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磷酸鐵鋰動力電池組

文章來源:深圳蒲迅鋰電池生產廠家

磷酸鐵鋰動力電池組:

磷酸鐵鋰動力電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。 鋰離子電池的正極材料主要有鈷酸鋰、錳酸鋰、鎳酸鋰、三元鋰電池材料、磷酸鐵鋰等。其中鈷酸鋰是目前絕大多數鋰離子電池使用的正極材料。

磷酸鐵鋰動力電池組

磷酸鐵鋰動力電池組原理:

磷酸鐵鋰電池的全名是磷酸鐵鋰鋰離子電池,這名字太長,簡稱為磷酸鐵鋰電池。由于它的性能特別適于作動力方面的應用,則在名稱中加入“動力”兩字,即磷酸鐵鋰動力電池組。也有人把它稱為“鋰鐵(LiFe)動力電池”。

金屬交易市場,鈷(Co)最貴,并且存儲量不多,鎳(Ni)、錳(Mn)較便宜,而鐵(Fe)最便宜。正極材料的價格也與這些金屬的價格行情一致。因此,采用LiFePO4正極材料做成的鋰離子電池應是最便宜的。它的另一個特點是對環境無污染。

作為充電電池的要求是:容量高、輸出電壓高、良好的充放電循環性能、輸出電壓穩定、能大電流充放電、電化學穩定性能、使用中安全(不會因過充電、過放電及短路等操作不當而引起燃燒或爆炸)、工作溫度范圍寬、無毒或少毒、對環境無污染。采用LiFePO4作正極的磷酸鐵鋰動力電池組在這些性能要求上都不錯,特別在大放電率放電(5~10C放電)、放電電壓平穩上、安全上(不燃燒、不爆炸)、壽命上(循環次數)、對環境無污染上,它是最好的,是目前最好的大電流輸出動力電池。

 

磷酸鐵鋰動力電池組結構與工作原理:

LiFePO4電池的內部結構如圖1所示。左邊是橄欖石結構的.LiFePO4作為電池的正極,由鋁箔與電池正極連接,中間是聚合物的隔膜,它把正極與負極隔開,但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過,右邊是由碳(石墨)組成的電池負極,由銅箔與電池的負極連接。電池的上下端之間是電池的電解質,電池由金屬外殼密閉封裝。

LiFePO4電池在充電時,正極中的鋰離子Li+通過聚合物隔膜向負極遷移;在放電過程中,負極中的鋰離子Li+通過隔膜向正極遷移。鋰離子電池就是因鋰離子在充放電時來回遷移而命名的。

 

磷酸鐵鋰動力電池組主要性能:

磷酸鐵鋰動力電池的標稱電壓是3.2V、終止充電電壓是3.6V、終止放電壓是2.0V。由于各個生產廠家采用的正、負極材料、電解質材料的質量及工藝不同,其性能上會有些差異。例如同一種型號(同一種封裝的標準電池),其電池的容量有較大差別(10%~20%)。

磷酸鐵鋰動力電池組主要性能如下:為了與其他可充電電池的相比較,也在表中列出其他種類可充電電池性能。這里要說明的是,不同工廠生產的磷酸鐵鋰動力電池組在各項性能參數上會有一些差別;另外,有一些電池性能未列入,如電池內阻、自放電率、充放電溫度等。

 

磷酸鐵鋰動力電池主要性能參數
磷酸鐵鋰動力電池組的容量有較大差別,可以分成三類:小型的零點幾到幾毫安時、中型的幾十毫安時、大型的幾百毫安時。不同類型電池的同類參數也有一些差異。這里再介紹一種目前應用較廣的小型標準圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動力電池的參數。其外廓尺寸:直徑為18mm、高650mm(型號為18650)。

 

小型標準圓柱形封裝的磷酸鐵鋰動力電池組的參數

過放電到零電壓試驗采用STL18650(1100mAh)的磷酸鐵鋰動力電池組做過放電到零電壓試驗。試驗條件:用0.5C充電率將1100mAh的STL18650電池充滿,然后用1.0C放電率放電到電池電壓為0C。再將放到0V的電池分兩組:一組存放7天,另一組存放30天;存放到期后再用0.5C充電率充滿,然后用1.0C放電。最后比較兩種零電壓存放期不同的差別。

試驗的結果是,零電壓存放7天后電池無泄漏,性能良好,容量為100%;存放30天后,無泄漏、性能良好,容量為98%;存放30天后的電池再做3次充放電循環,容量又恢復到100%。
這試驗說明該電池 即使出現過放電(甚至到0V),并存放一定時間,電池也不泄漏、損壞。這是其他種類鋰離子電池不具有的特性。

磷酸鐵鋰動力電池組

磷酸鐵鋰動力電池組七個優勢:

安全性能的改善:磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩固,難以分解,即便在高溫或過充時也不會像鈷酸鋰一樣結構崩塌發熱或是形成強氧化性物質,因此擁有良好的安全性。有報告指出,實際操作中針刺或短路實驗中發現有小部分樣品出現燃燒現象,但未出現一例爆炸事件,而過充實驗中使用大大超出自身放電電壓數倍的高電壓充電,發現依然有爆炸現象。雖然如此,其過充安全性較之普通液態電解液鈷酸鋰電池,已大有改善。

壽命的改善:磷酸鐵鋰電池是指用磷酸鐵鋰作為正極材料的鋰離子電池。長壽命鉛酸電池的循環壽命在300次左右,最高也就500次,而磷酸鐵鋰動力電池組,循環壽命達到2000次以上,標準充電(5小時率)使用,可達到2000次。同質量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護維護又半年”,最多也就1~1.5年時間,而磷酸鐵鋰動力電池組在同樣條件下使用,理論壽命將達到7~8年。綜合考慮,性能價格比理論上為鉛酸電池的4倍以上。大電流放電可大電流2C快速充放電,在專用充電器下,1.5C充電40分鐘內即可使電池充滿,起動電流可達2C,而鉛酸電池無此性能。

高溫性能好:磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。工作溫度范圍寬廣(-20C--+75C),有耐高溫特性磷酸鐵鋰電熱峰值可達350℃-500℃而錳酸鋰和鈷酸鋰只在200℃左右。

大容量:具有比普通電池(鉛酸等)更大的容量。5AH-1000AH(單體)

無記憶效應:可充電池在經常處于充滿不放完的條件下工作,容量會迅速低于額定容量值,這種現象叫做記憶效應。像鎳氫、鎳鎘電池存在記憶性,而磷酸鐵鋰電池無此現象,電池無論處于什么狀態,可隨充隨用,無須先放完再充電。

重量輕:同等規格容量的磷酸鐵鋰動力電池組的體積是鉛酸電池體積的2/3,重量是鉛酸電池的1/3。

環保:磷酸鐵鋰動力電池一般被認為是不含任何重金屬與稀有金屬(鎳氫電池需稀有金屬),無毒(SGS認證通過),無污染,符合歐洲RoHS規定,為絕對的綠色環保電池證。所以鋰電池之所以被業界看好,主要是環保考量,因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國家高科技發展計劃,成為國家重點支持和鼓勵發展的項目。隨著中國加入WTO,中國電動自行車的出口量將迅速增大,而進入歐美的電動自行車已要求配備無污染電池。

但有專家表示,鉛酸電池造成的環境污染,主要發生在企業不規范的生產過程和回收處理環節。同理,鋰電池屬于新能源行業不錯,但它也不能避免重金屬污染的問題。金屬材料加工中有鉛、砷、鎘、汞、鉻等都有可能會釋放到灰塵和水中。電池本身就是一種化學物質,所以有可能會產生兩種污染:一是生產工程中的工藝排泄物污染;二是報廢以后的電池污染。

磷酸鐵鋰電池也有其缺點:例如低溫性能差,正極材料振實密度小,等容量的磷酸鐵鋰動力電池組的體積要大于鈷酸鋰等鋰離子電池,因此在微型電池方面不具有優勢。而用于動力電池時,磷酸鐵鋰電池和其他電池一樣,需要面對電池一致性問題。

 

磷酸鐵鋰動力電池組的對比
目前最有希望應用于動力型鋰離子電池的正極材料主要有改性錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)和鎳鈷錳酸鋰(Li(Ni,Co,Mn)O2)三元材料。鎳鈷錳酸鋰三元材料由于鈷的資源缺乏與鎳、鈷成高和價格波動大等原因,普遍認為很難成為電動汽車用動力型鋰離子電池的主流,但可以與尖晶石錳酸鋰在一定范圍內混合使用。

磷酸鐵鋰動力電池組

磷酸鐵鋰動力電池組應用:

由于磷酸鐵鋰動力電池組具有上述特點,并且生產出各種不同容量的電池,很快得到廣泛地應用。它主要應用領域有:

1、大型電動車輛:公交車、電動汽車、景點游覽車及混合動力車等;

2、輕型電動車:電動自行車、高爾夫球車、小型平板電瓶車、鏟車、清潔車、電動輪椅等;

3、電動工具:電鉆、電鋸、割草機等;

4、遙控汽車、船、飛機等玩具;

5、太陽能及風力發電的儲能設備;

6、UPS及應急燈、警示燈及礦燈(安全性最好);

7、替代照相機中3V的一次性鋰電池及9V的鎳鎘或鎳氫可充電電池(尺寸完全相同);

8、小型醫療儀器設備及便攜式儀器等。

磷酸鐵鋰動力電池組替代鉛酸電池的應用實例。采用36V/10Ah(360Wh)的鉛酸電池,其重量12kg,充一次電可行走約50km,充電次數約100次,使用時間約1年。若采用磷酸鐵鋰動力電池組,采用同樣的360Wh能量(12個10Ah電池串聯組成),其重量約4kg,充電一次可行走80km左右,充電次數可達1000次,使用壽命可達3~5年。雖然說磷酸鐵鋰動力電池組的價格較鉛酸電池高得多,但總的經濟效果還是采用磷酸鐵鋰動力電池組更好,并且在使用上更輕便。

磷酸鐵鋰動力電池組性能:

鋰離子動力電池的性能主要取決于正負極材料,磷酸鐵鋰作為鋰電池材料是近幾年才出現的事,國內開發出大容量磷酸鐵鋰電池是2005年7月。其安全性能與循環壽命是其它材料所無法相比的,這些也正是動力電池最重要的技術指標。1C充放循環壽命達2000次。單節電池過充電壓30V不燃燒,穿刺不爆炸。磷酸鐵鋰正極材料做出大容量鋰離子電池更易串聯使用。以滿足電動車頻繁充放電的需要。具有無毒、無污染、安全性能好、原材料來源廣泛、價格便宜,壽命長等優點,是新一代鋰離子電池的理想正極材料。

通信用磷酸鐵鋰動力電池組的主要技術要求:
(1)工作溫度范圍
電池組在下列環境溫度條件下使用:
——充電環境溫度:−10℃~55℃;
——放電環境溫度:−20℃~60℃。
(2)電氣性能
電池模塊內電芯性能一致性。
電池模塊內各電芯應為同一廠家生產、結構相同、化學成分相同的產品,且符合下列要求:
1)電池模塊內各電芯之間的靜態開路電壓最大值與最小值的差值應不大于0.05V;
2)電池模塊內各電芯之間的靜態內阻最大值與最小值的差值應符合:10mW以下的,偏差絕對值不超過0.5mW,10mW以上的不超過平均值的5%;
3)電池模塊內各電芯之間容量最大值與最小值的差值應不超過平均值的±1%。
(3)容量保存率
電池組容量應不低于額定值的95%。
(4)循環壽命
電池組的循環壽命應為800次~2000次。
(5)高溫加速老化壽命
電池組按規定進行充電后放電,其外觀應無明顯變形、銹蝕、冒煙或爆炸,其測試循環次數應不少于52次。
(6)電磁兼容性
1)靜電放電抗擾性。電池組應滿足GB/T17626.2-2006等級4的要求;試驗后,其外觀應無明顯變形、漏液、冒煙或爆炸,并能正常工作。
2)傳導騷擾限值。電池組應滿足YD/T983-1998等級B的要求;試驗后,其外觀應無明顯變形、漏液、冒煙或爆炸,并能正常工作。
3)輻射騷擾限值。電池組應滿足YD/T983-1998等級B的要求;試驗后,其外觀應無明顯變形、漏液、冒煙或爆炸,并能正常工作。
4)浪涌(沖擊)抗擾性。電池組應滿足GB/T17626.5-2008等級4的要求;試驗后,其外觀應無明顯變形、漏液、冒煙或爆炸,并能正常工作。
(7)電池管理功能
1)顯示精度。電池組配有專用電池管理系統(BMS),BMS顯示的各種參數值與電池組實際的參數值之間的誤差應符合表1的要求。
表1 顯示精度
參數名稱
技術要求
電壓
電池組按規定進行試驗,充電電壓顯示精度應優于1%
電流
電池組按規定進行試驗,充放電電流顯示精度應優于2.5%
容量
電池組按規定進行試驗,電池組容量顯示精度應優于5%
電池組工作環境溫度
電池組按規定進行試驗,溫度顯示誤差應小于3℃
2)溫度補償功能。電池組充電應具有溫度補償功能。
(8)監控功能
1)通信接口。電池組宜具有RS232或RS485/422、IP、USB等標準通信接口,通信協議參見YD/T1363.3中的蓄電池檢測裝置通信協議,應提供與通信接口配套使用的通訊線纜和各種告警信號輸出端子。
2)監控內容。電池組應具有以下實時監控功能。
遙測:電池組容量(SOC)、電池組/電芯電壓、電池組/電芯電流、環境/電池組/PCBA板(可選)/電芯溫度(可選)、電池組充電/放電電流、電池組內阻(可選)、電池組健康狀態SOH(可選)等。
遙信:電池組的充電/放電狀態、電池組過充/過流告警、電池組放電欠壓/過流告警、電芯充電過壓告警、電芯放電欠壓告警、電池組極性反接告警、環境/電池組/PCBA/電芯高溫告警、環境低溫告警、電池組容量過低告警、電池組溫度/電壓/電流傳感器失效告警、電芯失效告警(可選)、電池組失效告警(可選)。
遙控:充電/放電(可選),告警聲音開關。
遙調(可選):電池組的充電/放電管理參數等。
(9)保護與告警功能
1)過充電保護。電池組處于過充電狀態時,應切斷充電電路并告警,電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸。
2)過放電保護。電池組放電至終止電壓后,應切斷放電電路并告警,電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸。
3)短路保護。電池組輸出端發生短路,應瞬間切斷電路并告警,電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸;故障排除后,應能手動或自動恢復工作;瞬時充電后,電池組電壓應不小于標稱電壓。
4)反接保護。電池組規定進行試驗,應切斷電路并告警,電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸;故障排除后,應能自動恢復工作;瞬時充電后,電池組電壓應不小于標稱電壓。
5)過載保護。電池組放電電流達到過載保護電流值時,應切斷電路并告警,電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸;故障排除后,應能自動恢復工作;瞬時充電后,電池組電壓應不小于標稱電壓。
6)溫度保護。當溫度達到表2中保護點范圍時,電池組應切斷電路并告警;除電池組內部BMS元器件高溫保護外,溫度達到表2中恢復點范圍時,電池組應自動恢復工作;電池組應不漏液、冒煙、起火或爆炸。
表2 溫度保護
項目
保護點
恢復點
環境高溫禁止充電保護
60℃±2℃
35℃±2℃
環境高溫禁止放電保護
70℃±2℃
55℃±2℃
環境低溫禁止放電保護
−30℃±2℃
−15℃±2℃
環境低溫禁止充電保護
−15℃±2℃
−10℃±2℃
(10)安全性能分類
1)抗重物沖擊。電池組按規定進行試驗,應不起火、不爆炸。
2)抗熱沖擊。電池組按規定進行試驗,應不起火、不爆炸。
3)抗過充電。電池模塊按規定進行試驗,應不起火、不爆炸。
4)抗過放電。電池模塊按規定進行試驗,應不起火、不爆炸。
5)抗短路。電池模塊按規定進行試驗,應不起火、不爆炸。
6)高溫儲存。電芯按規定進行試驗,應不漏液、冒煙、起火或爆炸。
7)抗加熱。電池模塊按規定進行試驗,爆炸電池沒有任何部分穿透網屏,沒有部分或全部電池突出網屏。
8)抗穿刺。電池組按規定進行試驗,應不起火、不爆炸。
9)抗擠壓。電池模塊按規定進行試驗,應不起火、不爆炸。
10)抗低壓。電池組按規定進行試驗,應不漏液、冒煙、起火或爆炸。
11)恒定濕熱。電池組按規定進行試驗后,其外觀應無明顯變形、銹蝕、冒煙或爆炸,其容量應不低于額定值的90%。
12)抗振動。電池組按規定進行試驗,其外觀應無明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸,并能正常工作。
13)抗碰撞。電池組按規定進行試驗,其外觀應無明顯損傷、漏液、冒煙或爆炸,并能正常工作。
(11)溫度循環。電池組按6.6.15規定進行試驗,其應不漏液、冒煙、起火或爆炸;電池組外觀無破裂,無質量損失,容量不低于初始狀態時的70%。
(12)阻燃性能。對于塑料外殼和保護蓋的電池組,按照6.6.16規定進行測試,外殼應符合GB/T2408-2008中第8.3.2條FH-1(水平級)和第9.3.2條FV-0(垂直級)的要求。

(13)絕緣電阻。對于金屬外殼的電池組,電池組正負極接口分別對電池組金屬外殼的絕緣電阻不小于2MW。

通信用磷酸鐵鋰電池組


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