磷酸铁锂电池特性的研究_刘冬生

磷酸铁锂电池特性的研究

刘冬生,陈宝林

（河南环宇集团有限公司,河南新乡453000）

摘要：

研究了磷酸铁锂电池的循环寿命、高倍率充放电性能、针刺安全性以及重量能量密度等特性.研究结果表明：20Ah 的磷酸铁锂电池在1C 倍率电流充放电条件下,循环寿命超过1600次,3C 放电容量达到0.5C 放电容量的95%左右,重量能量密度达到120Wh/kg,同时也表现出了较好的安全性能.不同温度下的放电结果表明磷酸铁锂电池受温度的影响较大,在-20℃时20Ah 的磷酸铁锂电池只能放出约55%的容量,但是由于放电过程中电池放热,在实际并没产生严重的影响.

关键词：

磷酸铁锂；电池；循环寿命；比能量；充电；放电中图分类号：TM 912文献标志码：A 文章编号：

1008-7516（2012）01-0065-04Study on performances of Lithium Iron Phosphate battery

Liu Dongsheng,Chen Baolin

（Henan Huanyu Group Co.,Ltd,Xinxiang 453002,China ）

Abstract:The performances of Lithium iron phosphate battery,such as cycle life,charge -discharge at high rate,

piercing and weightmetric energy density were investigated.The results showed that cycle life of 20Ah cell was more than 1600,and the discharge capacity at 3C arrived at around 95%to 0.5C,respectively.The weightmetric energy density reached 120Wh/kg and the battery was safe enough at the same time.The testing at different temperature shown the performance was affected remarkably,for example,only 55%capacity can be utilized at -20℃for 20Ah cell,but during application batteries at low temperature seem not to be affected obviously because of self-released heat.

Key words:Lithium Iron Phosphate ；battery ；cycle life ；specific energy ；charge ；discharge

磷酸铁锂锂离子电池相对传统的水溶液二次电池,如铅酸、镍氢和镍镉电池而言,具有循环寿命长、

能量密度高的优点,同时电池也具有很高的安全性,在各种电池体系中,磷酸铁锂电池成为最具有发展潜力的电池体系.因此磷酸铁锂电池在电动车电源[1]、大规模储能[2-3]、通讯基站[4]和电动自行车[5]等方面得到了广泛的应用.尽管采用的是相同的电化学体系,但是由于电池结构设计的不同,往往导致电池的性能也存在较大的差异.而采用贫液软包装结构设计的电池性能更加优异.这种电池在生产过程中在电池化成工序结束后将多余的电解液抽出,电池内部剩余的电解液储存在隔膜、正负极片的微孔中,几乎不发生流动,但是同时又能保证电池正常使用,最大限度地降低了电解液带来的燃烧隐患.当电池过充时电解液分解产生的气体也很少,由于采用软包装设计,此时电池只发生轻微的鼓胀,避免了爆炸的危险.同时这种结构也进一步提高了电池的能量密度.本文对磷酸铁锂锂离子电池的循环寿命、高倍率充放电性能、针刺安全性以及重量能量密度等相关特性进行了研究，对此类电池的进一步应用打下理论基础.

doi:10.3969/j.issn.1008-7516.2012.01.016

第40卷第1期401

Vol.No.河南科技学院学报

Journal of Henan Institute of Science and Technology

2012年2月2012

Feb.收稿日期：2011-12-18

基金项目：

河南省重大科技攻关项目（91100211700）作者简介：

刘冬生（1973-）,男,河南郑州人,本科,工程师.主要从事化学电源研究.

1实验

将磷酸铁锂正极材料（河南环宇集团,新乡）、KS-15导电石墨（瑞士产）和聚偏氟乙烯（江苏产,99.9%）按质量比89∶4∶7与适量N-甲基吡咯烷酮（南京产,99.9%）混合,制成电极浆料,然后涂覆到20μm 厚的铝箔（深圳产,99.9%）上,经110℃烘干及裁片制成正极片；将石墨（河南环宇集团,新乡）与KS-15导电石墨（瑞士产）与聚偏氟乙烯,（江苏产,99.9%）按质量比92∶3∶5及适量N-甲基吡咯烷酮（南京产、99.9%）混合均匀后涂布在12μm 厚的铜箔（湖南产,99.99%）上,110℃烘干后制成负极片；以Celgard 2400膜（美国产）为隔膜,电解液为LB3564型电解液（张家港产）,采用叠片工艺制成磷酸铁锂电池.

用Arbin 电池综合测试系统（美国）测试磷酸铁锂电池的电化学性能.

2结果与讨论

2.1磷酸铁锂电池的循环性能

电池作为电动车的关键部件之一,其成本甚至已经占到电动车的一半左右,因此电池的寿命直接决定了电动车的使用成本.由于磷酸铁锂动力电池正负极材料化学性质稳定,充放电过程中体积和应力变化非常小,因此其循环寿命非常长.图1为20Ah 的磷酸铁锂动力电池采用1C 倍率电流充至3.65V,然后转恒压至电流下降到0.02C ；放电电流为1C,截止电压为2.0V （充放电深度100%）条件下的循环寿命.

从图1中可以看出,在循环超过1600次以后电池的剩余容量仍然在初始容量的80%以上.虽然目前磷酸铁锂动力电池的成本相对而言仍然较高,但是较长的电池使用寿命将显著降低电动车的使用和维护成本.

2.2不同倍率放电性能

由于在实际应用中磷酸铁锂电池有可能以不同的倍率放电,对于有些电池体系,当放电电流增加时,电池的放电容量迅速下降.因此为了了解磷酸铁锂电池在高倍率下的放电性能,将20Ah 的磷酸铁锂电池分别以0.5C 、1C 和3C 倍率的电流放电,结果见图2.

从图2中可以看出,当放电电流由0.5C

增加到3C 时,电池的放电容量略有下降,但只下降了不足5%,表明磷酸铁锂电池在高倍率下仍然表现出了较好的放电性能.同时3C 放电倍率可以满足电动车在高倍率放电条件下的要求,使电动车具有较强的爬坡和加速能力.2.3高倍率充电性能

电池的快速充电性能可以使电动车在意外情况下采用紧急充电方式,更方便电动车的使用.图3是实际容量20Ah 的电池采用3C 倍率电流充电,达到3.65V 后转恒压充电的测试结果.

从图3中可以看出,在充电的初期,电池的2012年河南科技学院学报（自然科学版）

图120Ah 磷酸铁锂电池循环性能Fig.1Cycling of 20Ah LiFePO 4battery

图220Ah 磷酸铁锂电池不同倍率放电Fig.2Discharging of 20Ah LiFePO 4battery

at different rates

C a P a c i t y /A h

Cycle Number

Discharge Capacity/Ah

V o l t a g e /V