磷酸鐵鋰鋰離子電池自放電篩選方法

段松華，賈清容，代 彬，劉新軍

(四川長虹電源有限責(zé)任公司，四川綿陽 621000)

材料本身及制造工藝的原因，導(dǎo)致磷酸鐵鋰(LiFePO4)鋰離子電池的自放電率較高［1］。P.Arorat等［2］研究認(rèn)為:在常溫下，月自放電率小于3%的鋰離子電池，循環(huán)壽命與自放電無關(guān)，此時(shí)的容量損失可以通過重新充放電來彌補(bǔ);但當(dāng)月自放電率大于3%時(shí)，容量為不可逆損失，會(huì)影響電池的循環(huán)壽命。

用于成組的單體電池，要具備較小的自放電性能［3］。在實(shí)際生產(chǎn)中，采取的自放電篩選方法是擱置一段時(shí)間后全檢容量的保持率和恢復(fù)率。該方法需要較多的人力、電力，不但增加了單體電池的生產(chǎn)成本，而且延長了單體電池的生產(chǎn)周期。

本文作者通過研究單體LiFePO4鋰離子電池在0%荷電狀態(tài)(SOC)儲(chǔ)存時(shí)開路電壓與自放電的變化關(guān)系，對(duì)電池進(jìn)行自放電篩選。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)對(duì)象

從同一批次的IFP11200328軟包裝單體電池(本公司產(chǎn))、IFP40115150軟包裝單體電池(南京產(chǎn))與IFP12115230軟包裝單體電池(蘇州產(chǎn))中，各挑選200只。電池的正極材料均為磷酸鐵鋰，負(fù)極材料均為人造石墨。

從每種型號(hào)的電池中，挑選9只容量偏差不超過整批平均容量±3%、內(nèi)阻偏差不超過整批平均內(nèi)阻±3%的單體電池，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

以滿容量擱置30 d，其中4只單體電池的容量損失率［按式(1)計(jì)算］不低于3%，另外5只單體電池低于3%。各種型號(hào)單體電池的主要性能參數(shù)見表1，各實(shí)驗(yàn)單體電池的基本性能參數(shù)見表2。

表1 實(shí)驗(yàn)單體電池的主要材料參數(shù)Table 1 The main material parameters of the experimental batteries

表2 實(shí)驗(yàn)單體電池的基本性能參數(shù)Table 2 The basic performance parameters of the experimental batteries

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

用BTS6010c8型電池測(cè)試系統(tǒng)(浙江產(chǎn))將單體電池以0.10 C恒流放電至2.5 V，靜置10 min，以0.05 C恒流充電至3.0 V，在常溫(25±2℃)下擱置7 d，每天用VC 97萬用表(深圳產(chǎn))測(cè)量各單體電池的開路電壓，用3554內(nèi)阻測(cè)試儀(日本產(chǎn))進(jìn)行內(nèi)阻測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 0%SOC擱置開路電壓測(cè)試結(jié)果

單體電池0%SOC常溫?cái)R置7 d，開路電壓測(cè)試的結(jié)果列于表3。從第2天開始，開路電壓與前一天的差值ΔOCU見圖3。

表3 單體電池0%SOC擱置7 d的開路電壓測(cè)試結(jié)果Table 3 OCV test results of the batteries during 7 d 0%SOC shelf

圖1 單體電池0%SOC擱置7 d的開路電壓變化Fig.1 OCV changes of the batteries during 7 d 0%SOC shelf

結(jié)合表2的測(cè)試數(shù)據(jù)，由圖1a可知，IFP11200328單體電池在0%SOC狀態(tài)常溫?cái)R置7 d，月自放電率大于3%的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)及4號(hào)，開路電壓呈下降趨勢(shì)，其余月自放電率小于3%的則呈上升趨勢(shì)。進(jìn)一步測(cè)試IFP40115150單體電池的開路電壓變化，同樣發(fā)現(xiàn)，月自放電率大于3%的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)，開路電壓呈下降趨勢(shì)，其余月自放電率小于3%的則呈上升趨勢(shì)。由此可知，通過該規(guī)律可迅速篩選出月自放電率大于3%的磷酸鐵鋰單體電池。為了進(jìn)一步證實(shí)上述規(guī)律的準(zhǔn)確性，測(cè)試IFP12115230單體電池，發(fā)現(xiàn)月自放電率大于3%的1號(hào)、2號(hào)、3號(hào)和4號(hào)，開路電壓呈下降趨勢(shì)，月自放電率小于3%的則呈上升趨勢(shì)。

2.2 對(duì)單體電池自放電率進(jìn)一步分類

各單體電池0%SOC擱置時(shí)開路電壓變化率R［計(jì)算公式見式(2)］與自放電率之間的關(guān)系見圖2。

式(2)中:U7和U2分別為第7天和第2天的開路電壓。

圖2 單體電池在0%SOC下月自放電率與開路電壓變化率的關(guān)系Fig.2 Relation between the monthly self-discharge rate and OCV change rate of the batteries in 0%SOC

從圖2可知，當(dāng)0 mV/d＜R＜3 mV/d時(shí)，單體電池的月自放電率為2% ～3%，當(dāng)R＞3 mV/d時(shí)小于2%，根據(jù)此規(guī)律，可迅速對(duì)單體電池進(jìn)行篩選、配組。當(dāng)R＜0 mV/d時(shí)，單體電池的月自放電率大于3%，其中，當(dāng)R＜－4 mV/d時(shí)可達(dá)6%以上，此類單體電池不建議在實(shí)際中應(yīng)用。

3 結(jié)論

通過對(duì)不同廠家同一批次生產(chǎn)的軟包裝磷酸鐵鋰單體鋰離子電池進(jìn)行自放電篩選方法研究，發(fā)現(xiàn):

磷酸鐵鋰單體鋰離子電池在完全放電后，常溫下較長時(shí)間內(nèi)電壓的變化較明顯，可利用單體電池在0%SOC下開路電壓的變化規(guī)律進(jìn)行自放電篩選。在0%SOC下擱置7 d，第7 d開路電壓低于第2 d的電池，月自放電率大于3%，第7 d開路電壓高于第2 d的電池，月自放電率小于3%。

根據(jù)電壓變化率，可直觀地將自放電率較大的單體電池剔除，同時(shí)對(duì)自放電率小于3%單體電池作進(jìn)一步分類，有利于提升模組中單體電池在配組中的一致性。該方法的周期較短，一般為7 d左右，可以節(jié)省人力、物力等成本，縮短篩選時(shí)間。

［1］GUI Chang-qing(桂長清).溫度對(duì)LiFePO4鋰離子動(dòng)力電池的影響［J］.Battery Bimonthly(電池)，2009，39(1):34－35.

［2］Pankaj A，Ralph E W，Marc D.Capacity fade mechanisms and side reactions in lithium-ion batteries［J］.J Electrochem Soc，1998，145(10):3 647－3 667.

［3］SONG Xiao-na(宋曉娜).鋰離子電池自放電的研究［J］.Dianchi Gongye(電池工業(yè))，2013，18(1 －2):40－50.