朱明海，黃 毅，周壽斌

（江蘇華富儲(chǔ)能新技術(shù)股份有限公司，江蘇 揚(yáng)州 225600）

1.引言

中國(guó)是全球電動(dòng)自行車生產(chǎn)和銷售第一大國(guó)，目前社會(huì)保有量約2億輛，年產(chǎn)量3 000多萬(wàn)輛，已成為老百姓中短途出行的重要交通工具。

隨著對(duì)日常消費(fèi)品環(huán)保和輕便的精神需求，老百姓越來(lái)越青睞配有鋰電池組的電動(dòng)自行車。磷酸鐵鋰電池（LiFePo4，LFP）不含任何重金屬與有害元素，無(wú)論在生產(chǎn)和使用過(guò)程中都和環(huán)境友好，避免了傳統(tǒng)鉛酸電池對(duì)環(huán)境的污染問(wèn)題[1]；相同容量的48 V12 Ah電池組，鋰電池組重量?jī)H4.5 kg，約占鉛酸蓄電池重量的27%，質(zhì)量輕便的特點(diǎn)受到了中老年、婦女群體以及學(xué)生一族的廣泛喜愛(ài)。

設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的48 V12 Ah磷酸鐵鋰電池組在保證安全的前提下，相對(duì)于同型號(hào)鉛酸電池組，續(xù)行里程更遠(yuǎn)，充電速度更快，使用壽命更長(zhǎng)。

2.實(shí)驗(yàn)

（1）設(shè)計(jì)方案

電動(dòng)自行車用鋰電池模組開(kāi)發(fā)，優(yōu)先考慮民用產(chǎn)品的安全性問(wèn)題。

第一，主要原材料采用進(jìn)口品牌和國(guó)內(nèi)一線生產(chǎn)廠家，最大程度保障電芯在濫用狀態(tài)下的安全性能。

第二，通過(guò)對(duì)DSC的數(shù)據(jù)對(duì)比，磷酸鐵鋰電極允許的過(guò)充電電壓達(dá)到了0.7 V，遠(yuǎn)大于其它3種鋰正極材料，所以磷酸鐵鋰電極是目前為止所有開(kāi)發(fā)出來(lái)的產(chǎn)業(yè)化正極材料中最穩(wěn)定和安全的[2]。

第三，電芯封裝采用鋁塑膜軟包結(jié)構(gòu)，萬(wàn)一發(fā)生短路隱患，軟包電池會(huì)鼓氣膨脹，破壞熱失控條件，而不像鋼殼或鋁殼電芯那樣發(fā)生燃燒或爆炸。

第四，保護(hù)板由國(guó)內(nèi)品牌電動(dòng)汽車用BMS供應(yīng)商設(shè)計(jì)研發(fā)，按照車用鋰電池模組的控制級(jí)別和保護(hù)策略定制。

（2）實(shí)驗(yàn)材料

磷酸鐵鋰粉末：Li，F(xiàn)e，P的質(zhì)量含量分別在4.2%～4.9%，32%～35%和18%～21%范圍，D90=15 um，振實(shí)密度≥0.8 g/ml，比表面積在（15±2） m2/g；人造石墨：灰分≤0.03%，D90=18 um，振實(shí)密度≥1.04 g/ml，比表面積在（1.4±0.1） m2/g，電化學(xué)性能≥340m Ah/g；電解液：TJ-0907CHF高溫低阻型凝膠態(tài)聚合物電解質(zhì)，密度（1.23±0.02） g/ml，電導(dǎo)率（9.1±0.5） mS/cm，HF≤15 ppm，F(xiàn)e≤1 ppm，Cl≤1 ppm；隔膜采用20 um濕法拉伸隔膜配合4 u三氧化二鋁陶瓷涂層。

涉及的其它材料為江蘇華富儲(chǔ)能新技術(shù)股份有限公司正常采購(gòu)目錄產(chǎn)品。

（3）電池制作

電芯由公司自產(chǎn)，磷酸鐵鋰正極配合電動(dòng)汽車級(jí)別人造石墨負(fù)極，采用雙油性工藝，經(jīng)涂布、高溫?zé)釅骸⒉们醒b配、注液化成等工序制作軟包結(jié)構(gòu)HF1866133LFP12.5 Ah單體鋰電芯。每只電芯進(jìn)行鋁層和極耳之間的耐壓測(cè)試，確保電芯長(zhǎng)期使用壽命。

電池制作按照16串串聯(lián)方案，可以保持和市場(chǎng)上電動(dòng)車用48 V12 Ah鉛酸電池組的互換性及充電器的通用性；采用PCB電路板、無(wú)鉛焊錫工藝先焊接主電路，再接插保護(hù)板控制電路。

電池組完成電路連接后，放入環(huán)氧或塑料殼子進(jìn)行封膠，把電池底部和極耳部分用硅膠灌封，最大程度保護(hù)電池，防止電池在強(qiáng)振動(dòng)環(huán)境中損壞，另外也可以徹底隔絕水汽，防止凝水，保障電池在冷熱交替環(huán)境中正常使用。

電池模組三視圖及尺寸如圖1所示，針對(duì)具體車型，可以定制塑料或者鈑金形式永久支撐結(jié)構(gòu)。

（4）儀器與測(cè)試

檢測(cè)儀器采用高精度BTS-xcf08（10 A/12 V-48 V）型動(dòng)力電池組綜合測(cè)試系統(tǒng)（湖北德普電氣股份有限公司）。

容量測(cè)試：25 ℃±5 ℃條件下，充滿電的鋰電池組用6 A放電至終止電壓42 V，記錄放電時(shí)間。

充電測(cè)試：25 ℃±5 ℃條件下，按設(shè)定電流充電至鋰電池組電壓上升到58.8 V，再恒壓58.8 V充電至電流下降到0.4 A停止。

100%DOD循環(huán)測(cè)試：①放電測(cè)試，按容量測(cè)試方法進(jìn)行；②充電方法，25 ℃±5 ℃條件下，按設(shè)定電流充電至鋰電池組電壓上升到58.8 V，再恒壓58.8 V充電至電流下降到0.4 A或續(xù)充3 h停止，靜置1 h；③重復(fù)步驟①②，直至放電時(shí)間連續(xù)3次低于96 min停止。

3.結(jié)果與討論

（1）安全性

第一，單體電芯按QC/T 743--2006《電動(dòng)汽車用鋰離子蓄電池》 6.2.12.4,6.2.12.6,6.2.12.7的試驗(yàn)方法，滿足5.1.11跌落、抗擠壓、抗穿刺的技術(shù)要求。

第二，磷酸鐵鋰電池組經(jīng)過(guò)充電、過(guò)放電、高溫充電、外部短路等極端條件試驗(yàn)，保護(hù)板能動(dòng)作自動(dòng)切斷電路，未發(fā)生漏液、起火和爆炸等現(xiàn)象；鋰電池組故障排除后能自動(dòng)恢復(fù)正常工作。

（2）放電特性

挑選容量相當(dāng)?shù)?8 V12 Ah鉛酸和鋰電池各1組，做6 A放電容量測(cè)試，時(shí)間-電壓曲線如圖2所示。放電過(guò)程中，經(jīng)過(guò)相同放電時(shí)間對(duì)應(yīng)的電壓，鋰電池組比鉛酸電池組高6%以上，即使相同放電Ah容量，鋰電池組比鉛酸電池組能多輸出6%以上的Wh能量，對(duì)應(yīng)行駛多6%以上的續(xù)行里程。電動(dòng)自行車用電機(jī)的電磁力矩M與蓄電池輸入電壓U的平方成正比，在相同的負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，鋰電池組輸入電源電壓高，則電磁轉(zhuǎn)矩更大，電動(dòng)自行車啟動(dòng)、爬坡顯得“有勁”[3]；同時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速也快，蓄電池組放電后期，配套鋰電池組的電動(dòng)自行車速度明顯快得多。

（3）充電特性

表1是48 V12 Ah鉛酸電池組和鐵鋰電池組分別用普通充電器充電的測(cè)試參數(shù)，鐵鋰電池組的充放電效率能達(dá)到98.01%，比鉛酸電池組高出2.4個(gè)百分點(diǎn)，具有節(jié)能降耗優(yōu)勢(shì)。

鐵鋰電池組的恒流充電比95.02%，鉛酸電池組的恒流充電比僅85.71%，一個(gè)全充電過(guò)程，鐵鋰電池組比鉛酸電池組快了1.3 h左右，對(duì)于快遞物流、外賣小哥等需要中途快充補(bǔ)電延長(zhǎng)續(xù)行里程的群體再適合不過(guò)了。當(dāng)然如果采用高功率充電器，在不影響實(shí)際使用壽命的前提下，鐵鋰電池組充電電流最大支持1 C充電，鉛酸電池組僅0.25 C，對(duì)于一個(gè)放完電的全充電過(guò)程，鐵鋰電池組1 h基本充滿了，而鉛酸電池組最少5 h以上才能充滿[4]。

圖1 電池模組三視圖

48 V12 Ah鉛酸電池組循環(huán)485次剩余容量9.66 Ah，占初始容量的72.80%；磷酸鐵鋰電池組循環(huán)510次剩余容量12.27 Ah，占初始容量的93.52%，磷酸鐵鋰電池組循環(huán)壽命比鉛酸電池組優(yōu)勢(shì)明顯，48 V12 Ah鉛酸電池組與鐵鋰電池組2hr 100%DOD循環(huán)壽命曲線如圖3所示。按照剩余容量/初始容量=70%作為循環(huán)壽命終止條件，根據(jù)循環(huán)壽命曲線走向趨勢(shì)分析，鉛酸電池組循環(huán)壽命實(shí)驗(yàn)已基本結(jié)束，而磷酸鐵鋰電池組預(yù)計(jì)循環(huán)壽命在1 500次以上。

圖2 鉛酸與鐵鋰電池組放電特性曲線

表1 鉛酸與鐵鋰電池組充電參數(shù)表

圖3 鉛酸與鐵鋰電池組2hr 100%DOD循環(huán)壽命曲線

通過(guò)建模和SEM分析法，在正常充、放電過(guò)程中，正極鋰離子在層狀結(jié)構(gòu)的負(fù)極碳材料和層狀結(jié)構(gòu)氧化物的層間來(lái)回嵌入和脫出，完成對(duì)負(fù)載的供電[5]。整個(gè)電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，化學(xué)結(jié)構(gòu)基本不變，正極磷酸根化學(xué)鍵的結(jié)合力比傳統(tǒng)的過(guò)渡金屬氧化物化學(xué)鍵強(qiáng)，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)固；負(fù)極只引起材料的層面間距變化，不破壞晶體結(jié)構(gòu)。

磷酸鐵鋰晶體中的P-O鍵穩(wěn)固，難以分解，即便在高溫或過(guò)充時(shí)也不會(huì)發(fā)生結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)，擁有較好的循環(huán)使用壽命[6]。

（5）其它特性

磷酸鐵鋰電池組對(duì)高溫的容忍性比鉛酸電池要好，可長(zhǎng)時(shí)間在70℃以內(nèi)的高溫狀態(tài)下工作而不影響電池使用壽命[7]，特別適合南方高溫環(huán)境使用，表現(xiàn)的循環(huán)壽命等電性能優(yōu)勢(shì)更加明顯。

如果需要更長(zhǎng)的續(xù)行里程，通過(guò)合理排布和布局，現(xiàn)行48 V12 Ah鉛酸電池盒可裝下48 V20 Ah磷酸鐵鋰電池組，一次充電續(xù)行里程可增加80%左右，重量不到48 V12 Ah鉛酸電池組的一半。

4.結(jié)論

早在2014年，中華人民共和國(guó)工業(yè)和信息化部就印發(fā)了推動(dòng)電動(dòng)自行車用鋰離子電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的綜合標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)體系，經(jīng)過(guò)幾年的發(fā)展，磷酸鐵鋰電池解決了在安全性、性價(jià)比、互換性和回收處理等方面的問(wèn)題，促進(jìn)了我國(guó)鋰電池電動(dòng)自行車呈現(xiàn)快速增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，特別是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的東部地區(qū)和大城市，它以輕便、環(huán)保、時(shí)尚、高科技成為最大賣點(diǎn)。電動(dòng)車行業(yè)正逐步向“鋰電化”“輕量化”“智能化”和“環(huán)保型”的方向上發(fā)展。

磷酸鐵鋰電池特有的電化學(xué)穩(wěn)定性，平穩(wěn)放電電壓平臺(tái)，快速充電接收能力，穩(wěn)固的P-O化學(xué)鍵晶體結(jié)構(gòu)，具有優(yōu)良的安全性和特別長(zhǎng)的循環(huán)使用壽命，同時(shí)，所使用的原輔材料具有無(wú)毒、無(wú)污染、可在高溫環(huán)境下使用等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)車領(lǐng)域具有較為廣闊的應(yīng)用前景。