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磷酸铁锂电池特性

发布者:【浩博电池资讯】   发布时间:2023-12-23 15:12:57   点击量:3

磷酸铁锂电池特性

1 背景

磷酸铁锂电池具有安全性好、比能量和比功率高、循环寿命长等特点,在后备电源、大型储能及电动汽车中应用广泛。本文以电动汽车退运电池为研究对象,通过性能测试实验获取数据,然后归纳总结该电池特性,从而获得该类电池较全面的性能评价,作为对该电池梯次利用于大型储能系统的数据支持。

2 组成、结构与工作原理

磷酸铁锂电池一般由正极、负极、隔膜、电解液、外壳及其他附属配件组成。正极活性材料为橄榄石型的磷酸亚铁锂(LiFePO4),多经过包覆碳、掺杂等改性才能使用。负极活性材料为天然石墨、人造石墨等石墨类材料,以及硬碳、软碳等碳材料,也需要适当处理才能使用。隔膜为聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)中的一种或两种材料,常以单层或多层复合成膜使用,也有在膜表面增加无机陶瓷膜增强处理的方式,在一定程度上提高电池安全性。电解液是以链状或环状碳酸酯为溶剂的锂盐溶液,其中还添加了特殊添加剂。外壳是容纳电池其他组成部分的容器,多为高强度、耐腐蚀的不锈钢、铝合金、特种塑料等材质,也有用铝塑复合膜作为外壳的电池,实际使用时还需要增加高强度外壳加以保护。此外,电池中还有增加正负极导电性的导电剂,固定活性材料的粘结剂,起到支撑粉体材料和收集电流的集流体铜箔、铝箔,连接电池内外及导电的连接片、极耳、极柱等附属配件。

从外形上分类,磷酸铁锂电池有圆柱型、棱柱型、方形、不规则形状等类型,是根据使用要求差异而出现的。一种典型的LiFePO4电池的内部结构如图1所示。左边是橄榄石结构的LiFePO4作为电池的正极,由铝箔与电池正极柱连接,中间是聚合物隔膜,它把正极与负极隔开,但锂离子Li+可以通过而电子e-不能通过,右边是电池负极,由铜箔与电池的负极柱连接。电池的上下端之间是电池的电解质,电池由金属外壳密闭封装。

图1 LiFePO4电池内部结构示意图

LiFePO4电池在充电时,正极中的锂离子Li+通过聚合物隔膜向负极迁移;在放电过程中,负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

磷酸铁锂电池充放电时,发生的化学反应是可逆的,总反应如下:

放电FePO4+LiC6→C6+LiFePO4

充电C6+LiFePO4→FePO4+LiC6

磷酸铁锂材料中的结构变化示意图如图2所示,充电时材料中的锂离子逐步脱嵌,放电时锂离子嵌入骨架结构,充放电前后材料骨架结构变化很小。

图2 LiFePO4材料充放电过程中微观结构变化示意图

3 特性曲线

磷酸铁锂-石墨体系电池电压平台一般为3.15V~3.45V,研究磷酸铁锂电池一般从充放电曲线、倍率特性、温度特性、开路电压特性、循环特性等不同角度来考虑,以下是相关的特性曲线。

3.1充放电曲线

从电池标准充放电曲线可以了解电池最基本的输入/输出电压、电量等特性,可以初步判断电池能否满足负载的需求。

根据该电池产品规格书说明,该电池额定容量为60Ah,标称电压为3.2V,最大充电电流为1C,最大放电电流为2C,充放电电压范围为2.5V~3.65V,工作温度范围为-20~55。因此以1/3C电流对电池进行室温下的标准充放电,所得充放电曲线如图3所示。

图3 电池标准充放电曲线

从图3可知电池1/3C电流下所得电池充电容量为54Ah,放电容量为53.3Ah,充放电库伦效率为98.70%,充电电压平台为3.35V~3.45V,放电电压平台为3.26 V~3.16V。

3.2倍率特性

电池的倍率特性是指不同输入/输出电流下电池的电压、电量变化特征,主要用于判断电池能否满足负载功率需求,是首先要考察的电池特性。

将电池分别以0.15C、0.3C、0.4C、0. 5C、0.8C、1.0C不同倍率进行充电,所得充电曲线如图4所示。图4中随着充电倍率增大,电池充电电压平台逐步升高,说明电池内阻导致了充电电压出现极化。

图4 电池倍率充电曲线

不同倍率电池充电容量数据见表1,只有充电倍率达到1.0C容量略有下降,其他倍率下电池充电容量差别不明显,充电至3.65V前的恒流充电阶段充电容量高,与图4曲线特性一致。

表1 电池倍率充电数据

充电倍率

0.15C

0.3C

0.4C

0.5C

0.8C

1.0C

总容量(Ah)

53.8

54

55.5

55.8

54.2

52.8

充电至3.65V容量(Ah)

53.5

53.3

55.5

55.4

53.5

51.8

恒流充电效率(以0.3C为基准,%)

100.38

100.00

104.13

103.94

100.38

97.19

电池分别以0.15C、0.3C、0.4C、0. 5C、0.8C、1.0C不同倍率进行放电,所得放电曲线如图5所示。电池放电平台随放电倍率增大依次下降,与充电曲线趋势相反,也说明了电池内阻造成的电压极化特性。

图5 电池倍率放电曲线

不同倍率电池充电容量数据见表2,放电容量遵循随着放电倍率增大逐渐减小的趋势,放电效率保持在100%左右。其中0.15C、0.3C容量较低,可能因测量系统误差和磷酸铁锂电池特性引起。

表2 电池倍率放电数据

放电倍率

0.15C

0.3C

0.4C

0.5C

0.8C

1.0C

容量(Ah)

54.1

53.3

55.9

55.4

54.3

51.9

放电效率(以0.3C为基准,%)

101.50

100.00

104.88

103.94

103.88

97.37

综合倍率充放电数据,说明该电池在低于1.0C倍率的电流下,输入/输出能量较高,输入/输出功率稳定。

3.3温度特性

考查电池的温度特性是为了判定电池输入/输出是否满足不同工作环境下负载能量需求,也是评测电池特性必不可少的组成部分。

根据常见储能环境,选取15℃、25℃、35℃和45℃四个温度点考察电池温度特性,充放电电流按照0.5C进行测试,其他遵循标准充放电条件。四种温度下的充电曲线见图6,充电数据见表3。

图6不同温度下电池充电曲线

从图6可以看出,充电环境温度升高,充电电压平台下降,说明电池极化减小。表3的充电数据表明,电池在15℃至45℃温度范围内充电容量差别较小,充电效率较高。

表3 不同温度下电池充电数据

温度

15℃

25℃

35℃

45℃

充电容量(Ah)

54.4

55.5

55.6

55.5

充电效率(以25℃为基准,%)

98.02

100.0

100.18

100.0

四个温度环境下电池的放电特性见图7,放电数据见表4。

图7不同温度下电池放电曲线

从图7可以看出,环境温度升高,放电电压平台上升,说明电池极化减小。表4的放电数据说明,电池在15℃至45℃温度范围内放电容量差别较小,容量保持率较高。

表4 不同温度下电池放电数据

温度

15℃

25℃

35℃

45℃

放电容量(Ah)

54.4

55.4

55.4

55.4

容量保持率(以25℃为基准,%)

98.19

100.00

100.00

100.00

综合以上数据可得,环境温度能影响电池输入/输出能量,升高温度并不能显著增强电池能量输入/输出能力。

3.4开路电压特性

电池开路电压与电池电动势强相关,因此与电池荷电状态(State of Charge,SOC)有密切关系。诊断电池SOC有必要研究电池开路电压特性。

将电池以递增10%SOC的步长,进行0~100%SOC范围内的充放电测试,间隔时间5小时以上获得电池不同SOC下的开路电压,变化曲线如图8所示。图8中电池的充放电开路电压随SOC变化趋势中出现了明显的平台区,即SOC在10%~90%范围内开路电压变化平缓,为开路电压法估算SOC增加了困难。相同SOC下充电开路电压高于放电开路电压,说明实验方法所得开路电压还存在一定误差,在实际估算SOC时该曲线需要经过加权平均处理。

图8不同SOC下电池开路电压变化曲线

3.5循环特性

电池循环特性反应了电池寿命,既是电池用户关心的问题,也是电池管理系统(BMS)重点研究的领域。电池寿命终结一般以电池额定容量衰减到80%为准,用电池健康状态(State of  Health,SOH)作为电池老化程度的度量指标,可定义为当前状态下电池完全放电容量与电池初始容量的比值。

实际电池寿命测试常用加速的电池循环测试来得到,测试条件为室温下1C倍率充放电测试,电压范围为2.5V~3.65V,充电电流截止到0.03C,测试曲线如图9所示。从图9可见,测试电池初始容量从58.9Ah经过2789次循环衰减到47.1Ah,SOH达到79.97%,电池寿命终结。电池测试过程中放电容量随循环次数变化呈现出线性特征,拟合系数及拟合度见表5。

表5 电池循环寿命曲线拟合数据表

拟合项

斜率k

截距b

拟合度R2

系数数据

-0.004

58.32

0.992

图9室温下电池1C倍率循环放电容量变化曲线

4总结

磷酸铁锂电池作为应该广泛的能量储存电池,在10%~90%的SOC范围内具有约3.2V的电压平台,所测试电池在1C以内有较优的充放电倍率特性,温度范围在15℃~45℃输入/输出能量稳定,常温1C循环至2789次寿命终结,容量衰减呈现出线性变化趋势。由此可见,磷酸铁锂电池整体性能稳定,可以作为良好的直流电源使用。


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    能量密度:125-160Wh/kg
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