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(yùn)行維護(hù)經(jīng)驗(yàn)總結(jié),主要存在能量密度低、運(yùn)行環(huán)境溫度要求高、放電效率低、高溫壽命短等弱點(diǎn)。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(duì)新型電池要求的特點(diǎn),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(píng)估標(biāo)準(zhǔn)。從運(yùn)營商實(shí)際使用和大量的測(cè)試數(shù)據(jù)看,磷酸鐵鋰電池的技術(shù)特點(diǎn)、使用和維護(hù)要求以及實(shí)際使用壽命等都需要進(jìn)一步的驗(yàn)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(duì)鋰電池的日歷壽命和高溫性能了解不足,可能會(huì)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(shí),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(jì)性評(píng)估與壽命評(píng)估直接相關(guān)。本文將重點(diǎn)探討鋰電池的日歷壽命評(píng)估方法和高溫性能。
一 鋰電池高溫性能分析
鋰電池生產(chǎn)廠家在產(chǎn)品宣傳時(shí),普遍宣稱鋰電池高溫性能好,與鉛酸不一樣,對(duì)溫度提升不敏感,甚至很多鋰電池廠家認(rèn)為50℃以上時(shí)容量衰減不大。其主要支持的依據(jù)是鋰電池60℃高溫時(shí)可正常充放電,經(jīng)測(cè)試,磷酸鐵鋰電池60℃時(shí),可進(jìn)行充放電,放電容量可達(dá)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(cè)試的情況。
2011年運(yùn)營商開始批量使用鋰電池,在應(yīng)用的同時(shí)進(jìn)行了鋰電池高溫浮充測(cè)試。測(cè)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(jìn)行一次充放電循環(huán)核對(duì)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(jìn)行一次充放電循環(huán)核對(duì)剩余容量。測(cè)試了4個(gè)產(chǎn)品,結(jié)果如表1所示。
2013年某運(yùn)營商省公司第一次集采磷酸鐵鋰電池,以下是某省公司集中采購鋰電池進(jìn)行的質(zhì)量測(cè)試。測(cè)試方法:分別在25℃和40℃環(huán)境溫度條件下,對(duì)鋰電池組以0.2C電流進(jìn)行充電,以0.55C電流進(jìn)行放電,共進(jìn)行100次充放電循環(huán)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表2所示。
2014年某運(yùn)營商集團(tuán)第一次集采磷酸鐵鋰電池,以下是集中采購鋰電池進(jìn)行的質(zhì)量測(cè)試情況。測(cè)試方法:在55℃環(huán)境溫度條件下,對(duì)鋰電池組以0.5C電流進(jìn)行充電,以1C電池進(jìn)行放電,共進(jìn)行100次充放電循環(huán)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果如表3所示。
從以上實(shí)際測(cè)試的結(jié)果來看,溫度對(duì)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(shí)鋰電池的衰減幅度如何,下文將進(jìn)一步分析。
二 鋰電池預(yù)期日歷壽命分析
很多鋰電池廠家在對(duì)鋰電池和鉛酸電池進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比時(shí)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(shí)際測(cè)試或應(yīng)用的數(shù)據(jù)支持。而實(shí)際應(yīng)用的項(xiàng)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(dòng)大巴項(xiàng)目，其電池使用情況并不理想，壽命為3年左右。運(yùn)營商基站用鋰電池的應(yīng)用情況也不理想，部分站點(diǎn)6～18個(gè)月容量衰減到80%以下，當(dāng)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(cè)試結(jié)果,因?yàn)殇囯姵乜梢赃M(jìn)行快速充放電,其結(jié)果也比較容易驗(yàn)證。對(duì)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(jì)的電芯可以達(dá)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(duì)于48V電池組來說,鋰電池成組循環(huán)壽命一般可以達(dá)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,鋰電池可以使用的最長時(shí)間。鋰電池具有較好的循環(huán)性能這一點(diǎn)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?yàn)殇囯姵氐难h(huán)壽命一般在比較短的時(shí)間內(nèi)測(cè)試完成,所以日歷壽命需要新的方法進(jìn)行評(píng)估。
①鋰電池失效機(jī)理分析
目前,對(duì)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(fù)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(xiàng)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(shí)間,即以下公式:
由式(1)取對(duì)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(jì)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(duì)于時(shí)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(huì)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(cè)試進(jìn)行驗(yàn)證。圖1是國內(nèi)鋰電池A公司用式(1)和式(2)進(jìn)行的測(cè)試和鋰電池壽命推導(dǎo)過程。通過對(duì)鋰電池在25℃、35℃、45℃和60℃分別進(jìn)行的容量測(cè)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(cè)試和推導(dǎo)過程來看,最終的擬合曲線比較好的反映了測(cè)試結(jié)果。
從以上鋰電池壽命測(cè)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(duì)A公司測(cè)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(jī)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(jī)理,由失效機(jī)理可以導(dǎo)出電池的衰減模型。不同的失效機(jī)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(duì)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(cè)試條件下的差異也很大,所以不太可能總結(jié)一個(gè)完全統(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(chǎng)景的電池,其設(shè)計(jì)和使用場(chǎng)景都存在差異。不容易具有統(tǒng)一的衰減模型公式。
因?yàn)殇囯姵夭牧象w系和技術(shù)存在較大差異,所以目前難以形成一個(gè)統(tǒng)一的計(jì)算公式推導(dǎo)鋰電池的壽命。但是對(duì)鋰電池進(jìn)行多個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)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(cè)試加速因子分析
鋰電池壽命測(cè)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(cè)試時(shí),電池表面溫度實(shí)測(cè)3個(gè)循環(huán)達(dá)到62℃,15個(gè)循環(huán)達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定溫度65℃左右。鋰電池在80℃以上,內(nèi)部陽極SEI膜會(huì)和電解液反應(yīng)而被破壞、分解。因此作為加速測(cè)試因子的環(huán)境溫度最高不宜超過60℃。
·大倍率充放電因子
對(duì)于磷酸鐵鋰電池來說,如果設(shè)計(jì)得當(dāng),倍率完全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(cè)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(cè)試可以作為一種節(jié)省時(shí)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(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù),可以看到,不同DOD循環(huán)深度對(duì)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(jì)算公式,但是可以對(duì)鋰電池進(jìn)行多個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)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(duì)鋰電池的加速測(cè)試方法可以通過提高鋰電池的測(cè)試溫度達(dá)到,高倍率充放電可以作為加快鋰電池壽命測(cè)試的手段。
三 結(jié)束
①從實(shí)際應(yīng)用和測(cè)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?yàn)殇囯姵伢w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(dāng)。
作者簡介
彭廣香,思極云數(shù)設(shè)施技術(shù)部總監(jiān),高級(jí)工程師,UptimeATD設(shè)計(jì)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(jì)與規(guī)劃,通信電源規(guī)劃與設(shè)計(jì),節(jié)能減排,儲(chǔ)能,新能源等領(lǐng)域。主持研編《336V直流電源系統(tǒng)》、《中國移動(dòng)數(shù)據(jù)中心驗(yàn)收測(cè)試規(guī)程》、《中國移動(dòng)“綠色行動(dòng)計(jì)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(jì)中的若干問題》等多項(xiàng)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)與著作。
