磷酸铁锂电池特性.docx
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磷酸铁锂电池特性
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1LiFePO4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2LiFePO4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3.26V~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(StateofCharge,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(StateofHealth,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。