磷酸鐵鋰電池電壓一致性改善研究

張大峰，劉 煒, 劉 麗

(國軒新能源(蘇州)有限公司，江蘇昆山215300)

由于磷酸鐵鋰電池獨有的安全性優勢，受到眾多新能源汽車公司的青睞，新能源汽車的電源系統是由眾多的單體電池并聯成多個電池組，最后電池組再串并聯組成大的電池包，該電池包的實際容量受單節電池組間電壓一致性影響，若各節電壓相近，彼此間壓差小，容量得以充分發揮；若各節電壓存在較大差異，彼此間壓差大，導致充放電時出現單節保護問題，降低了整個電池包的實際充放電容量，導致續航里程不足和電性能受影響等問題。

本文從環境溫度和分容方式兩方面進行實驗來改善磷酸鐵鋰單體電池間電壓一致性，最終確定了環境溫度及分容后小電流續放電或充電，對提升單體電池電壓整體一致性有較大幫助，從而確保電池包各節電池組間壓差一致性。

1 實驗

正極材料：磷酸鐵鋰、石墨稀、PVDF、NMP；負極材料：石墨、導電劑、SBR、CMC、去離子水；隔膜：陶瓷隔膜；電解液(天津金牛)。

將正負極材料各自通過合漿機混合成漿料，正極漿料涂敷在12 μm 厚的鋁箔上，負極漿料涂敷在6 μm 厚的銅箔上，經過涂布烘箱烘干后，分別經過輥壓機輥壓至工藝要求厚度(正極片壓實密度為2.36 g/cm3，負極片壓實密度為1.61 g/cm3)。將輥壓好后的正負極片經過極片分切機，分切至所需尺寸的正負極片，將分切好的正負極片和隔膜通過卷繞機卷繞成兩頭為全極耳設計的卷芯，極耳分別位于卷芯兩端，再將卷芯兩端極耳經超聲波揉平，兩端焊接蓋板，最后注液封裝，制成鋁殼圓柱電池。

2 結果與討論

2.1 環境溫度對電壓一致性的影響

取產線分容后同一容量檔位的合格電池6 只，常溫下0.5 C 恒流恒壓充滿電，然后在5、15、25、35、45、55 ℃下各取1只，靜置4 h 后，以0.3 C 放電至2.0 V。對比容量及放電后電池的電壓，如圖1 和圖2 所示。

由圖1 可知，在一定溫度范圍內，放電容量隨溫度升高而遞增，當溫度增至25 ℃及以上時，放電容量趨于平穩；當溫度增至55 ℃時，容量出現輕微減小的趨勢。

圖1 不同溫度下放電容量折線圖

圖2 不同溫度下分容放電后電池電壓柱形圖

由圖2 可知，隨著溫度的增加，分容放電后電池電壓呈現逐步減小并趨于穩定的趨勢，以25 ℃為轉折點，達到35 ℃及以上時趨于平穩態。25 ℃與5 ℃的電池壓差相差200 mV 左右，35 ℃及以上與5 ℃的電池壓差相差315～350 mV；但35、45、55 ℃三者電池壓差只有35～50 mV。

導致圖1 和圖2 實驗結果的原因為：(1)溫度偏低時，電池極化較大(如圖3)，電池殘余容量不一，導致電壓不一[1]；(2)磷酸鐵鋰材料低溫下容量發揮和倍率性能不佳，即低溫性能不佳；(3)溫度過高，損耗了有效鋰含量，不可逆容量增加[2]。

圖3 不同溫度下的放電平臺曲線

綜上，磷酸鐵鋰鋰電池批量生產分容放電時，車間適宜的環境溫度區間為25～45 ℃，最好控制在35 ℃附近最佳，因為此溫度下保證了容量的發揮且不會造成不可逆容量損失增加，而且分容后電池的反彈電壓趨于平穩，一致性好，壓差小。

2.2 分容優化方式

2.2.1 小電流續放電對電壓一致性的影響

取產線分容后電性能合格的電池864 只，在常溫下分成兩組進行實驗，第一組0.5 C 恒流恒壓充電至3.65 V，0.05 C截止，0.5 C 恒流放電至2.5 V；第二組0.5 C 恒流恒壓充電至3.65 V，0.05 C 截止，0.5 C 恒流放電至2.5 V，靜置30 min 后，以0.01 C 再次放電至2.5 V。對比兩組電池電壓一致性，如圖4 所示。

圖4 0.5 C與0.01 C放電后的電壓分布

由圖4 可知，0.01 C 再次續放電后電壓一致性明顯高于0.5 C，說明分容放電后如果再采用更小倍率的電流進行續放電，可將電池各自由于極化而殘留的剩余容量近一步釋放出來(如圖5 所示)，使原本剩余容量不一的電池通過續放電形式變得一致，從而實現了電壓分布窗口由寬變窄，電壓一致性得到提高。

圖5 0.01 C續放電放出的剩余容量分布

2.2.2 小電流補電對電壓一致性的影響

取產線分容后電性能合格的電池200 只，在常溫下分成兩組進行實驗，A 組0.5 C 恒流恒壓充電至3.65 V，0.05 C 截止，0.5 C 恒流放電至2.5 V；B 組0.5 C 恒流恒壓充電至3.65 V，0.05 C 截止，0.5 C 恒流放電至2.5 V，靜置30 min 后，以0.05 C 補電至3.1 V。對比兩組電池電壓一致性，如圖6 所示。

圖6 小電流補電至3.1 V后電壓分布對比圖

由圖6 可知，分容放電后以小電流補電至3.1 V 后電壓一致性也明顯優于0.5 C 直接放電至2.5 V 的電壓分布，說明分容放電后如果再采用更小倍率的電流進行稍許補電，可將電池各自由于極化而殘留的剩余容量不一的電池，通過補電形式將最終的剩余容量補到相同程度，從而實現了電壓分布窗口由寬變窄，電壓一致性同樣得到提高[3]。

2.3 環境溫度與分容優化方式相結合

表1 電池包充放電壓差及容量

取公司正常量產的同一批電池分成兩組。方案1：不控制分容區溫度，分容時0.5 C 恒流恒壓充電至3.65 V，0.05 C截止，0.5 C 恒流放電至2.5 V，將電性能合格的電池經Pack 串并聯成最終的成品大電池包。方案2：將分容區溫度控制在30～40 ℃，分容時0.5 C 恒流恒壓充電至3.65 V，0.05 C 截止，0.5 C 恒流放電至2.5 V，靜置30 min 后，以0.01 C 再次放電至2.5 V，將電性能合格的電池經Pack 串并聯成最終的成品大電池包。對比兩個方案電池包電性能測試時的充電壓差、放電壓差及各串電壓，見表1、圖7 和圖8。

方案1 和方案2 的電池包放電容量分別為52 041 和53 134 mAh。結合表1 可知，電芯分容階段控制環境溫度在30～40 ℃，結合0.01 C 更小倍率電流續放電，對單體電芯間電壓一致性有顯著提升，其在Pack 串并聯組包后，整個電池包各串充放電電壓明顯降低，最終放電容量顯著提升；其中充電壓差由444 mV 降至90 mV，降低約80%，放電電壓由549 mV 降至161 mV，降約71%，而最終的放電容量提升約1 100 mAh 即2%左右。

圖7 電池包充電時各串單節電壓值

圖8 電池包放電時各串單節電壓值

由圖7 和圖8 可知，電芯分容階段控制環境溫度在30～40 ℃，結合0.01 C 更小倍率電流續放電，各串電壓一致性較好，曲線呈現平穩狀態；相反，方案1 各串電壓彼此相差較大，其曲線呈現上下波動狀態。

3 結論

(1)磷酸鐵鋰電池化成分容時，環境溫度控制在25～45 ℃為宜，以35 ℃附近最佳，此溫度下保證了容量的發揮且不會造成不可逆容量損失增加，而且分容后電池的反彈電壓趨于平穩，電壓一致性好，壓差小。

(2)磷酸鐵鋰電池分容放電后，采用更小倍率電流(如0.01 C)續放電或更小倍率電流(如0.03 C)微補電的分容優化方式，縮窄了單體電芯電壓分布窗口寬度，電壓一致性顯著提升，同時也降低了電性能合格類電芯之間的壓差。

(3)在磷酸鐵鋰電池實際生產過程中，若將分容區溫度控制在30～40 ℃，同時再與小倍率電流續放電或微補電的分容優化方式相結合，分容后得到的電性能合格的電芯，其電壓一致性和容量更有保障，經Pack 串并聯組成的電池包，各串之間充電壓差降低約80%，放電壓差降低71%左右，容量提升2%以上。