宋真玉

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磷酸鐵鋰蓄電池充電原理及特性研究

宋真玉

（陜西工業(yè)職業(yè)技術學院汽車工程學院，陜西 咸陽 712000）

汽車工業(yè)的快速發(fā)展使得環(huán)境和能源紛紛出現(xiàn)危機，純電動汽車的快速推廣，也使得對性能優(yōu)良的動力電池要求越來越高。文章通過對磷酸鐵鋰蓄電池結構和工作原理的研究，揭示其極化現(xiàn)象和充放電特性，為磷酸鐵鋰動力電池的深入研究做了鋪墊，使開發(fā)性能更優(yōu)良動力電池打下基礎。

磷酸鐵鋰；動力電池；原理；放電特性

引言

隨著我過汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，隨之而來的能源和環(huán)境問題也凸顯開來。能源方面，化石燃料資源有限，傳統(tǒng)燃油汽車的快速增長勢必會進一步提高化石燃料的消耗速度，從而導致一系列嚴重問題。環(huán)境方面，碳氫化合物（HC）和氮氧化合物（NOx）等排放量越來越多，甚至在一些大型城市中，占總城市污染物排放量接近四分之一。二氧化碳（CO2）等溫室氣體排放嚴重，使得城市氣溫差進一步增大，極端重污染天氣越來越多。

為了解決以上問題，目前世界各國都在大力發(fā)展新能源汽車。混合動力電動汽車和純電動汽車是發(fā)展的重中之重，然而動力電池技術卻是制約其發(fā)展的關鍵點。本文選卻了當前應用范圍非常廣泛的磷酸鐵鋰動力電池為研究對象，由于磷酸鐵鋰電池具有非線性、離散性、復雜性等特點，通過對磷酸鐵鋰蓄電池的研究，揭示其結構和原理，并對電池的相關核心理論展開分析。為我國純電動汽車動力電池的研究提供相應的理論支撐，增加動力電池的容量、延遲動力電池使用壽命，對產(chǎn)業(yè)發(fā)展的這重要的意義。

1 磷酸鐵鋰電池的原理

1.1 電池的結構

LiFePO4以磷鐵鋰礦的形式存于自然界，它的結構為有序的橄欖石型。

LiFePO4單格電池的結構相對比較簡單。電池的中間是聚合物的隔膜，主要作用是在反應過程中讓Li+可以通過隔膜而阻止電子e的通過。電池的右邊是由石墨組成的電池負極，通過銅箔與電池負極相連。左邊是由LiFePO4組成的電池正極，通過鋁箔與電池正極相連。整個電池由外殼密封包裹起來，內(nèi)部充有電解質(zhì)溶液，如圖1所示。

圖1 磷酸鐵鋰電池的內(nèi)部結構

1.2 電池的工作原理

磷酸鐵鋰電池的工作過程不同于其它材料電池，反應時非鉛酸蓄電池單一化學方程式的可逆反應，而是正負極的反應兩相進行。在充放電的過程中，磷酸鐵鋰電池正極的離子、電子得失如下：

充電：

放電：

充電時，Li+從正極脫嵌經(jīng)過電解質(zhì)進入負極，同時電子從外電路由正極向負極移動，以保證正負極的電荷平衡，而放電時，Li+從負極脫嵌，經(jīng)過電解質(zhì)嵌入正極。這樣的結構使得磷酸鐵鋰蓄電池具有了較好的電壓平臺和較長的使用壽命。因此，磷酸鐵鋰電池在充放電過程中表現(xiàn)出了良好的循環(huán)穩(wěn)定性，具有較長的循環(huán)壽命。

1.3 電池的充電過程分析

磷酸鐵鋰電池在充電過程中，電壓會隨時間不斷地變化。以恒流法對電池進行充電，其端電壓隨時間的變化規(guī)律即為充電電壓特性曲線，如圖2所示。

整個充電過程可以分為三個階段：

（1）高效階段：在此階段，電池兩極的活性物質(zhì)反應激烈，充電率高，接近100%。

（2）混合階段：在此階段，充電主反應和副反應同時進行，充電率逐步降低。當兩極反應達到平衡狀態(tài)時，電池趨于充滿。

（3）析氣階段：此時電池已充滿，剩下的只有副反應和自放電反應。

圖2 橫流充電時電池電壓特性曲線

1.4 電池的極化現(xiàn)象

磷酸鐵鋰電池處于開路狀態(tài)時，電池的電極位于平衡狀態(tài)，電池兩端的電動勢稱為平衡電動勢。當電池充放電時，由于電流的經(jīng)過，導致電池的電動勢偏離平衡值，這種現(xiàn)象稱之為極化（Polarization），有時也被稱為過電勢（Over potential）或者過電壓（Over voltage）。所有蓄電池皆存在極化現(xiàn)象。

極化現(xiàn)象會對電池的充電造成嚴重的危害，其主要表現(xiàn)在以下幾點：

（1）極化產(chǎn)生的過電勢會妨礙充電電流增加，減緩電化學反應速度，延長充電時間，降低充電效率。

（2）極化會使電池電解液分解，生產(chǎn)大量氣體，這些氣體不僅會延緩電池的充電速度，還會對極板造成嚴重的腐蝕作用。

（3）電解液分解會產(chǎn)生熱量，使電池溫度升高。當溫度升高到某一程度，會導致極板受熱變形，嚴重時甚至會引起爆炸。

2 磷酸鐵鋰電池的主要性能

磷酸鐵鋰電池的基本性能，主要包括電池容量、內(nèi)阻、SOC、OCV等，以及這些參數(shù)在不同環(huán)境溫度下的變化規(guī)律。

2.1 電池的容量特性

磷酸鐵鋰電池的容量是指在一定的放電條件下電池可以輸出的電量，它分為理論容量、實際容量和額定容量。

（1）理論容量C0

一般理論容量用此公式來計算：

（2）實際容量C

實際容量是指在一定的放電條件下，電池實際放出的電量。

恒流放電時為：

恒電阻放電時為：

式中：I為放電電阻，t為放電至終止電壓時的時間。

（3）額定容量Cr

電池在設計和制造中，規(guī)定電池在一定放電條件下應該放出的最低限度的電量。實際容量總是低于理論容量，所以活性物質(zhì)的利用率為：

式中：m為活性物質(zhì)的實際質(zhì)量，m1為給出實際容量時應消耗的活性物質(zhì)的質(zhì)量。

另外，磷酸鐵鋰電池的容量對于高倍率放電具有更好的耐受性。

2.2 電池的內(nèi)阻

磷酸鐵鋰電池的內(nèi)阻可分為歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，兩者之和稱為電池的總內(nèi)阻。歐姆電阻由電極材料、電解液、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化電阻是指電化學反應時由極化現(xiàn)象而產(chǎn)生的電阻，包括電化學極化電阻和濃差極電阻。

電池的內(nèi)阻是表征電池老化程度的重要參數(shù)，一般地，隨著電池循環(huán)次數(shù)的增加，電池內(nèi)阻也會相應增大。

2.3 電池的SOC

荷電狀態(tài)SOC是用來描述電池剩余電量的參數(shù)，其數(shù)值上定義為電池所剩電量與電池總電量的比，即：

式中：QR為電池的剩余電量，Cf為電池以恒定電流I所能放出的電量。

當電池完全充滿電的時候，SOC=1；當電池完全放完電的時候，SOC=0。

2.4 開路電壓OCV

電池的開路電壓（OCV）是指電池斷電后電壓達到的穩(wěn)定值。開路電壓表征了電池在某一荷電狀態(tài)SOC下所對應的穩(wěn)定電動勢，是對電池狀況有著較強描述能力的狀態(tài)量。

磷酸鐵鋰電池開路電壓 OCV 與荷電狀態(tài)SOC的關系如圖3所示。

圖3 磷酸鐵鋰電池的SOC-OCV曲線

磷酸鐵鋰電池曲線在SOC=40%到70%的區(qū)間內(nèi)，電池的OCV變化極小，而在SOC的兩端區(qū)間（尤其是<20%和>80%）的區(qū)間內(nèi)，OCV的變化率較大，整個磷酸鐵鋰的曲線呈現(xiàn)中間區(qū)域平坦，頭尾兩端陡峭的形態(tài)。

3 磷酸鐵鋰電池性能的影響因素

磷酸鐵鋰電池性能的影響因素主要包括三個方面，分別是：溫度、放電倍率和充電電壓。

3.1 溫度對電池性能的影響

鋰離子電池的工作環(huán)境溫度對電池的性能有著很大的影響。

將充滿電的電池分別置于不同的環(huán)境溫度中放電，討論放出的容量與環(huán)境溫度的關系。

充電方法為，將電池以1/3C恒流充電至電壓到達3.65V，改為恒壓充電直至電流下降到1A，停止充電。放電方法為，在環(huán)境溫度中充分靜置，再以1/3C恒流放電直到電壓下降到 2V 為止，計算放出的容量。將同一型號的6塊磷酸鐵鋰電池分別置于-40℃、-20℃、0℃、30℃、50℃、60℃下進行充放電過程，電池放出的容量如圖4所示。

圖4 磷酸鐵鋰電池容量隨溫度變化的曲線

由圖可知，在一定的溫度范圍內(nèi)，電池的容量隨溫度的升高而指數(shù)上升。原因之一是，溫度高時，電池的各類內(nèi)阻較小，放電過程中其端電壓比低溫下的端電壓更高。因此，在相同的放電截止電壓（如2V）和放電電流下，溫度高時電池放電持續(xù)時間更久、容量更大。

3.2 放電倍率對電池性能的影響

磷酸鐵鋰電池的容量隨放電倍率的增大而減小，一方面是因為電池內(nèi)阻的存在，當電流很大時，電池發(fā)熱，溫度升高，降低了電池的熱穩(wěn)定性，產(chǎn)生正反饋；另一方面是大電流放電時，電池的活性物質(zhì)利用率較低，電池的極化內(nèi)阻增大，極化電壓增加，電池電壓提前降低到放電終止電壓，使電池的輸出容量減小，嚴重時甚至會對電池的安全性產(chǎn)生危害。

3.3 充電電壓對電池性能的影響

充電電壓對磷酸鐵鋰電池的鋰離子脫嵌過程有著重要的影響。當電池的充電電壓過高的時候，電池會發(fā)生副反應并產(chǎn)生大量的熱，這會增大電極界面的電阻，降低電池的熱穩(wěn)定性，減少電池的容量。此外，當電池的充電電壓大于電池的充電電壓上限時，電池的正極將會有過多的鋰離子脫出，破壞正極結構，同時會有過多的鋰離子遷移到電池的負極，不能嵌入負極的鋰離子沉積在電極表面，增加了電池短路的可能性，對電池造成損害。

4 結論

本文對磷酸鐵鋰電池的結構和工作原理及特性進行了詳細研究，得出如下結論：

（1）磷酸鐵鋰電池的內(nèi)部結構相對簡單，正極為LiFePO4、負極為石墨，中間位聚合物的隔膜，其反應過程為兩相反應。并指出了電池的極化現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和對電池充電的影響。

（2）磷酸鐵鋰電池主要性能指標做了詳細研究，主要是蓄電池容量、內(nèi)阻、SOC、OCV等。

（3）詳細的分析了電池性能的影響因素，主要是溫度、放電倍率和充電電壓等三個方面。

通過本文的研究分析，對磷酸鐵鋰電池有了一個全面的掌握，為磷酸鐵鋰動力電池的深入研究做了鋪墊，使開發(fā)性能更優(yōu)良動力電池打下堅實的理論基礎。

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Study on Charging Principle and Characteristics of Lithium Iron Phosphate Battery

Song Zhenyu

( College of automotive engineering, Shaanxi vocational technical college, Shaanxi Xianyang 712000 )

The rapid development of the automobile industry has led to environmental and energy crises. The rapid promotion of pure electric vehicles has also led to higher requirements for power batteries with good performance. Through the study of the structure and working principle of the lithium iron phosphate battery, the polarization phenomenon and charge-discharge characteristics of the lithium iron phosphate battery are revealed, which lays a foundation for the in-depth study of the lithium iron phosphate battery and lays a foundation for the development of the battery with better performance.

lithium iron phosphate; Power battery; The principle; Discharge characteristic

U469

A

1671-7988(2018)21-16-04

U469

A

1671-7988(2018)21-16-04

宋真玉（1987-），男，碩士，講師，主要從事汽車運用、汽車新能源等方面的研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.006