")); 磷酸铁锂蓄电池具有体积小、重量轻、能量密度高、密封好、无泄露、无记忆效应、放电性能好、自放电率低、充电迅速、循环寿命长、工作环境温度范围宽等特点,所以在通信后备电源方面具有非常广泛的应用前景。

1   软包叠片式磷酸铁锂电池的基本结构

磷酸铁锂电池由正、负极板(正极活性物质为磷酸铁锂,负极活性物质为石墨)、隔膜、电解质、极耳和铝塑膜外壳组成。正负极板是电化学反应的区域,隔膜、电解质提供Li+的传输通道,极耳起到引导电流的作用,正极活性物质是磷酸铁锂,为橄榄石结构,其空间结构如图1所示。

图1  LiFePO4结构示意图

磷酸铁锂与导电剂、粘结剂以一定的比例混合，涂覆在铝箔上构成正极，负极活性物质通常是石墨类材料，通过粘结剂附着在铜箔上。正负极之间用聚乙烯隔膜(或者是聚丙烯和聚乙烯复合隔膜)隔开，防止电池短路。隔膜是一种多孔结构的薄膜，充放电过程中Li+可以通过其孔隙，而电子e-不能通过。电池的电解液是六氟磷酸锂,如图2所示。

图2  软包叠片式锂离子电池结构示意图

2   磷酸铁锂电池的充放电过程

电池充电时,Li+从磷酸铁锂材料中迁移到晶体表面,从正极板材料中脱出,在电场力的作用下,进入电解液,穿过隔膜,再经电解液迁移到负极石墨晶体的表面,然后嵌入负极层状石墨材料中。与此同时,电子流通过正极的铝箔,经极耳、电池极柱、负载、负极极柱、负极耳流向负极的铜箔电极,再经导电体流到石墨负极,使电荷达至平衡。

电池放电时,Li+从层状石墨晶体中脱嵌,进入电解液,穿过隔膜,再经电解质迁移到磷酸铁锂晶体的表面,然后重新嵌入到磷酸铁锂的材料中。与此同时,电子经导电体流向负极的铜箔电极,经极耳、电池负极柱、负载、正极极柱、正极极耳流向电池正极的铝箔电极,再经导电体流到磷酸铁锂正极,使电荷达至平衡。

由此可见,磷酸铁锂电池的基本原理,就是在充、放电的过程中,对应的锂离子在正负极之间来回地嵌脱,完成对电池的充电和给负载的供电(见图3)。

图3  锂离子电池充放电示意图

3   磷酸铁锂电池的特点

磷酸铁锂电池是锂离子电池中最安全的一种较高比能量的电池,其优点主要表现在以下几个方面:

(1)长寿命,磷酸铁锂单体电池的循环寿命长达2000次以上;

(2)使用安全,磷酸铁锂电池在短路、过充、挤压、针刺等滥用的条件下仍然是非常安全的;

(3)可大电流快速充放电;

(4)耐高温性能优越,磷酸铁锂电池在(-10℃～
+55℃)情况下仍然能够正常工作;

(5)无记忆效应;

(6)绿色环保。

磷酸铁锂电池充电时,可分为恒流充电和恒压充电两个过程,首先是恒流充电,电流一般采用0.2C10(A)电流,必要时可以采用1C10(A)充电,当电池组电压达到充电限制电压时,改为恒压充电。所以,磷酸铁锂电池组和UPS配合使用,其充电过程较为简单,只需要根据电池组电压要求设置UPS对电池组直流充电即可。

磷酸铁锂电池放电时,电池放电电压非常平稳,一般在3.2V左右,放电后期(主要指剩余的10%容量)的电压变化较快,放电的终止电压一般可以为2.5V。

4   磷酸铁锂电池组的容量试验

磷酸铁锂蓄电池在出厂时只有60%左右的荷电量,所以,安装初始时应该对电池组进行补充充电。由于单体电池自放电大小的差异,可能会使各电池的端电压出现不均衡,所以磷酸铁锂电池组安装前必须测量开路电压,开路电压差一般要求小于50mV,并做好电池测试纪录。补充充电完成后用假负载可以对电池组按0.1C10(A)和0.2C10(A)率等进行容量试验,试验需要接入智能电池管理系统(IBMS,intelligence battery monitor system)对放电过程中电池的总电压、放电电流、电池单体电压进行测量和纪录,电池在放电后期密切关注单体电压低的电池,若有一只电池端电压低到2.5V时IBMS发出告警停止放电,在25℃±2℃左右的情况下,计算出实际电池放出的容量与电池额定容量是否基本一致,若基本一致证明电池放电容量合格,若放电到终止电压时,电池组放出的容量与额定容量的差别太大(大于20%),说明电池筛选配组时可能存在问题，应及时联系厂家进行更换处理。