目前,在通信行業(yè)所大量使用的閥控式密封鉛酸蓄電池,經(jīng)過幾十年的建設(shè)及運行維護經(jīng)驗總結(jié),主要存在能量密度低、運行環(huán)境溫度要求高、放電效率低、高溫壽命短等弱點。從現(xiàn)有電池技術(shù)來看,磷酸鐵鋰電池具有很多切合我們對新型電池要求的特點,但磷酸鐵鋰電池的使用壽命和高溫環(huán)境的性能面臨較多爭議,也缺乏相應(yīng)的評估標準。從運營商實際使用和大量的測試數(shù)據(jù)看,磷酸鐵鋰電池的技術(shù)特點、使用和維護要求以及實際使用壽命等都需要進一步的驗證。

磷酸鐵鋰電池目前在通信行業(yè)已經(jīng)大規(guī)模應(yīng)用,總用量超過1GWh。目前,鋰電池的循環(huán)壽命有比較明確的結(jié)論,但很多用戶對鋰電池的日歷壽命和高溫性能了解不足,可能會導(dǎo)致電池濫用而產(chǎn)生安全問題。在推廣應(yīng)用鋰電池時,鋰電池不同狀態(tài)下的預(yù)期日歷壽命直接關(guān)系到鋰電池的推廣范圍,其經(jīng)濟性評估與壽命評估直接相關(guān)。本文將重點探討鋰電池的日歷壽命評估方法和高溫性能。

1 鋰電池高溫性能分析

鋰電池生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品宣傳時,普遍宣稱鋰電池高溫性能好,與鉛酸不一樣,對溫度提升不敏感,甚至很多鋰電池廠家認為50℃以上時容量衰減不大。其主要支持的依據(jù)是鋰電池60℃高溫時可正常充放電,經(jīng)測試,磷酸鐵鋰電池60℃時,可進行充放電,放電容量可達25℃容量的98%以上,而鉛酸電池超過50℃可放電,但是無法正常充電。

鋰電池的高溫性能是否如廠家宣稱的那樣呢?我們可以看看測試的情況。

2011年運營商開始批量使用鋰電池,在應(yīng)用的同時進行了鋰電池高溫浮充測試。測試方法為在60℃環(huán)境溫度下,磷酸鐵鋰電池以3.6V電壓連續(xù)充電30天,然后在25℃環(huán)境溫度下進行一次充放電循環(huán)核對剩余容量;或者在55℃環(huán)境溫度下,磷酸鐵鋰電池以3.6V電壓連續(xù)充電42天,然后在25℃環(huán)境溫度下進行一次充放電循環(huán)核對剩余容量。測試了4個產(chǎn)品,結(jié)果如表1所示。

2013年某運營商省公司第1次集采磷酸鐵鋰電池,以下是某省公司集中采購鋰電池進行的質(zhì)量測試。測試方法:分別在25℃和40℃環(huán)境溫度條件下,對鋰電池組以0.2C電流進行充電,以0.55C電流進行放電,共進行100次充放電循環(huán)測試。測試結(jié)果如表2所示。

2014年某運營商集團第1次集采磷酸鐵鋰電池,以下是集中采購鋰電池進行的質(zhì)量測試情況。測試方法:在55℃環(huán)境溫度條件下,對鋰電池組以0.5C電流進行充電,以1C電池進行放電,共進行100次充放電循環(huán)測試。測試結(jié)果如表3所示。

從以上實際測試的結(jié)果來看,溫度對鋰電池的壽命影響非常大,劣于鉛酸電池高溫環(huán)境工作表現(xiàn)。不同環(huán)境溫度時鋰電池的衰減幅度如何,下文將進一步分析。

2 鋰電池預(yù)期日歷壽命分析
 
很多鋰電池廠家在對鋰電池和鉛酸電池進行經(jīng)濟性對比時直接把鋰電池壽命設(shè)定為鉛酸電池的2～3倍,但這種預(yù)期目前并沒有實際測試或應(yīng)用的數(shù)據(jù)支持。而實際應(yīng)用的項目,鋰電池的使用壽命并不樂觀。比如國內(nèi)的大型賽事均有政府支持的電動大巴項目，其電池使用情況并不理想，壽命為3年左右。運營商基站用鋰電池的應(yīng)用情況也不理想，部分站點6～18個月容量衰減到80%以下，當然造成電池容量衰減過快并不全部都是電池產(chǎn)品質(zhì)量問題，還有BMS、使用方法和高溫環(huán)境等問題。

(1)鋰電池的循環(huán)壽命

鋰電池的循環(huán)壽命,目前有很多的測試結(jié)果,因為鋰電池可以進行快速充放電,其結(jié)果也比較容易驗證。對于磷酸鐵鋰電池的電芯,循環(huán)壽命一般不低于2000次循環(huán),特殊設(shè)計的電芯可以達到萬次。鋰電池成組以后循環(huán)壽命與電芯相比,有較大幅度降低,降低的幅度受到電芯配組一致性、BMS和電池組電壓高低等因素的影響。對于48V電池組來說,鋰電池成組循環(huán)壽命一般可以達到電芯循環(huán)壽命的70%以上。

(2)鋰電池的日歷壽命

所謂鋰電池的日歷壽命,即為在適宜的工作環(huán)境和工作條件下,鋰電池可以使用的較長時間。鋰電池具有較好的循環(huán)性能這一點是比較確定的,但是長循環(huán)壽命是否意味著一定具有長日歷壽命呢?

因為鋰電池的循環(huán)壽命一般在比較短的時間內(nèi)測試完成,所以日歷壽命需要新的方法進行評估。

①鋰電池失效機理分析

目前,對于鋰電池的失效分析有很多研究,主要的失效原因有以下幾種:

·SEI膜的生長

陰極材料不穩(wěn)定引起的活性物質(zhì)被氧化溶解;陰極內(nèi)電解液反應(yīng)生成SEI而被耗盡。

·極化衰減

傳統(tǒng)電池在使用過程中內(nèi)阻持續(xù)增大,導(dǎo)致充放電極化大,電池難以充滿或者放完電,容量不能發(fā)揮。

·活性物質(zhì)損失

電池在使用過程中,正極或者負極材料劣化、孤島效應(yīng),或者產(chǎn)生副反應(yīng),導(dǎo)致能夠參與反應(yīng)的活性化學(xué)物質(zhì)越來越少,導(dǎo)致容量損失?；钚晕镔|(zhì)損失是所有電池衰減過程中都存在的,不同廠家、不同技術(shù),該項衰減差異很大。

②鋰電池容量衰減模型

電池剩余容量一般決定于電池的材料體系和使用時間,即以下公式:

由式(1)取對數(shù)可得到式(2):

影響參數(shù)分析:

z——衰減指數(shù),是由設(shè)計體系(陰極、陽極材料)來決定的。

a——受化學(xué)體系(電解液,添加劑等)影響,也受陰極材料的晶向變化而不同。

鋰電池SEI膜增長引起電芯容量衰減,相對于時間t符合冪函數(shù)數(shù)學(xué)模型。

以上公式中l(wèi)n[Q(t)]和ln(t)會遵循線性方程,線性方程的斜率是z。

以上公式是否適用于鋰電池的壽命分析,可以通過測試進行驗證。圖1是國內(nèi)鋰電池A公司用式(1)和式(2)進行的測試和鋰電池壽命推導(dǎo)過程。通過對鋰電池在25℃、35℃、45℃和60℃分別進行的容量測試結(jié)果分析,得到了該電池的溫度加速系數(shù)的擬合曲線。從測試和推導(dǎo)過程來看,較終的擬合曲線比較好的反映了測試結(jié)果。

從以上鋰電池壽命測試及擬合曲線來看,鋰電池壽命衰減也符合阿倫尼烏斯方程,即溫度每升高一定的值,其壽命降低一半。對A公司測試的這一款產(chǎn)品來說大約溫度升高9℃,電池壽命衰減一半。

③鋰電池容量衰減模型的問題分析

電池的使用壽命、失效機理和衰減模式息息相關(guān)。電池的使用壽命決定于電池的失效機理,由失效機理可以導(dǎo)出電池的衰減模型。不同的失效機理,其壽命表現(xiàn)與衰減模型都不一樣(圖2)。

目前鋰電池技術(shù)差異較大,行業(yè)內(nèi)還沒有成熟的模型,針對磷酸鐵鋰電池一種電池類型,行業(yè)內(nèi)也沒有成熟的模型。不同廠家電池在相同測試條件下的差異也很大,所以不太可能總結(jié)一個*統(tǒng)一的衰減模型。另外,鋰電池存在浮充型、循環(huán)型和倍率型等多種使用場景的電池,其設(shè)計和使用場景都存在差異。不容易具有統(tǒng)一的衰減模型公式。

因為鋰電池材料體系和技術(shù)存在較大差異,所以目前難以形成一個統(tǒng)一的計算公式推導(dǎo)鋰電池的壽命。但是對鋰電池進行多個溫度點的測試,然后通過擬合曲線可以推導(dǎo)出鋰電池的預(yù)期壽命。

④鋰電池壽命測試加速因子分析

鋰電池壽命測試的加速因子主要有:環(huán)境溫度、充放電倍率和DOD循環(huán)深度。

·環(huán)境溫度加速因子

鋰電池55℃環(huán)境循環(huán)充放電測試時,電池表面溫度實測3個循環(huán)達到62℃,15個循環(huán)達到相對穩(wěn)定溫度65℃左右。鋰電池在80℃以上,內(nèi)部陽極SEI膜會和電解液反應(yīng)而被破壞、分解。因此作為加速測試因子的環(huán)境溫度較高不宜超過60℃。

·大倍率充放電因子

對于磷酸鐵鋰電池來說,如果設(shè)計得當,倍率*可以不成為壽命影響的主要因素。圖3為電池常溫條件下不同倍率下循環(huán)測試數(shù)據(jù),可以看到,循環(huán)壽命幾乎不受倍率的影響,基本上只與循環(huán)次數(shù)相關(guān)。因此大倍率測試可以作為一種節(jié)省時間的方法,不適宜作為一種加速衰減方法。

·DOD循環(huán)深度因子

圖4為鋰電池分別在15℃、45℃和60℃環(huán)境溫度條件下,采用不同DOD循環(huán)深度放電時的測試數(shù)據(jù),可以看到,不同DOD循環(huán)深度對鋰電池壽命影響很小。因此DOD循環(huán)深度不適宜作為一種加速衰減方法。

目前,鋰電池因技術(shù)和產(chǎn)品類型差異較大,難以形成統(tǒng)一的壽命計算公式,但是可以對鋰電池進行多個溫度點的測試,然后通過擬合曲線可以推導(dǎo)出鋰電池的預(yù)期壽命。對鋰電池的加速測試方法可以通過提高鋰電池的測試溫度達到,高倍率充放電可以作為加快鋰電池壽命測試的手段。

3 結(jié)束語?結(jié)論

①從實際應(yīng)用和測試情況看,鋰電池高溫性能表現(xiàn)不佳,劣于鉛酸電池。鋰電池同樣遵循化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)隨溫度變化關(guān)系的阿倫尼烏斯方程,溫度上升7℃-10℃壽命減半,因為鋰電池體積小結(jié)構(gòu)緊湊散熱能力不足導(dǎo)致內(nèi)部溫升較高從而影響其持續(xù)高溫工作的能力。

②按80%剩余容量考核,產(chǎn)品質(zhì)量較好的鋰電池預(yù)期日歷壽命不超過10年,與鉛酸電池相當。

作者簡介

彭廣香,思極云數(shù)設(shè)施技術(shù)部總監(jiān),高級工程師,UptimeATD設(shè)計師。通信和數(shù)據(jù)中心行業(yè)從業(yè)20年,精通數(shù)據(jù)中心總體架構(gòu),設(shè)計與規(guī)劃,通信電源規(guī)劃與設(shè)計,節(jié)能減排,儲能,新能源等領(lǐng)域。主持研編《336V直流電源系統(tǒng)》、《中國移動數(shù)據(jù)中心驗收測試規(guī)程》、《中國移動“綠色行動計劃”節(jié)能技術(shù)目錄與導(dǎo)則》、《通信電源供電及節(jié)能技術(shù)》、《數(shù)據(jù)中心基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)劃設(shè)計中的若干問題》等多項行業(yè)標準與著作。