吳 迪

（中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司第四分公司，鄭州 450002）

目前，通信基站廣泛使用鉛酸電池作為后備電源。鉛酸電池自 1859 年由 G.planté 發(fā)明以來(lái)，有 150 多年的使用歷史，生產(chǎn)技術(shù)成熟，安全性能好，雖然體積比能量/重量比能量更高的鎳氫電池、鋰電池等新型二次電池的出現(xiàn)，對(duì)鉛酸電池的霸主地位產(chǎn)生了一定威脅，但鉛酸電池由于其鉛酸電池內(nèi)阻小，起動(dòng)倍率高，價(jià)格低廉等優(yōu)勢(shì)，一直應(yīng)用較為廣泛。電池梯次利用是指當(dāng)動(dòng)力電池不能滿足現(xiàn)有電動(dòng)車輛的功率和能量需求時(shí)，將其轉(zhuǎn)移應(yīng)用到對(duì)電池能量密度、功率密度等特性要求較低的其它領(lǐng)域（例如供基站使用，作為后備電源），達(dá)到充分發(fā)揮其剩余價(jià)值的目的。從定義可以看出，梯次電池的來(lái)源主要是電動(dòng)汽車。目前，電動(dòng)汽車所用電池為鋰電池，退役后的鋰電池應(yīng)用到基站備用電源，可以取代一部分鉛酸電池的使用。本文將從鋰電池的優(yōu)勢(shì)、維護(hù)注意事項(xiàng)及梯次利用方案介紹來(lái)分析梯次電池的應(yīng)用價(jià)值。

1 現(xiàn)階段兩種梯次利用技術(shù)方案

目前，梯次利用技術(shù)主要涉及到以下兩種方案：

方案一：將退役動(dòng)力電池進(jìn)行集中拆解，電芯集中篩選，重新組裝成標(biāo)準(zhǔn)模塊；方案二：在退役動(dòng)力電池基礎(chǔ)上直接改造。

圖1 梯次電池技術(shù)方案

方案一有利于退役電芯的集中篩選與維護(hù)，選取優(yōu)質(zhì)電芯，能夠保證質(zhì)量；同時(shí)，退役電芯的來(lái)源不局限于特定的電動(dòng)車項(xiàng)目，能夠保證供應(yīng)量；最終的電池模塊能實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，能夠保證兼容。方案二有利于電池組梯次利用的簡(jiǎn)單模塊化，供應(yīng)量上占優(yōu)勢(shì)，生產(chǎn)方式上簡(jiǎn)單易行，人工成本低廉；但由于電池組本身的結(jié)構(gòu)形狀限制，對(duì)占地的要求較高，對(duì)電池來(lái)源也有限制。

2 鋰電池梯次利用的優(yōu)勢(shì)

2.1 性能優(yōu)勢(shì)

通信用磷酸鐵鋰電池與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比的優(yōu)勢(shì)主要包含以下幾點(diǎn)：

（1）長(zhǎng)壽命。新的磷酸鐵鋰動(dòng)力電池，標(biāo)準(zhǔn)充電（5小時(shí)率）使用，可達(dá)到2000次。同質(zhì)量的鉛酸電池是“新半年、舊半年、維護(hù)維護(hù)又半年”，最多也就3年時(shí)間，而梯次鐵鋰電池循環(huán)壽命在200～300次。（2）耐高溫。磷酸鐵鋰電熱峰值可達(dá)350℃～500℃，工作溫度范圍寬廣（-20℃～＋55℃）。鉛酸電池穩(wěn)定工作的穩(wěn)定是25℃～28℃，溫度升高會(huì)損壞電池，降低電池使用壽命。（3）高能量密度。磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品實(shí)際重量比能量可超過(guò)130 Wh/Kg（0.2C，25°C）；體積比能量為210Wh/L；鉛酸電池產(chǎn)品實(shí)際重量比能量為32～37 Wh/Kg（0.2C，25°C）；體積比能量為70Wh/L。同等容量的鐵鋰動(dòng)力電池的體積比鉛酸電池少1/3-1/4，重量減少1/2-1/3。（4）大電流充放電。磷酸鐵鋰電池可大電流2C快速充放電，起動(dòng)電流可達(dá)5C以上。鉛酸電池現(xiàn)在無(wú)此性能。所以磷酸鐵鋰電池充電時(shí)間短耗電少。

2.2 經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益

參考目前市場(chǎng)價(jià)，以磷酸鐵鋰電池為例，鋰動(dòng)力電池的價(jià)格是鉛酸電池價(jià)格的 2～3 倍。但是，在使用壽命內(nèi)，鋰動(dòng)力電池能夠提供的總能量是鉛酸電池的10倍以上。因此，考慮使用壽命內(nèi)提供的總能量與購(gòu)置費(fèi)用的比值，鋰電池使用壽命內(nèi)每 kWh攤銷費(fèi)用卻僅有鉛酸電池的1/3左右。雖然鋰電池的購(gòu)置費(fèi)用高于鉛酸電池，但是使用壽命內(nèi)的攤銷費(fèi)用確遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鉛酸電池。

如果計(jì)算蓄電池壽命期后的再使用價(jià)值，鋰電池優(yōu)勢(shì)更凸顯。鉛酸電池在壽命期后，除可用于回收鉛外，沒(méi)有再作為電池使用的價(jià)值。鋰電池在壽命期后，仍能在其他應(yīng)用場(chǎng)景提供額定電量的 60 % 的電能，這時(shí)，鋰電池每 kWh 攤銷費(fèi)用能夠降低至鉛酸電池的1/5左右。由此可以看出，鋰電池買得貴，使用卻比較便宜。

環(huán)境保護(hù)方面，鐵鋰電池不含任何重金屬與稀有金屬（鎳氫電池需稀有金屬），無(wú)毒（SGS認(rèn)證通過(guò)），無(wú)污染，符合歐洲RoHS規(guī)定，為絕對(duì)的綠色環(huán)保電池。鉛酸電池中卻存在著大量的鉛，在生產(chǎn)過(guò)程中或其廢棄后若處理不當(dāng)，仍將對(duì)環(huán)境構(gòu)成二次污染，而磷酸鐵鋰材料無(wú)論在生產(chǎn)及使用中，均無(wú)污染，因此該電池又列入了“十五”期間的“863”國(guó)家高科技發(fā)展計(jì)劃，成為國(guó)家重點(diǎn)支持和鼓勵(lì)發(fā)展的項(xiàng)目。

3 鋰電池的安全特性及維護(hù)注意事項(xiàng)

雖然鋰電池具有較好的穩(wěn)定性和耐用性，但在安全方面，仍需注意避免以下幾點(diǎn)：

（1）過(guò)充電。過(guò)充電是指電池充滿之后，再繼續(xù)充電的行為。鋰離子電池在過(guò)充電過(guò)程中，大量的鋰從正極材料中脫離出來(lái)，電池的電壓和溫度在很短的時(shí)間內(nèi)快速升高，釋放出大量的熱，當(dāng)電池達(dá)到一定電壓時(shí)，電解質(zhì)溶液就會(huì)發(fā)生氧化分解反應(yīng)，劇烈的化學(xué)反應(yīng)放出大量的熱量，可能會(huì)發(fā)生熱失控現(xiàn)象，進(jìn)而發(fā)生燃燒或爆炸的安全事故。（2）過(guò)放電。鋰離子電池過(guò)放電是指在放電過(guò)程中，放電電壓超過(guò)電池額定放電截止電壓。電池過(guò)放電可能會(huì)導(dǎo)致電池容量的衰減，電池發(fā)生內(nèi)短路，電池溫度出現(xiàn)異常出現(xiàn)熱失控等安全問(wèn)題。（3）外部短路。鋰離子電池在使用過(guò)程中，可能在電池運(yùn)輸過(guò)程中、電池組線路老化和振動(dòng)、碰撞等情況下發(fā)生外部短路的情況。發(fā)生外部短路時(shí)，電池處于持續(xù)大電流放電狀態(tài)下，內(nèi)部溫度快速上升，可能造成電池失效，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致電池的熱失控。（4）高低溫環(huán)境。鋰離子電池的最佳工作溫度為0℃～40℃，最大工作溫度范圍為-20℃～60℃。在低溫環(huán)境下，鋰離子電池的容量急劇降低，電池內(nèi)阻增大，在電池充放電時(shí)負(fù)極材料析出金屬單體鋰，形成鋰枝晶，隨著在低溫下循環(huán)次數(shù)的不斷增加，鋰枝晶的范圍不斷擴(kuò)大，有可能會(huì)刺穿電池內(nèi)部的正負(fù)極，使電池發(fā)生內(nèi)部短路現(xiàn)象，導(dǎo)致電芯熔化，電池著火和爆炸等安全問(wèn)題；在高溫環(huán)境下，高于55℃時(shí)鋰離子電池的容量衰減速率加快，電池壽命減少。當(dāng)電池內(nèi)部溫度大于90℃時(shí)，固體電解質(zhì)界面膜發(fā)生分解，加速了負(fù)極材料與電解質(zhì)溶液之間的化學(xué)反應(yīng)，將導(dǎo)致電池?zé)崾Э氐陌l(fā)生?；谝陨纤狞c(diǎn)，為了更安全地使用鋰電池，充分發(fā)揮它的的優(yōu)勢(shì)，當(dāng)鋰電池應(yīng)用于基站時(shí)，后期使用及維護(hù)期間，應(yīng)特別注意以下2點(diǎn)：

一是設(shè)置合適的放電截止電壓，避免過(guò)放電；

二是定期維護(hù)空調(diào)系統(tǒng)，保持機(jī)房溫度穩(wěn)定。

4 梯次鋰電池放電測(cè)試

為了掌握梯次鋰電池的放電特性，我們進(jìn)行了放電測(cè)試，測(cè)試選取2組電池串聯(lián)，電池1容量200AH、電池2容量200AH，充電電流系數(shù)0.15C，充電電流60A。浮充電壓54.4V。

測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1：

表1 梯次電池放電測(cè)試數(shù)據(jù)

利用以上測(cè)試數(shù)據(jù)，我們繪制了電池工作時(shí)的電壓、電流曲線，如圖2所示：

圖2 梯次電池電壓、電流曲線

根據(jù)放電測(cè)試結(jié)果，我們可以看出，電池進(jìn)入放電狀態(tài)后，電流、電壓穩(wěn)定?？?cè)萘?00AH的電池組能夠提供9小時(shí)25分的穩(wěn)定放電時(shí)長(zhǎng)，可滿足大部分基站的需求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了鋰電池梯次利用的背景、應(yīng)用價(jià)值，及需要防范的問(wèn)題，在今后電動(dòng)汽車逐漸普及，梯次鋰電池供應(yīng)將越發(fā)充足，相信梯次鋰電池的應(yīng)用能夠使通信設(shè)施的建設(shè)朝著更加高效低耗的方向發(fā)展。

鋰離子電池工作電壓高、無(wú)污染、自放電小，即使電池容量衰減至初始容量的50%，仍然有很高的剩余價(jià)值。通信用磷酸鐵鋰電池應(yīng)用相比傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池更能體現(xiàn) “節(jié)能”、“節(jié)材”、“節(jié)地”等節(jié)能減排工作的需求。

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