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(dá)到120 Wh/kg，其耐高溫且安全性突出[1]。本文主要針對(duì)通信用磷酸鐵鋰后備電池出現(xiàn)的不能放電、放電不均勻、電池性能差異等現(xiàn)象，分析電池失效行為，了解其失效機(jī)制[2]。究其原因，設(shè)備功率高、電池過放等都會(huì)導(dǎo)致電池失效，應(yīng)針對(duì)電池失效的具體原因提出對(duì)應(yīng)的預(yù)防解決措施，確保通信用磷酸鐵鋰后備電池的穩(wěn)定供電。

1 通信用磷酸鐵鋰后備電池結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 結(jié) 構(gòu)

通信用磷酸鐵鋰后備電池結(jié)構(gòu)如圖1所示。

電池結(jié)構(gòu)為橄欖石狀結(jié)構(gòu)，正交晶系，F(xiàn)e在氧原子Z字鏈上，Li在直線鏈上。鋰離子在各個(gè)空間方向性質(zhì)差異明顯，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，可自脫嵌，故構(gòu)成了狀磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)。

在磷酸鐵鋰電池整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(fù)極中有多孔結(jié)構(gòu)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(gòu)成磷酸鐵鋰電池結(jié)構(gòu)[3]。

圖1 磷酸鐵鋰電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

電池放電時(shí)，鋰離子會(huì)在層間穿梭、搖擺：鋰離子從正極脫出運(yùn)動(dòng)向負(fù)極，此為充電；鋰離子從負(fù)極向正極嵌入，稱為放電。放電及充電過程中晶體發(fā)生變化，但正負(fù)極結(jié)構(gòu)不變。反應(yīng)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(tǒng)工作原理

通信用磷酸鐵鋰后備電池有專門的管理系統(tǒng)。系統(tǒng)采集電池電壓、電流、溫度及環(huán)境參數(shù)，若參數(shù)異常，系統(tǒng)可保護(hù)電池狀況。電池性能、可靠性和持久性對(duì)其系統(tǒng)管理工作有直接影響。管理系統(tǒng)可操作充電限流、均衡，提高電池實(shí)用性，修補(bǔ)電池組差異。此外，電池管理系統(tǒng)集成電池自動(dòng)化控制監(jiān)視，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程管理和無人值守。一些接入網(wǎng)、移動(dòng)設(shè)備及微基站的后備供電，也由電池管理系統(tǒng)負(fù)責(zé)。該系統(tǒng)可為負(fù)載提供所需功率，為系統(tǒng)內(nèi)電池供電，使得電池時(shí)刻做好使用準(zhǔn)備。一旦斷網(wǎng)，電池直接給設(shè)備供電，保證設(shè)備持續(xù)運(yùn)行。

2 通信用磷酸鐵鋰后備電池系統(tǒng)構(gòu)建

系統(tǒng)構(gòu)建前需了解電池性能、電池制備，做好相關(guān)工藝流程的實(shí)施管控工作，以生產(chǎn)質(zhì)量有保障的磷酸鐵鋰電池。

2.1 電池比能量分析

選取5個(gè)額定電壓為3.2 V的磷酸鐵鋰電池（50 Ah）和5個(gè)額定電壓為2 V的閥控式鉛酸蓄電池（50 Ah）進(jìn)行比對(duì)分析。質(zhì)量稱量中，磷酸鐵鋰電池質(zhì)量平均為1.38 kg，閥控式鉛酸電池平均質(zhì)量5 kg。磷酸鐵鋰電池質(zhì)量明顯低于閥控式鉛酸電池，實(shí)際體積較小。和其他正極材料橫向比對(duì)，磷酸鐵鋰電池單體容量突出，批量化磷酸鐵鋰電池容量達(dá)到200 Ah，部分試驗(yàn)產(chǎn)品還超過1 000 Ah。

2.2 磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命

對(duì)50 Ah磷酸鐵鋰電池循環(huán)壽命進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在常溫下開展1C5充放電測(cè)試，其電壓平臺(tái)長(zhǎng)且穩(wěn)定，充放電曲線平滑，80%DOD循環(huán)壽命在2 000次以上。同樣，分析鉛酸電池發(fā)現(xiàn)其82%DOD循環(huán)壽命僅為300次，如圖1所示，其中a為標(biāo)準(zhǔn)工況，b為環(huán)境濕度10%。可見，磷酸鐵鋰電池循環(huán)使用壽命更高。

圖1 不同濕度條件下磷酸鐵鋰單電池循環(huán)曲線

磷酸鐵鋰電池制作對(duì)水分敏感，若水分超標(biāo)會(huì)嚴(yán)重影響電池壽命。為合理評(píng)估水分對(duì)磷酸鐵鋰電池的壽命影響，取10%濕度的環(huán)境制作磷酸鐵鋰電池，并開展容量循環(huán)測(cè)試。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，濕度不達(dá)標(biāo)情況下，磷酸鐵鋰電池80%DOD循環(huán)壽命1 000次（如圖1中b曲線所示），比正常制作的循環(huán)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(jīng)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(chǎn)生鋰化反應(yīng)生成沉淀物、氣體，導(dǎo)致電池結(jié)構(gòu)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(huán)境中，0.5C5電流充放電情況，結(jié)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(fā)現(xiàn)，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?？梢?，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(jī)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(zhì)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(fù)極狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)正負(fù)極均有掉粉且正極掉粉嚴(yán)重，漏出鋁箔集流體，負(fù)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(xiàn)，邊緣有脫粉現(xiàn)象，說明電池制作時(shí)結(jié)合力不牢固?；钚晕镔|(zhì)脫落導(dǎo)致電池中活性鋰離子大量損失，可能引發(fā)短路，導(dǎo)致電池電壓為0。

分析失效原因，主要涉及3個(gè)方面。

（1）內(nèi)阻變化。分析案例公司同批次生產(chǎn)電池發(fā)現(xiàn)，它的電池內(nèi)阻偏高，電壓在0.6～1.1 V。對(duì)電池解剖分析，發(fā)現(xiàn)負(fù)極上沉積有Fe離子，判斷為電池吸水或溫度過高導(dǎo)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(dǎo)入，使用可穩(wěn)定六氟磷酸鐵鋰的電解液，做好電池生產(chǎn)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(xiàng)性能大大下降。吸水后的負(fù)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(dǎo)致電池性能大大下降。

（3）自放電。以案例公司不一致生產(chǎn)的同批次磷酸鐵鋰電池作0.5C容量測(cè)試，發(fā)現(xiàn)電池容量迅速衰減，若DOD達(dá)到80%，壽命已經(jīng)小于1 000周。分析自放電，石墨、導(dǎo)電劑等在電池正極、負(fù)極聚集產(chǎn)生強(qiáng)烈吸水，極片存在大量活性氧，發(fā)生如下反應(yīng)：

因此，使用電池材料前需對(duì)原材料高溫加熱、脫水脫氣處理，有效改善電池自放電現(xiàn)象。此外，為避免電池出現(xiàn)微短路，需控制好電解液和極片水分，可融入適當(dāng)?shù)拿撍砑觿?。研究表明，電池出現(xiàn)低電壓可能和電解液酸度、正極雜質(zhì)存量有較大聯(lián)系。負(fù)極石墨、電解液中水分、酸度及正極雜質(zhì)影響，會(huì)導(dǎo)致磷酸鐵鋰電池出現(xiàn)自放電，儲(chǔ)存容量衰減。

3.2 磷酸鐵鋰電池失效問題

3.2.1 通信設(shè)備功率問題

若主設(shè)備功率過小，會(huì)導(dǎo)致電池充電需較長(zhǎng)時(shí)間。以MA200-48A型號(hào)設(shè)備為例，若設(shè)備電源功率過高，充放電電流達(dá)到0.5C，充電還會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)過流保護(hù)使電池?zé)o法使用。針對(duì)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(wěn)定，也為電池維護(hù)保養(yǎng)打下基礎(chǔ)。

3.2.2 電池過放保護(hù)后無法充電

基站電池長(zhǎng)時(shí)間不充電可能導(dǎo)致電池充不進(jìn)電，長(zhǎng)久如此將導(dǎo)致電池報(bào)廢。電池過放或觸發(fā)系統(tǒng)其他功能，也會(huì)使系統(tǒng)啟動(dòng)電池保護(hù)，切斷電源。因此，開關(guān)電源上電后，需檢測(cè)直流端是否存在電壓。若檢測(cè)電壓為0，則系統(tǒng)默認(rèn)電池?zé)o需充電。

4 電池失效應(yīng)對(duì)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(dá)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(xiàn)電池失效或在電池失效后及時(shí)拯救，需及時(shí)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(dāng)增加BMS通信接口隔離功能，有效控制電池失效。若電池已經(jīng)出現(xiàn)失效，在今后的工作中必須注重對(duì)失效現(xiàn)象落實(shí)控制。針對(duì)此問題，在設(shè)置過放后定時(shí)喚醒機(jī)制，設(shè)置在過放30 min后喚醒，確保電源檢測(cè)到電壓有電壓波動(dòng)，則電池可正常充電。

5 結(jié) 論

綜上所述，鋰后備電池系統(tǒng)耐高溫且安全性突出，在我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)通信中應(yīng)用廣泛，但是若出現(xiàn)不能放電、放電不均勻、電池性能差異等失效問題，將對(duì)移動(dòng)通信造成嚴(yán)重影響，需對(duì)其具體失效問題分析，強(qiáng)化控制失效現(xiàn)象，確保移動(dòng)通信基站運(yùn)行持續(xù)且穩(wěn)定。