通信用磷酸铁锂电池技术应用及发展

原材料
磷酸铁锂（LiFePO4， 也叫锂铁磷） • 特点1：橄榄石结 构，Li+具有二维可 移动性 • 特点2：原材料价 格低廉，储量丰富。 • 特点3：无污染、 环保性好
单体电芯
磷酸铁锂作为正极 材料的锂离子电池 电芯 单体电芯，指处于 同一电解液系统下 的电池 特点1：单体电芯 标称电压为3.2V
170
130~150 2.5~3.8 3.2~3.3 差 >1000 优 中等
工作电压范围（V） 平台电压（V） 材料加工性能 循环寿命（次） 安全性能 价格
高温性能
毒性/环保 目前用途
一般
有毒的钴 电脑、手机
一般
有毒的钴 电脑、手机
差
无毒 电动车
好
无毒 汽车、通信
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3. 通信行业解决方案 1.发展历程 —发展历程|—— 发展路线|对比|锂离子电池应用领域|…
1951年 密封镍镉电池 1901年 爱迪生电池 （Ni/Fe+碱液） 1995年聚合物 锂离子电池(SONY)
1859年 铅酸电池 1833年 法拉第电解定律 1780-1791年 伽伐尼电流 公元前100-后100年 电池原型
1800
1899年 镍镉电池 1868年 干电池 1836年 丹尼尔电池
高能量密度 超长循环寿命 出色的高温性能 高倍率放电 快速充电 环保
高温(60℃)情况下 可放出100%容量
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2.原理和特点——工作机理|电池组构成|BMS|优势|劣势
高能量密度 超长循环寿命 出色的高温性能 高倍率放电 快速充电 环保
部分厂家正在设计1000Ah的单体
泰尔实验室入网认证态度
100Ah及以下单体，推荐认证申请 100Ah~200Ah，慎重接收认证申请 200Ah以上电池单体，不建议接收认证申请
目前的工艺条件下，大容量的单体电芯面临 的安全隐患更大——内部析出的氧气更多， 内部压强越大，也就更容易引起爆炸
放电时：
负极中的锂离子Li+从碳素材料层间脱出，透过隔 膜向正极迁移，并嵌入正极材料的晶格中，相应地电 流从正极经外部负载流向负极。
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2原理和特点——工作机理|电池组构成|BMS|优势|劣势
正极材料 负极材料 隔膜 电解液 单体电芯 Cell结构设计 若干单体 BMS 若干模块 BMS
中国铁塔，集团公司提倡低成本建设，尚无指导性原则
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3. 通信行业解决方案 1.发展历程 —历程|路线—— |对比|领域|规范|生产现状
生产及认证情况
磷酸铁锂电池单体（电芯）容量
一般厂家均能生产单体容量为100Ah及以下的单体 部分厂家可以生产150Ah甚至200Ah的单体 少数厂家甚至宣称可以生产600Ah的单体
可适用于短时大电 流备电的应用场景
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2.原理和特点——工作机理|电池组构成|BMS|优势|劣势
高能量密度 超长循环寿命 出色的高温性能 高倍率放电 快速充电 环保
铁锂电池12V 150Ah 恒流50A充电
能量转化效率高，可以 在1-3h内完成充电
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主要内容
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发展历程 原理和特点 性能指标 通信行业应用与发展
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2.原理和特点——工作机理|电池组构成|BMS|优势|劣势
铁电池：是以磷酸铁锂为正极材料的一种锂离子二次电池，其充放电的化学方程式如下：
充电时：
外部电流从负极流向正极，使正极中的锂离子Li+ 从磷酸铁锂晶格中脱出，透过隔膜向负极迁移，并嵌 入碳素材料负极的层状结构中。
《第2部分 分立式电池组》（YD/T 2344.2-201X），报批稿
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3. 通信行业解决方案 1.发展历程 —历程|路线—— |对比|领域|行业规范编制|生产现状
通信企业标准
中国电信，2013年组织编写《中国电信通信用磷酸铁锂电池技术要求》 报批状态 中国移动，2012年10月30日发布并实施，QB-H-005-2012《通信基站用 磷酸铁锂电池V1.0.0》 中国联通，形成《通信用磷酸铁锂电池》讨论稿
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2.原理和特点——工作机理|电池组构成|BMS|优势|劣势
电池组的基本结构如图所 示，电池组包括两部分：
+ 电 芯 1 -
+
BMS系统 MOSFET管
+
-
+
-
+
-
+
-
+
电池模块 电池管理系统(BMS)
电 芯 2
电 芯 3
电 芯 4
电 芯 5
电 芯 6
锂电池 BMS
可部分代替油机用于维 护
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2.原理和特点——工作机理|电池组构成|BMS|优势|劣势
高能量密度 超长循环寿命 出色的高温性能 高倍率放电 快速充电 环保
生产过程及电池本身均不对环境造成危害
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2.原理和特点——工作机理|电池组构成|BMS|优势|劣势
环境保护型 社会的实现
新一代 第三代
合金类 氧化 物类 锂金属
保持电池工业、 应用行业竞争力 纳 米 级 材 料 设 计 原材料产业升级 与竞争力的强化
第二代
氮化 物类 难石墨 化的碳
第一代
石墨
负极材料 电解液 正极材料
凝胶电 解液 LiNiO2
LiMn2O4 LiFePO4
离子型 液体 固体聚 合物
1C常温循环寿命2000次 ，剩余容量90% 1C高温(45℃)循环2000次 ，剩余容量80% 1C高温(60℃)循环1500次 ，剩余容量80%
0
0
400
800
1200
1600
2000
循环次数
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2.原理和特点——工作机理|电池组构成|BMS|优势|劣势
1990年 锂离子电池 （SONY商用） 镍氢电池 （Ni MH电池）
一次电池 二次电池
第1代：铅酸电池 第2代：镍镉电池 第3代：镍氢电池、锂离子电池
1900 2000
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180ຫໍສະໝຸດ Baidu年 伏特电池
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1.发展历程—电池发展历程|锂电池发展历程|锂电池发展路线|…
有机电解液 1955年美国
与铅酸电池、一般锂电池相比，铁锂电池的劣势如下：
低温性能差：0℃时容量保持率为65%左右、-10℃时容量保持率在 50%左右
制造成本较高：原材料成本低，但是制造成本高（专利门槛高、电池 一致性成品率低），造成其价格比较高
正极材料振实密度小：等容量的磷酸铁锂电池的体积要大于钴酸锂等 锂离子电池，在微型电池方面不具有优势 电池单体的一致性问题：磷酸铁锂电池的一致性问题较其他电池更严 重，降低了其可靠性 容量偏小：目前单体容量较小，有待进一步提升
LiCoO2 钴酸锂 层状
Li(NiCoMn)1O2 三元材料 层状
LiMn2O4 锰酸锂 尖晶石
LiFePO4 磷酸铁锂 橄榄石
274
140~155 3.0~4.3 3.6~3.7 好 >500 差 高
278
130~220 3.0~4.35 3.6~3.7 较高 >500 较好 较高
148
90~120 3.5~4.3 3.7~3.8 中等 >300 好 低
在核心网、IDC，目前处于试点阶段 机房环境好，无法发挥铁锂电池的优 势 可靠性低、性价比低，劣势会被放大
LiFeO4 Li2V2O5
无机电 解质
有机电 解质
LiCoO2
硫类正 极材料
LixMnO2
（高电压、低容量）
（低电压、高容量）
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3. 通信行业解决方案 1.发展历程 —发展历程|—— 锂电池发展路线|锂离子电池的对比|…
材料性能 名称 晶体结构
理论比容量（mAh·g-1） 实际比容量（mAh·g-1）
炭负极/不同正极体系电池的应用领域
锰酸锂 钴酸锂 数码产品 镍酸锂 数码产品 三元系 数码 动力 电动自行车 电动工具 电动汽车
磷酸铁锂
储能 通信电源 电动汽车
磷酸铁锂电池适用于 储能和动力电池！
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3. 通信行业解决方案 1.发展历程 —历程|路线—— |对比|领域|行业规范编制|生产现状
一次锂电池
1960年代
嵌入式LiCoO2
1960年代 英国
锂离子二次电池 通常简称为： 锂离子电池
炭负极应用
1991年SONY
C/LiCoO2 锂离子电池产业化 1992年SONY率先产业化
锂离子电池的 产业化格局
韩国产业化 1999年
中国产业化
2000年
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3. 通信行业解决方案 —— 1.发展历程 —电池|锂电池发展历程 |锂离子电池发展路线|…
传统蓄电池之间连 接非常简单
电芯
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2.原理和特点——工作机理|电池组构成|BMS|优势|劣势
电池管理系统（BMS）：管理蓄电池充电、放电过程，为用户提供相关信 息的电路系统的总称。 包括智能充电管理、电池平衡管理、智能间歇式充放电管理、热系统管理 和通信管理等功能。
标准的编制、颁布和实施
通信行业标准：《通信用磷酸铁锂电池组》
《第1部分 集成式电池组》（YD/T 2344.1-2011），已于2011年12月 20日发布，并于2012年2月1日起实施
• • 集成式电池单体容量系列为5、10、20、30、40、50、60、80、100 分立式电池单体容量系列：50、100、150、200、300
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3. 通信行业解决方案 —— 2.原理和特点 ——工作机理 |电池组构成|BMS|优势|劣势|对比
性能指标 大电流放电能力 深放电能力 循环寿命 重量比能量（wh/kg 铁锂电池 好 好（98%容量） 1500～2000次 110～130 铅酸电池 实际容量随放电率增大而下降 差（80%容量） 500～800次 30～50
体积比能量（wh/L）
高温性能 环保 产品一致性 单体容量 价格（元/AH）
180～220
好 无污染 差 小（50～100Ah） 约6.0/Ah(2V)
80～120
一般 污染 较好 大(3000Ah) 约1.25/Ah(2V)
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2.原理和特点——工作机理|电池组构成|BMS|优势|劣势|对比
※ 提高使用寿命 ※ 保证电池安全 ※ 降低维护成本
B M S 原 理 框 图
均衡模块
数据采集模块
电池组1 保护 电路 电池组2
电池 管理 监控 器
电 源 系 统 监 控 模 块
均衡模块
数据采集模块
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2.原理和特点——工作机理|电池组构成|BMS|优势|劣势
高能量密度 超长循环寿命 出色的高温性能 高倍率放电 快速充电 环保
体积减少25%~30% 重量减少50%~60%
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2.原理和特点——工作机理|电池组构成|BMS|优势|劣势
高能量密度 超长循环寿命 出色的高温性能 高倍率放电 快速充电 环保
140 120 100
循环效率/%
80 60 40 20
20度 45度 60度
模块
由若干单体并联或串 联而成的电池组合 特点：在同一模块、 同一组电池内，应采 用完全一样的单体电 芯 特点2：通信行业一 般有12V模块、48V 模块
电池组
由若干电池模块和电 池管理系统组成
产品应用
类型1：集成式 电池模块与BMS集成 为一体 类型2：分立式 电池模块与BMS分设， BMS可独立安装，也 可与开关电源合设
现阶段磷酸铁锂电池在通信行业的应用主要定位于小型化、分散化、 环境恶劣的接入层
耐高温性能好 高能量密度（体积小、重量轻） 循环次数较多 容量较小 性价比低 可靠性低
适用于接入层局站 供电条件不好（对循环寿命有要求） 温度较高（对耐高温性能又要求） 机房面积、承重条件不好（对面积、 重量有要求）
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发展历程 原理和特点 性能指标 通信行业应用与发展
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1.发展历程—电池发展历程|锂电池发展历程|发展路线|…
发展方向：一大一小 （1）大容量电池：用于储能、
动力电池的铅酸电池逐渐被磷酸 铁锂电池取代 （2）小容量的电池：用于数码 产品的镍镉、镍氢电池逐渐被锂 离子电池取代