不同類型鋰離子電池在UPS工況下的適應性分析

吳戰宇，沙樹勇，周壽斌

(江蘇華富儲能新技術股份有限公司，江蘇 揚州 225600)

0 引言

鋰離子電池具有工作電壓高、比能量大、體積小、質量輕、循環壽命長、自放電率低、無記憶效應、無污染等眾多優點，因此近年來鋰離子電池的在新能源儲能、動力及后備電源領域(UPS)的應用不斷擴大[1]。當前，隨著社會科學技術的不斷發展，UPS 電源的運用已在實際生活中得到了大眾廣泛的重視與關注。其中，UPS 電源的類型也存在著多樣化，比較常見的類型主要有在線式、后備式、在線互動式等幾種類型，但不同類型的UPS 電源在功能特性上具有不同的作用，因此在選用UPS電源時應對電源的可用性進行具體的分析與理解，從而充分發揮出UPS 技術的作用[2]。

目前UPS領域使用的化學電源仍以免維護鉛酸蓄電池為主導。在市場上常見的鋰離子電池中，磷酸鐵鋰電池較被看好，這種電池雖然比能量不及鈷酸鋰電池，但是其安全性高，單體電池的循環次數能達到2000次，放電穩定。基于此點，在UPS應用領域，磷酸鐵鋰電池是最早也是目前唯一替代鉛酸電池的鋰離子電池[3]。但其它類型的鋰離子電池，如三元(NiCoMn)鋰離子電池、錳酸鋰電池等是否可用于UPS領域以及在模擬UPS使用工況下對鋰離子電池進行長時間浮充會產生什么樣的結果，這個還不得而知。

本文以以磷酸鐵鋰電池(以下簡稱：鐵鋰)進行參照，考察三元(NiCoMn)鋰離子電池(以下簡稱：三元鋰)、錳酸鋰電池(以下簡稱：錳鋰)在模擬UPS使用工況進行使用的情況。并對三種電池在UPS工況下的適應性進行了分析。

1 實驗部分

1.1 樣品電池

分別選擇鐵鋰、三元及錳鋰三種類型的電芯各1只進行測試，磷酸鐵鋰電芯樣品規格型號為22650/3.0Ah，三元鋰規格型號為：1690135/12Ah，錳鋰規格型號為18650/2.0Ah。三種電芯在測試前進行容量檢測。

1.2 測試設備

深圳市新威爾電子有限公司生產的規格型號為CT-3008W5V20A-TF的高精度電池性能測試系統。

1.3 測試方案

(1)完全充放電測試：先對樣品電池進行20次完全充放電循環，以此判斷電芯是否異常并使其容量達到穩定狀態。完全充電方式為恒流/恒壓(CC/CV)方式，放電為恒流限壓方式，具體參數見表1。

表1 三種樣品電池的充放電方案

(2)模擬UPS工況測試：經過完全充放電測試合格之后的三種樣品電池，隨后進行模擬UPS工況測試。測試方法按照YDT 799-2010 《通信用閥控式密封鉛酸蓄電池》中7.23.1蓄電池過充電壽命實驗規定的執行。具體如下：

A) 以0.1C恒流充電至相應充電限制電壓

B) 在充電限制電壓下恒壓充電30天；

C) 以0.1C進行恒流放電至相應放電截止電壓

以上為一個測試周期，重復以上周期，并記錄每個周期之后樣品電池放電容量的變化。

2 結果及討論

2.1 完全充放電測試

將3種樣品20次完全充電測試后循環后，計算其容量保持率，結果如表2所示。從表2的結果可以看出，經過三種樣品電池均具有較好的容量保持能力，其中最高為鐵鋰，達到101.0%；容量保持能力最低的為三元鋰，達到97.9%；兩只錳鋰電池的容量保持能力均為98.8%。因此，可以判定三種電芯無異常。

表2 樣品完全充放電循環放電容量 單位：mAh

2.2 模擬UPS工況測試

表3 為3類電池4個樣品經過完全充放后，在模擬UPS工況條件下的各周期內放電容量變化情況。測試過程中發現，錳鋰樣品(錳鋰1#)在3個周期后就已經完全不能放電，為了驗證是否是樣品原因，另取錳鋰樣品(錳鋰2#)1只再次進行測試。

表3 樣品模擬UPS工況測試放電容量 單位：mAh

圖1 錳鋰樣品實驗周期內充放電容量變化

2.3 模擬UPS工況適應性分析

(1)錳鋰樣品

錳鋰1#樣品前2個模擬UPS工況放電容量由1975.5mAh依次衰減至1874mAh、1715mAh，第3個周期則只有553.3mAh電芯完全報廢。為避免單只電池失效引起誤判，重新選取錳鋰2#樣品進行測試，從2#樣品的實驗結果證實，錳鋰1#樣品模擬UPS工況出現這種現象并非偶然，2#樣品的容量衰減情況也非常嚴重(圖1)。錳酸鋰體系的電芯出現這樣的現象可能與錳酸鋰材料在高荷電態下的 John-Teller效應使得錳溶解造成整體正極片上活性物質結構坍塌，從而導致電芯報廢。從此實驗看，錳酸鋰體系不適合于長期高荷電態下浮充的領域。

(2)三元鋰及鐵鋰樣品

圖2 鐵鋰樣品與三元樣品實驗周期內充放電容量變化

接下來將三元鋰樣品與鐵鋰樣品進行對比分析。圖2為兩種樣品整個實驗周期內的充放電容量比較圖。

從實驗曲線上看，三元鋰樣品在第一個模擬UPS工況的放電容量較之前的完全充放電容量相近，隨后5個周期內容量衰減相對較快，衰減至10897mAh，與模擬UPS工況前相比衰減了11.1%，而鐵鋰樣品則基本無變化，直到第40個實驗周期(第20個模擬UPS工況)后放電容量出現先略有下降隨后上升。而三元鋰樣品也在相同周期出現類似情況，初步懷疑與實驗環境溫度有關。于是將后段的樣品恒流充電及恒流放電的環境溫度數據提取出來與放電容量進行比對分析。具體數據見表4。

表4 鐵鋰樣品與三元樣品放電容量與環境溫度對應曲線

圖3 鐵鋰樣品與三元樣品第30個周期后放電容量與環境溫度對應曲線

從表4中和圖3中均可看出，兩種電池的放電容量變化與環境溫度變化完全一致，因此此階段中容量偏低的周期并非模擬UPS工況原因造成，而是受環境溫度影響。為了消除這種影響，選取溫度比較接近常溫25℃的前后兩個周期進行比較。選取第48次(第28次模擬UPS工況)與第40次(第20次模擬UPS工況)進行比較 。兩次循環之間的對比可以看出，鐵鋰樣品在經歷了8個模擬UPS工況后放電容量只減少了31.6mAh，衰減率1.1%，而三元鋰樣品也只減少了240.5mAh，衰減率為2.3%。從以上數據分析可知，鐵鋰及三元鋰樣品在UPS工況下具有較好的適應能力。

2.4 三種電池的適應性比較

將鐵鋰及三元鋰在模擬UPS工況下各循環周期的放電容量與首次循環周期的放電容量進行比較，得到兩種電池的容量保持率，結果如表5所示。

圖4為根據表5繪制的鐵鋰與三元鋰樣品的容量保持率曲線，鐵鋰樣品在經歷了28個模擬UPS工況周期后容量仍有近95%，而三元樣品雖然在前期5個周期容量保持率快速下降到89%，但在隨后的周期容量保持率基本平穩，第27、28個周期的容量保持率仍維持在84.5%以上。因此，在長期浮充的領域，磷酸鐵鋰體系表現最佳，三元鋰體系也可應用，但容量會下降為初始容量的85%。相比而言，錳酸鋰體系則完全不可用。

表5 鐵鋰樣品與三元鋰樣品模擬UPS工況周期的放電容量及保持率

圖4 鐵鋰與三元鋰樣品模擬UPS工況周期容量保持率曲線

3 結論

在經歷了26個月的27個模擬UPS周期，磷酸鐵鋰樣品容量保持率仍能達到近95%；而三元鋰樣品前5個周期的容量保持率下降至89%，隨后比較穩定，最后容量保持率為84.6%；而錳酸鋰的兩個樣品均只捱過兩個周期后直接報廢。因此，在需要長期浮充的領域，磷酸鐵鋰體系表現最佳，三元鋰體系也可應用，但容量有所下降，而錳酸鋰體系則完全不可用。綜上所述，在UPS領域，除鐵鋰電池外，三元鋰也有較好的適應性，是UPS用鋰離子電池可以選擇的電池體系之一。

[1] 王玲, 高朋召, 李冬云, 黃詩婷, 肖漢寧. 鋰離子電池正極材料的研究進展[J]. 硅酸鹽通報, 2013, 32 (01): 77-84.

[2] 李利. 談UPS 電源的技術性能及可用性[J]. 電子制作, 2016, 07: 69-70.

[3] 李志華, 唐志雄. 通信用磷酸鐵鋰電池的節能減排應用[J]. 電源世界, 2011, 08: 54-57.