淺談磷酸鐵鋰電池及其新能源汽車啟動電源的性能

文/張秦怡

近年來，隨著溫室效應的持續(xù)加劇，各國越來越重視對清潔環(huán)保能源的開發(fā)和利用。與此同時，為進一步降低能源損耗給人類生存帶來的不利影響，傳統(tǒng)汽車產業(yè)也逐步拋棄了傳統(tǒng)的生產研究方向，轉而向新能源汽車技術進軍，并朝著新能源汽車理念靠攏。而為了確保新能源汽車能夠獲得更充足的動力支持，對新能源汽車的電能供應展開深入研究也成為有效提高新能源汽車整體性能的關鍵舉措?；诖耍疚闹饕Y合新能源汽車的安全行駛需求，探討了磷酸鐵鋰電池及其新能源汽車啟動電源的性能等內容。

現(xiàn)階段，磷酸鐵鋰電池研究獲得了我國政府的大力支持，由此推動了我國在新能源領域的進一步發(fā)展，并且打破了以往三元電池占據主導地位的市場格局。2021年9月24日，中國化學與物理電源行業(yè)協(xié)會發(fā)布《關于制定<鋰離子電池12V車載低壓電源系統(tǒng)>協(xié)會團體標準的征求意見函》。該意見函提到，隨著汽車電動化、智能化的縱深發(fā)展，種類繁多的傳感器、芯片的加入，12V鉛酸車載電源已不再適用于未來的電動化、智能化汽車。鋰離子電池最有望成為啟動電池領域替代鉛酸電池的設備。此外，新能源汽車與新能源電池技術的發(fā)展有效減少了汽車尾氣排放，降低了溫室效應和環(huán)境污染的影響。而隨著相關研究的不斷深入，磷酸鐵鋰電池技術現(xiàn)已趨近成熟，又因具備安全可靠、綠色環(huán)保、高能量密度和長循環(huán)壽命等優(yōu)點，其在汽車領域得到了廣泛應用。

一、磷酸鐵鋰電池概述

（一）磷酸鐵鋰電池的定義

磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料、碳作為負極材料的鋰離子電池，其單體額定電壓為3.2V，充電截止電壓為3.65V。磷酸鐵鋰電池具有工作電壓高、能量密度大、循環(huán)壽命長、安全環(huán)保、自放電率小、無記憶效應的優(yōu)點。由于磷酸鐵鋰電池運行狀況穩(wěn)定、循環(huán)壽命較長、生產制造簡單且工藝相對成熟，所以其已經成為新能源汽車最理想的啟動電池之一。隨著社會的不斷發(fā)展，越來越多的國家和企業(yè)開始認識到磷酸鐵鋰電池的巨大開發(fā)價值，并斥巨資投入磷酸鐵鋰材料及其電池的研發(fā)工作。目前，全國布局磷酸鐵鋰材料生產的企業(yè)共有20多家，總產能高達55.4萬噸/年。其中，排名前五的企業(yè)分別是德方納米、湖南裕能、重慶特瑞、貝特瑞和國軒高科。與此同時，截至2022年6月，我國動力電池產能共計41.3GWh，同比增長了171.7%。其中，磷酸鐵鋰電池的產能共計22.9GWh，占總產量的55.4%。由此可見，針對磷酸鐵鋰電池的研究前景廣闊。

（二）磷酸鐵鋰電池的特點

1.能量密度高

從研發(fā)到進入商業(yè)生產領域，磷酸鐵鋰電池歷經幾代產品更迭，如今，其性能研發(fā)和生產制造已趨近成熟。磷酸鐵鋰電池屬于能量密度較高的電池，相關研究人員曾指出，經過現(xiàn)代先進技術的處理和加工，磷酸鐵鋰電池的容量有望達到175—180Wh/kg。

2.安全性好

通 常，LiFePO4材 料 的 充放電過程主要通過LiFePO4及FePO4間的相互轉變來完成，由于轉變期間LiFePO4材料的體積變化率較小且極其穩(wěn)定，所以磷酸鐵鋰材料及電池的安全性和穩(wěn)定性相對較強，這也是其能夠廣泛應用于新能源汽車的主要原因。另外，磷酸鐵鋰電池即便被外部物體刺穿也只會引發(fā)燃燒現(xiàn)象，并不會像三元電池那般出現(xiàn)爆炸等問題。因此，這種電池不會對駕駛員構成直接威脅。

3.使用壽命較長

研究表明，磷酸鐵鋰電池無記憶效應，循環(huán)次數(shù)多且支持循環(huán)使用。據統(tǒng)計，能量型磷酸鐵鋰電池的循環(huán)壽命長達3000～4000次，倍率型磷酸鐵鋰電池的循環(huán)甚至可以達到上萬次。與三元電池相比較，磷酸鐵鋰電池的性能更穩(wěn)定、充電時長更短、使用壽命更長，而在電池循環(huán)次數(shù)方面，三元電池的循環(huán)充電次數(shù)僅為1000次，甚至不足前者的三分之一。除此之外，即便是當前我國汽車行業(yè)使用最多的鉛酸電池，其使用年限也僅為兩年左右。而在相同的充電與運營環(huán)境下，磷酸鐵鋰電池的使用壽命可以延長至七到八年，進而大幅降低車主的使用成本。

4.綠色環(huán)保

磷酸鐵鋰為橄欖石結構，且不含重金屬成分，稀有金屬成分也相對較少，這無疑賦予了磷酸鐵鋰電池更高的安全性。因此，磷酸鐵鋰電池理所當然地成為新能源汽車的理想綠色動力來源。據統(tǒng)計，2022年1～6月，我國動力電池累計裝車量為110.1GWh。其中，磷酸鐵鋰電池的累計裝車量為64.4GWh，占總裝車量的58.5%。從市場占有率來看，我國磷酸鐵鋰電池行業(yè)呈現(xiàn)高度集中的發(fā)展態(tài)勢。而隨著全行業(yè)逐步進入市場化發(fā)展階段，未來磷酸鐵鋰電池的生產技術、綠色環(huán)保等性能也將更上一層樓。

二、磷酸鐵鋰電池的新能源汽車電源性能

當前，在全球范圍內，我國新能源汽車的研發(fā)與生產能力均居于世界領先行列，且具備較強的市場競爭力。而在綠色環(huán)保理念的支持下，將磷酸鐵鋰電池作為新能源汽車的動力電池已經成為必然趨勢。未來，磷酸鐵鋰電池將在解決汽車運行安全問題、克服傳統(tǒng)電池行駛里程較短難題、彌補造價過高與充電速率過慢等不足方面，發(fā)揮出更大的作用。

（一）充放電循環(huán)檢測

①為測試磷酸鐵鋰電池的實際充放電循環(huán)次數(shù)，本文主要采用HEW型電池作為充放電循環(huán)性能測試系統(tǒng)，同時假設電池容量為8AH，充電電流達到1C時為充滿電狀態(tài)。

②本次循環(huán)放電測試在450A的充電環(huán)境下進行。首先，測試在5.62C的倍率條件下放電5秒，然后中斷約10分鐘，隨后在450A的電流下持續(xù)循環(huán)放電，直至電池內的電量全部耗盡。

③在相同條件下對電池進行充滿電-放電測試，并重復充放電步驟。為進一步提高循環(huán)充電測試結果的準確性，此次充電測試將重復約100次。

④測試結果證明，當磷酸鐵鋰電池的循環(huán)充電次數(shù)達600次時，電池的容量仍保持在85%以上；繼續(xù)循環(huán)充電200次后，電池的容量仍保持在95%以上。這說明在一定范圍內，磷酸鐵鋰電池的循環(huán)次數(shù)越多，電池容量就越大，循環(huán)能力就越強，性能也就越穩(wěn)定。此外，當磷酸鐵鋰電池的充放電次數(shù)達到500次后，雖然電池的性能有所下降，但其依舊能夠穩(wěn)定地提供電力支持，且電壓值不變。

（二）不同溫度環(huán)境下啟動性能測試

該測試主要針對磷酸鐵鋰電池在不同溫度環(huán)境下的運行狀態(tài)，研究目的在于尋求進一步提高新能源汽車適應能力的可能性。同時，基于環(huán)境溫度會影響電動汽車續(xù)航里程這一規(guī)律，鋰電池在0℃時容量通常保持在60%～70%；在-10℃時容量通常保持在40%～55%；在-20℃時容量通常保持在20%～40%。

基于此，本次測試的現(xiàn)場溫度設定在25℃，且每隔30分鐘上升5℃，測試時間設定為24小時。此外，為確保測試結果的準確性，每次測試時，樣本磷酸鐵鋰電池的電量都保持在滿格狀態(tài)。經測試，在低溫環(huán)境、高溫環(huán)境下，磷酸鐵鋰電池電池容量基本不變，續(xù)航能力較強。

（三）恒流恒壓充電測試

當前，新能源汽車對動力電池仍保持著較高要求，尤其是在電壓穩(wěn)定狀態(tài)方面。因此，為確保磷酸鐵鋰電池能夠穩(wěn)定提供電力支持，生產廠家必須將電池的電壓變化幅度控制在1%左右。與此同時，如果磷酸鐵鋰電池能夠一直處于恒流狀態(tài)，那么其充電速率將始終控制在0.2C，且不會因外部因素的影響而發(fā)生改變。因此，本次測試通過快速增加充電電量，使得樣本磷酸鐵鋰電池持續(xù)處于3.65V的穩(wěn)定壓力狀態(tài)。在測試過程中，樣本磷酸鐵鋰電池的充電速率并沒有因為充電方式的改變而出現(xiàn)充電速率下降的情況。在完成階段性充電后，本測試先將電池靜止存放約5分鐘后，再次以0.2C的速度進行放電.此時，樣本磷酸鐵鋰電池出現(xiàn)了不斷增壓的情況，且當電壓增加到3.65V時，再次轉入恒壓充電狀態(tài)；隨后充入電流不斷降低，并在電流大小降至0.2A停止變化，直至完成充電。

三、結語

綜上所述，磷酸鐵鋰電池具有穩(wěn)定續(xù)航、安全環(huán)保等優(yōu)勢，因而在新能源汽車領域具有較大的發(fā)展前景。而為了驗證磷酸鐵鋰電池作為新能源汽車電源的實際性能，本文就磷酸鐵鋰電池的充放電循環(huán)次數(shù)、不同溫度環(huán)境下的啟動性能及恒流恒壓充電進行了測試。測試結果表明，磷酸鐵鋰電池具備良好的充放電性能，即便在高溫、低溫環(huán)境下，也能保持良好的續(xù)航能力和穩(wěn)定的充電狀態(tài)。由此可見，將磷酸鐵鋰電池作為新能源汽車的動力電池是理想的選擇，同時此舉還能順應雙碳減排政策，進一步提高我國新能源汽車行業(yè)的市場競爭力。