體電芯電壓分布窗口寬度，電壓一致性顯著提升，同時也降低了電性能合格類電芯之間的壓差。

(3)在磷酸鐵鋰電池實(shí)際生產(chǎn)過程中，若將分容區(qū)溫度控制在30～40 ℃，同時再與小倍率電流續(xù)放電或微補(bǔ)電的分容優(yōu)化方式相結(jié)合，分容后得到的電性能合格的電芯，其電壓一致性和容量更有保障，經(jīng)Pack 串并聯(lián)組成的電池包，各串之間充電壓差降低約80%，放電壓差降低71%左右，容量提升2%以上。