臥龍電氣大容量鋰離子電池（LFP）在通信和儲能中的應用

王秀利

（臥龍電氣集團鋰電池事業部）

隨著社會經濟的發展，各行各業對通訊服務的需求不斷上升，為了保障通訊系統的正常運行，作為備用電源的蓄電池受到了廣泛關注。

隨著電池技術研究的不斷深入，各種新型化學電源不斷出現，特別是上世紀90年代發展起來的鋰電池。以其優越的性能，帶來了一場電池技術革命。隨著鋰電池技術不斷進步和市場的強勁需求，鋰電池在不同行業得到越來越廣泛的應用。近年來，國內有些鋰電池廠嘗試開發大容量鋰電池，并應用在通訊行業的備用電源系統。

綜觀通信市場，截至2010年底，通信基站數量超過120萬個，經過多年的使用、老化，基站現行使用的鉛酸電池已經進入了一個更換和淘汰期。根據國家的節能減排政策以及鋰電池技術的成熟和廣泛應用情況，長效、安全、環保、節能的新型鋰電池替代傳統的鉛酸電池勢在必行。

隨著通信系統在社會生活各個方面的作用越來越重要，以及近幾年來鉛酸電池在使用中出現的問題，電信運營商對電池的要求越來越高。重點關注的是電池的安全性、可靠性和長壽命。因此電信系統蓄電池的下一步發展方向將是：提高安全性，可靠性；提高浮充電和循環壽命。

臥龍磷酸鐵鋰電池應用于通信行業有如下優勢。

1 產品種類豐富

形成三大系列，幾十種產品。廣泛應用在戶外型基站；村通等無空調的基站；空間緊張的室內宏基站；直流供電的室內覆蓋／分布式信源站；無市電或三四類市電地區的太陽能光伏基站；直流供電方案的WLAN站點等（見表1～表3）。

2 臥龍產品的技術性能優勢

優異的耐高溫性能可成倍增加戶外站電池的壽命，降低維護及更換電池費用，提供系統可靠性；此外在有空調的基站中，可以嘗試將空調設置為35度時啟動，能有效降低基站平均電耗，“節能”優勢更加明顯。磷酸鐵鋰電池更耐高溫，電熱峰值可達350℃到500℃，在實際應用中，可以取消電池恒溫箱的使用。鋰離子電池在高溫下的容量衰減較常溫下快，高溫條件下若電池的放熱速度大于散熱速度，會引起電解液的陽極氧化以及電解液、陽極活性物質、陰極活性物質、粘結劑的熱力學分解等問題；而低溫條件下，由于鋰離子的沉積速度有可能大于嵌入速度，從而導致金屬鋰沉積在電極表面，容易產生鋰枝晶，而發生安全問題，公司產品通過測試對比，高溫循環性能優異，60℃環境下1C5循環100次容量保持97.5%以上（見表4）。

表1 通訊用后備式鋰電池系統 （直流系列）

表2 通訊用后備式鋰電池系統 （交流系列）

表3 通訊用后備式鋰電池系統（UPS系列）

表4 幾種產品循環100次容量保持率對比

同時，在磷酸鐵鋰添加20%磷酸釩鋰，混合材料的大電流及低溫放電性能優異（見圖1、圖2）。

在高倍率（1500 mA／g）下，由于磷酸釩鋰的加入，電池材料的放電性能提高29%。

圖1 組裝電池在不同放電倍率下的放電曲線

圖2 組裝電池在不同溫度下的充、放電曲線

在－30oC，添加磷酸釩鋰的混合材料的放電容量為71 mAh／g，比磷酸鐵鋰放電容量高21 mAh／g。

（1）鋰離子電池設計與開發

優化鋰離子電池正極和負極配方體系，研究正、負極材料，隔膜和電解液之間的匹配性；采用高速和膏機，研究漿料配比、和漿工藝、涂布方式及其工藝參數對電池的安全性、使用壽命和一致性的影響；對隔膜和集流體采用預處理；并采用噴涂設備，優選粘結劑，提高活性物質與集流體結合力；依據單體電池熱失控分析和內阻測試，優化電池結構。

通過對極耳、極柱及二者連接方式的計算設計，得到最有利于電流通過的結構，以將電池內部的接觸電阻降低至最??；通過對電池內部極片結構、電芯組裝方式的計算設計，優化電池內部結構，提高電池體積比能量，保證電流在極片上均勻分布，得到在大倍率放電時，溫升穩定、分布均勻的結構形式，提高電池的安全性及使用壽命。采用“Z”型層疊制造工藝，極群方式是多極結構，電流密度分布上更均勻，制成電池阻抗小，適合大容量電池制作，提高了電池電化學性能（見圖3）。

圖3 “Z”型層疊工藝示意圖

圖4 單體電池實物圖

（2）電池的模塊化設計

研究單體電池曲線擬合分選技術；通過優化結構設計并優選組裝材質，實現電池模塊輕量化設計；對電池模塊的安全性及能量密度、功率密度和循環壽命進行評價；在模擬工況（電動車頻繁啟動、加速或剎車等暫態條件）下，研究電池系統的循環壽命，研究電池模塊在高、低溫條件下的循環性能和失效機制，從而提高電池的使用壽命；研究長期儲存對電池性能的影響，抑制儲存期間電池性能的衰減；對電池模塊進行可靠性驗證及評價。

模塊式產品，單體電池產品主體以IFP1090140（10 Ah）磷酸鐵鋰鋰離子電池為主，通過并聯增容，串聯增壓模式來組合各系列產品（見圖4）。

電池組組合的方式采用臥龍專利技術來進行。該專 利 已 受 理 及 授 權，專 利 號：201020526753.3；201010279805.6。該組合方式有效地保護電池免受損傷，避免外部震動、劃傷；電池組的極耳采用搭接和焊接相結合的連接方式，提高組合可靠性，且方便裝配或拆分，便于不良電池的更換；充分考慮電池膨脹因素，組裝架的厚度高于電池厚度的10～20%，消除單體電池間在充放電過程中的內部應力，利于延長產品的壽命；組裝架采用絕緣的樹脂或塑料材料，保證了PACK組的絕緣性，提高了PACK組的安全性（見圖5）。

圖5 電池組組合方式示意圖

（3）研究電池系統的管理系統

研究電池系統溫度場分布規律，優化電池系統熱交換設計；研究殼體結構和材料，優化保護電路及布線工藝設計，提高系統電安全及電磁兼容性；建立SOC（荷電狀態）、SOH（惡化程度）模型并試驗校證，提高SOC、SOH估算精度，研究充放電大電流無損均衡充放電控制技術；研究電池系統的加速壽命預測并試驗校證。將SOC的計算精度提高到7%；可實現28 A大電流無損均衡，降低電池組差異性，延長電池組使用壽命。

電信運營商所需的通信設備趨向于集成化、小型化、輕型化。即在有限的空間內安裝更多的業務設備。對其使用溫度范圍、比能量、壽命等提出了更高的要求。近年來，電信運營商和網絡設備供應商正逐步或已經開始尋求并研究新型備電解決方案。鋰離子電池因其自身的技術特點，具有高容量、高電壓、無污染等優點而備受人們的廣泛關注，發展勢頭迅猛，是未來中小型后備電源、惡劣環境等條件下后備電源技術的發展趨勢，會逐漸成為高要求后備電源解決方案的首選。通信市場平均每年新增投資2500億，基站用蓄電池約占總投資的3%。在未來三年隨著鋰電池的批量生產和工藝的改善，產品價格將會得到大幅度的下降，鋰電池市場部分取代現有的鉛酸電池市場是一個大勢所趨，鋰電池將進入一個大規模的市場應用時代。