大容量及大功率磷酸锂铁电池的运用
摘要：本文介绍台湾威力动力公司大功率及大容量磷酸锂铁电池之研讨开展及运用。以方型软包装电池及10Ah硬壳圆柱型规范型号为运用典范，电池研讨包括极片配方规划、电池规划、电源办理体系及运用测验，成果显现，恰当的分配电极配方及电池规划，磷酸锂铁电池可大电流放电至30C，而电压仍然在2.8V以上，一起温度运用范围从-20℃至70℃都有极佳的体现。文中报道之电池包括有运用我国及台湾公司自行开展的磷酸锂铁粉末，以及美国phostech授权之磷酸锂铁粉末，测验成果包括有美国国家试验室Sandia Lab测验定论，其显现磷酸锂铁电池具有1C充放电8000次以上的特性。一起宣布威力动力公司在一些国家运用开展实例，如电动摩托车、不间断电源、中大型运输工具电源等。
关键词：磷酸锂铁；高功率；电池组
1 导言
磷酸锂铁资料(LiFePO4)是在1997年由美国德州大学Goodenough等人发现的一种运用于锂离子电池的资料，磷酸锂铁的橄榄石结构是一种3D立体结构体系，就像尖晶石(spinel)结构相同，在高温的状态下是很安稳的，其充放电原理是磷酸锂铁和磷酸铁之间结构的转化构成一个1D通道，让锂离子能够安稳的型态活动，一起这样的相转化发生了3.4V的渠道电压，而它的理论电容量也相对较高，可抵达170mAh/g。磷酸锂铁橄榄石结构还有一些长处，像较廉价，毒性低，高温时结构安稳，对环境的影响较温文，循环安稳安全等，这些特性都十分合适用作锂离子电池资料，而锂离子电池又是近年来适当抢手的一种动力项目，运用十分广泛，如手机、笔记型核算机和油电混合车等，因而磷酸锂铁资料现已成为高功率锂离子电池正极资料的重要挑选。
2 成果与评论：
台湾威力动力公司将各种不同的磷酸锂铁产品用在锂离子电池的正极上，并将此磷酸锂铁锂离子电池运用在多种电器设备上，这些产品包括了台湾T公司，大陆B公司以及美国P公司的磷酸锂铁粉末，以下将逐个出现上述各种资料的电功能及测验成果。
2.1 台湾T公司磷酸锂铁粉末测验
威力动力公司将台湾T公司的磷酸锂铁粉末制构成方型的软包装锂离子电池，然后进行电功能测验，Z-16-2这种产品的电容量在0.5C的放电状况下能够抵达130mAh/g（图1）。在大电流测验方面，15C~18C放电下电容量还能抵达92%以上，20C放电时电容量还能保持在86%。
图1 Z-16-2磷酸锂铁充放电曲线
温度测验方面，在15C放电的状况下，温度低于65℃。当18~20C放电时，温度保持在75℃以下（图2）。仅有不足之处在于当放电电流提高到20C时，电压渠道在2.45V左右。
图2 Z-16-2磷酸锂铁倍率放电曲线
2.2 我国B公司磷酸锂铁粉末测验
我国B公司的磷酸锂铁粉末相同由威力动力公司制构成软包装电池来测验，B公司有两种产品Z-15-1和Z-15-2，咱们将这两种磷酸锂铁粉末用作锂离子电池的正极，并协作各种不同的电解液（a、b和c）制构成软包装的锂离子电池来测验，测验项目包括充放电测验，电容量测验，循环寿数和温度测验。图3出现Z-15-1资料的正极协作不同的电解液在10C放电的景象，电压渠道约2.9V到3.1V。图4显现Z-15-2协作不同的电解液在10C条件下放电，电压渠道在2.85V到2.95V之间。图3和图4显现同一资料在不同电解液条件下出现不同的电压渠道特性。
图4 Z-15-2倍率型资料10C放电曲线
在20C放电下，Z-15-1和Z-15-2 资料也别离和不同电解液配对，得到的放电成果如图5和图6。相对于10C放电，20C放电时不同的电解液构成了放电状况较大的差异，Z-15-2 的放电电压比Z-15-1高，而挑选a配方的电解液放电功率可达98%，且电压渠道安稳大约在2.7V，咱们估测在10C及20C放电的机理上，磷酸锂铁粉末和电解液扮演不同的导电人物。
图5 Z-15-1容量型资料20C放电曲线
图6 Z-15-2倍率型资料20C放电曲线
以Z-15-2资料在60℃的条件下进行充放电，图7为0.5C之充放电图，成果显现渠道电压在3.25V左右，且循环寿数在前100次电容量仍有99%。一起进行1C充放电循环试验，如图8所示。在250次循环后仍能保持本来的电容量，核算其磷酸锂锂铁粉末的电化学容量约为125mAh/g。
图7 Z-15-2倍率型资料60℃下的0.5C充放电曲线
图8 Z-15-2倍率型资料的1C充放电循环曲线
2.3 美国P公司磷酸锂铁粉末测验
这项产品测验的规划出自台湾LiFe Battery Inc.电池公司，并在美国Sandia国家试验室完结，对电池进行各种测验，包括电容量，循环寿数及电容量和温度联系，欧姆阻抗测验，大电流放电下部分荷电态（PSOC）循环寿数测验和过充电电压测验。
图9是一颗LiFe Battery Inc.公司规划的10Ah锂离子电池相片，电池尺度为直径40mm长139 mm，重360 g。表1列出了此电池的详细资料(以下称cell#1)。
图9 LiFe Batt公司的LiFePO4电池
表1 LiFe Batt公司的LiFePO4电池的功能参数
2.3.1 电容量及电容量和温度联系测验
图10显现cell#1电压和容量的充放电曲线图，别离是第一个循环和第8,394次PSOC循环后的景象，初始的电容量有9.61 Ah，其理论电容量在9到10 Ah之间，而在8394 PSOC循环后，电容量为8.91 Ah，大约减少了7%，上述测验电流为0.5C。若8394次循环后以1C条件测验电容量是8.61Ah，这是小电流深度充放电后的成果，完结此测验后再将电池以0.2 A小电流充饱电。此外，初始的电容量若以1C条件进行测验反而能够抵达10.14 Ah，这个容量的添加是因为在很多PSOC循环前一种“break-in”所谓化成的效果所构成的。
图11是1C条件下各种温度35, 25, 0, -20, -30, 和-40℃的电容量测验，成果显现在-20℃时，电容量出现急剧的下降，而在更低的-40℃下现已几乎没有电容量。图12是1C条件下充电的电压状况，在-20℃或更低温的状况下会发作直接由开端电压冲到理论电压的状况，也就是说低温状态下电流无法长期充入。
2.3.2 欧姆阻抗测验
图13显现cell #1的初始阻抗值是3.6毫欧(ΔV/ΔI)，而在8,394 PSOC循环后的阻抗值为4.2毫欧。此测验成果做线性回归得到一斜率，这种处理数据的方法是有意义的，此电流和电压的斜率代表的是一个在0到-20A放电区间的均匀阻抗值，此电池看起来循环前后的斜率是共同的，有些电池在放电前后斜率会有很大的差异。
图13 Cell #1欧姆阻抗测验 (100% SOC)
2.3.3 不同功率的充电循环测验
图14和图15是1C、4C和2C充电循环测验的成果以及大电流充电4C(±40 A)测验成果。
图14 各种电流放电循环测验
图14是由三种充放电条件组成的，先由10A（6分钟）到40A（1.5分钟）再到20A （3分钟），试验的规划是先由开端的10A到大电流40A的测验，再将电流降回至20A。在2000次循环之后，电容量降到了本来10.14Ah的88%，而在8394次循环后，又逐渐降到开端电容量的85%(8.61Ah)。整个曲线中有五段当地出现有容量在相同的循环数里攀升0.25 Ah的景象，这是因为该循环测验完结后又再充电构成的现象，但数据上能够看出在时刻短跳动攀升后又回到本来的基准线，终究电容量降到80%是在多少次循环之后并不清楚，但依据整个测出来的基准线做线性计算，在电容量降到开端电容量的80%前应该能够抵达18,000的循环。此外，在大电流40A的测验中，循环的距离代表了多快时刻电池的充电能够抵达最大电压3.65 V，当电压抵达3.65 V时，充电循环就中止，开端电容量测验，在40 A的测验区段大约是从第1000个循环开端到第 6,000循环，期间容量逐渐下降，在第6000个后转化成中度的电流(±20 A)，电容量又约略回到第2000次的电容量值，所以说结尾充电电压出现加速度添加和电容量的渐减是电池的老化现象。
图15 各种电流充电的循环寿数测验(±40A 1.5 min)
图15显现在进行循环寿数试验中，以4C(±40 A)条件下的充放电状况，成果显现晚期的电压出现安稳添加的状况，这表明内阻在这种状况下会添加比较快速，这种状况将会影响循环寿数和放电功率。
2.3.4 过充电测验
图16显现电池的过充电测验成果。起先在电流10A的状态下，电压快速升高，但升到4.7 V就变成逐渐添加的现象，电压逐渐添加的现象大约继续了30分钟，而在此期间温度逐渐升高，然后电池的电压忽然瞬间跳到它的最高电压12 V，在大约110℃时电池电解液有漏出的现象，但没有起火或爆破景象，而在116℃构成开路并失掉大部分电解液，在120℃时电压降到零，不过电池在构成开路后二十分钟温度继续升到160℃。
图16 过电压充电测验
2.3.5 总结
上述测验成果显现了磷酸锂铁粉末在加工成电池后的一些功能，如电容量，内阻，最大能量密度等等。温度测验( 35, 25, 0, -20, -30, -40 °C)显现低温特别是低于-20℃下，对放电电容量和充电电压有很大影响。较大电流的循环测验中，在4C条件下完结8,394次循环后电容量也只需10%到15%的丢失。欧姆阻抗的测验从初始到完结充放电只需从3.6毫欧升到4.2毫欧。最终在1C的过充电时，电池不发生爆破或焚烧，只需体系能接受160℃的高温文电解液漏出状况，体系将不会有损坏发生。
这个测验试验的方针是要验证磷酸锂铁资料的电功能，以便运用在各种不同大功率的充放电运用，例如电源供给，功率调整体系及风力发电方面的运用。
3 运用
威力动力公司将各种不同厂家的磷酸锂铁粉末制构成软包装锂离子电池以及电池组，并运用在多种设备上，如电动机车及轿车。
威力动力公司以规范10Ah和15Ah电容量软包装锂离子电池，加上电路控制体系组装成12V, 45Ah电池组，运用在轿车的起动电池，如图17所示，其间全电池能量密度可达动力铅酸电池有用能量的4倍。
图17. 12V, 45Ah轿车之起动电池组
组装成36V, 15Ah电池组，由12个电池串联成，电池组能量为560Wh，可供轻型电动摩托车运用，续航力达70km，其分量仅4.5kg。为了带着方便，规划有带着之把手和轮轴，如图18，规范阐明如表2。
图18 36V, 15Ah轻型电动机车电池组
组装成60V 30Ah 1800Wh电池组，可用于重型机车，如图19，可供机车时速达100km/h以上，规范阐明如表3。
图19 60V, 30Ah, 1800Wh电池组
由威力动力Power Source Energy Co., Ltd 和LiFe Battery Inc.协作的电池组以圆柱型10Ah为规范单体电池，组成144V电池组，已运用在英国之电动货车电池组（图20），其选用单独开发之电池办理体系。
图20 10Ah规范单体组成之144V电池组
4 定论
（1）大功率磷酸锂铁电池的规划，需挑选好磷酸锂铁粉末、电极配方及匹配的电解液。
（2）15C以上大功率大容量电池主张运用软包装锂离子规划。
（3）运用浅充浅扩大功率的车用电池，主张用低电压充电，能够添加循环寿数。
（4）规划大功率磷酸锂铁电池，规划较低分量能量密度(Wh/kg)能够添加循环寿数。
