互聯網下一種鋰后備電池系統及其失效分析

林 郴

（汕頭市人防指揮信息保障中心，廣東 汕頭 515000）

0 引 言

通信用磷酸鐵鋰后備電池比能量達到120 Wh/kg，其耐高溫且安全性突出[1]。本文主要針對通信用磷酸鐵鋰后備電池出現的不能放電、放電不均勻、電池性能差異等現象，分析電池失效行為，了解其失效機制[2]。究其原因，設備功率高、電池過放等都會導致電池失效，應針對電池失效的具體原因提出對應的預防解決措施，確保通信用磷酸鐵鋰后備電池的穩定供電。

1 通信用磷酸鐵鋰后備電池結構及工作原理

1.1 結 構

通信用磷酸鐵鋰后備電池結構如圖1所示。

電池結構為橄欖石狀結構，正交晶系，Fe在氧原子Z字鏈上，Li在直線鏈上。鋰離子在各個空間方向性質差異明顯，產生內應力，可自脫嵌，故構成了狀磷酸鐵鋰電池結構。

在磷酸鐵鋰電池整體結構設計上，選擇鋁殼外包的磷酸鐵鋰電池，電池正極及石墨組成的負極中有多孔結構的聚合物隔膜隔開，而電芯在電解液中，外殼以鋁殼激光焊接密封，以此共同構成磷酸鐵鋰電池結構[3]。

圖1 磷酸鐵鋰電池內部結構

電池放電時，鋰離子會在層間穿梭、搖擺：鋰離子從正極脫出運動向負極，此為充電；鋰離子從負極向正極嵌入，稱為放電。放電及充電過程中晶體發生變化，但正負極結構不變。反應式如下：

充電：LiFePO4-xLi+-xe-→xFePO4+(1-x)LiFePO4

放電：LiFePO4+xLi++xe-→xFePO4+(1-x)LiFePO4

1.2 系統工作原理

通信用磷酸鐵鋰后備電池有專門的管理系統。系統采集電池電壓、電流、溫度及環境參數，若參數異常，系統可保護電池狀況。電池性能、可靠性和持久性對其系統管理工作有直接影響。管理系統可操作充電限流、均衡，提高電池實用性，修補電池組差異。此外，電池管理系統集成電池自動化控制監視，可實現遠程監視、遠程管理和無人值守。一些接入網、移動設備及微基站的后備供電，也由電池管理系統負責。該系統可為負載提供所需功率，為系統內電池供電，使得電池時刻做好使用準備。一旦斷網，電池直接給設備供電，保證設備持續運行。

2 通信用磷酸鐵鋰后備電池系統構建

系統構建前需了解電池性能、電池制備，做好相關工藝流程的實施管控工作，以生產質量有保障的磷酸鐵鋰電池。

2.1 電池比能量分析

選取5個額定電壓為3.2 V的磷酸鐵鋰電池（50 Ah）和5個額定電壓為2 V的閥控式鉛酸蓄電池（50 Ah）進行比對分析。質量稱量中，磷酸鐵鋰電池質量平均為1.38 kg，閥控式鉛酸電池平均質量5 kg。磷酸鐵鋰電池質量明顯低于閥控式鉛酸電池，實際體積較小。和其他正極材料橫向比對，磷酸鐵鋰電池單體容量突出，批量化磷酸鐵鋰電池容量達到200 Ah，部分試驗產品還超過1 000 Ah。

2.2 磷酸鐵鋰電池循環壽命

對50 Ah磷酸鐵鋰電池循環壽命進行試驗，發現在常溫下開展1C5充放電測試，其電壓平臺長且穩定，充放電曲線平滑，80%DOD循環壽命在2 000次以上。同樣，分析鉛酸電池發現其82%DOD循環壽命僅為300次，如圖1所示，其中a為標準工況，b為環境濕度10%。可見，磷酸鐵鋰電池循環使用壽命更高。

圖1 不同濕度條件下磷酸鐵鋰單電池循環曲線

磷酸鐵鋰電池制作對水分敏感，若水分超標會嚴重影響電池壽命。為合理評估水分對磷酸鐵鋰電池的壽命影響，取10%濕度的環境制作磷酸鐵鋰電池，并開展容量循環測試。結果發現，濕度不達標情況下，磷酸鐵鋰電池80%DOD循環壽命1 000次（如圖1中b曲線所示），比正常制作的循環壽命少近50%。

究其原因，主要是磷酸鐵鋰電池正極片、材料吸水，雖經過碳包裹處理，但是仍有較多水分。Li的親水性能突出，接觸水分產生鋰化反應生成沉淀物、氣體，導致電池結構受到破壞，衰減磷酸鐵鋰電池容量，降低其使用壽命。

2.3 磷酸鐵鋰電池高溫性能

以某公司的10 Ah磷酸鐵鋰電池為例，研究在20 ℃、60 ℃溫度環境中，0.5C5電流充放電情況，結果如圖2所示，其中a為20 ℃下放電，b為20 ℃下充電，c為60 ℃下放電，d為60 ℃下充電。

圖2 不同溫度下的磷酸鐵鋰電池充放電曲線

研究發現，20 ℃及60 ℃磷酸鐵鋰電池的充放電曲線差異不明顯。在電池容量上，充放電容量在常溫下較理想，比60 ℃高出50 mAh。可見，磷酸鐵鋰電池的耐高溫性能突出。

3 磷酸鐵鋰電池的失效機制

3.1 單電池極片分析

性能較好的磷酸鐵鋰電池，極片微觀有明顯的活性物質均勻附著在集流體上。將2.3案例失效的磷酸鐵鋰電池拆解，觀察正極、負極狀態，發現正負極均有掉粉且正極掉粉嚴重，漏出鋁箔集流體，負極表面掉粉相較于正極輕，但是碳涂層及集流體位置有鼓泡出現，邊緣有脫粉現象，說明電池制作時結合力不牢固。活性物質脫落導致電池中活性鋰離子大量損失，可能引發短路，導致電池電壓為0。

分析失效原因，主要涉及3個方面。

（1）內阻變化。分析案例公司同批次生產電池發現，它的電池內阻偏高，電壓在0.6～1.1 V。對電池解剖分析，發現負極上沉積有Fe離子，判斷為電池吸水或溫度過高導致異常。潮濕空氣中，水可在幾秒就吸附在磷酸鐵鋰材料上。為解決此問題，需控制好水分導入，使用可穩定六氟磷酸鐵鋰的電解液，做好電池生產工藝。

（2）極片吸水。正常極片吸水后，磷酸鐵鋰材料粒徑較大，正常粒徑離子遷移速度快，充放電性能較好，而吸水后粒徑增大，各項性能大大下降。吸水后的負極片在人造石墨上有較多Fe離子成分的鋰枝晶，阻礙了離子遷移，導致電池性能大大下降。

（3）自放電。以案例公司不一致生產的同批次磷酸鐵鋰電池作0.5C容量測試，發現電池容量迅速衰減，若DOD達到80%，壽命已經小于1 000周。分析自放電，石墨、導電劑等在電池正極、負極聚集產生強烈吸水，極片存在大量活性氧，發生如下反應：

因此，使用電池材料前需對原材料高溫加熱、脫水脫氣處理，有效改善電池自放電現象。此外，為避免電池出現微短路，需控制好電解液和極片水分，可融入適當的脫水添加劑。研究表明，電池出現低電壓可能和電解液酸度、正極雜質存量有較大聯系。負極石墨、電解液中水分、酸度及正極雜質影響，會導致磷酸鐵鋰電池出現自放電，儲存容量衰減。

3.2 磷酸鐵鋰電池失效問題

3.2.1 通信設備功率問題

若主設備功率過小，會導致電池充電需較長時間。以MA200-48A型號設備為例，若設備電源功率過高，充放電電流達到0.5C，充電還會導致出現過流保護使電池無法使用。針對此類問題，可增加充電限流功能，限制電流在0.2C，保證充電穩定，也為電池維護保養打下基礎。

3.2.2 電池過放保護后無法充電

基站電池長時間不充電可能導致電池充不進電，長久如此將導致電池報廢。電池過放或觸發系統其他功能，也會使系統啟動電池保護，切斷電源。因此，開關電源上電后，需檢測直流端是否存在電壓。若檢測電壓為0，則系統默認電池無需充電。

4 電池失效應對措施

綜上所述，磷酸電池自身比能量明顯高于鉛酸蓄電池，其比能量可達到120 Wh/kg，是鉛酸蓄電池的3倍之多，使用起來具有明顯的安全性。為避免出現電池失效或在電池失效后及時拯救，需及時采用小電流為電池充電，且在過放后要定期喚醒電池，推薦采用橫流恒壓的電源，可以適當增加BMS通信接口隔離功能，有效控制電池失效。若電池已經出現失效，在今后的工作中必須注重對失效現象落實控制。針對此問題，在設置過放后定時喚醒機制，設置在過放30 min后喚醒，確保電源檢測到電壓有電壓波動，則電池可正常充電。

5 結 論

綜上所述，鋰后備電池系統耐高溫且安全性突出，在我國互聯網通信中應用廣泛，但是若出現不能放電、放電不均勻、電池性能差異等失效問題，將對移動通信造成嚴重影響，需對其具體失效問題分析，強化控制失效現象，確保移動通信基站運行持續且穩定。