磷酸铁锂单体电芯容量筛选方法的研究

王琳霞，尚随军，郑荣鹏

（比克国际（天津）有限公司，天津 300402）

21世纪，全球能源问题引起了世界各国的高度重视，为此，展开了新的储能电池、电池材料的开发与研究，用火力、太阳能、水力、风力发电代替汽油、天然气成为各国研究的焦点。据统计，城市中约60%的CO，50%的NOx及30%的碳氢化合物是由传统汽油车尾气排放所致。环境问题已严重危害着人类的健康，改善环境工作的任务迫在眉睫。

在世界范围内，由于竞相开发不同类型的电动车，对车用动力电源系统的需求与日剧增。2007年以来，我国也制定了十城千辆的发展计划，并将LiFePO4动力电池列为“863”重点计划，这些计划的实施将对LiFePO4电池在电动车上的应用起到极大的推动作用。众所周知，LiFePO4材料以其高稳定性、高安全性，解决了其他电池在电动车上应用所存在的安全与寿命问题。因此，发展完善的LiFePO4动力电池系统，将是推动电动车事业发展的关键，并将会成为电动车的主流动力[1]。但动力电池系统需将多节单体电芯串并联组合使用，而磷酸铁锂电芯容量对温度的敏感性很高。鉴于环境温度的不稳定，在根本原因没有得到解决之前，急需寻找一种可靠、可控的有效方法对电芯进行分容，以确保电芯分容工序的正常生产，并保证配组电芯容量的一致性。

本文通过一系列磷酸铁锂电芯容量对温度的敏感性的测试，并通过采用系数法、线性法及求等值平均电压的方法确定了筛选单体电芯容量的生产标准。

1 实验

1.1 主要材料

正极材料：磷酸铁锂、导电剂、粘结剂、溶剂；负极材料：石墨（MBG）、导电剂、粘结剂、添加剂、溶剂；隔膜：PP-PE；电解液：FERRO。

1.2 电极的制备

将磷酸铁锂、导电剂、粘结剂、溶剂按所需比例混合，利用专用搅拌机搅拌成均匀浆料，采用精密涂布机单双面涂布在铝箔上。涂布的电极经干燥、辊压裁剪、焊铝极耳、制成正极。采用与正极相同的工艺制备负极，负极活性物质为石墨，集流体为铜箔，负极用铜极耳。

1.3 标称容量为2700 mAh圆柱型锂离子单体电芯的制作

采用自动卷绕机将正极、隔膜和负极按一定长度尺寸卷绕成标称容量为2700 mAh的圆柱型电芯，电芯装入铝壳，经真空干燥后加注电解液静置8～24 h后进行预充，预充后的电芯老化14 d后进行后续实验。

2 测试与结论

2.1 磷酸铁锂电芯容量随温度的敏感性实验

实验步骤：

电芯标称容量：2700 mAh。取不同批次的电芯500只分别进行实验，实验从18～46℃，每2℃为一个梯度。测试之前先将恒温箱温度调到所用的温度，电芯在相应的温度下先静置4 h之后按照分容工步 (0.5 C充电至100%SOC，0.5 C放电至2.0 V)进行测试，结果如图1所示。

由图1我们可以看出，用磷酸铁锂做的锂离子电芯容量对温度很敏感，分析如下。

由图2分析：温度在25℃左右时分容，温度每变化2℃，容量变化约34 mAh，而在32～46℃时，容量较为稳定，温度每变化2℃，容量变化约10 mAh左右。考虑到测试柜在高于40℃条件下电子原器件会测试不准确，若采用夹具和控制分离的办法会需要大量的数据线，再从可控角度和人体所能接受的程度考虑，电芯分容温度定在（35±2）℃这个区间比较合理。

2.2 磷酸铁锂电芯35℃放电容量和25℃放电容量的关系实验

考虑到电芯后续的使用测试等情况一般均在(25±2)℃下进行，但35℃分容的电芯容量远远大于25℃时分容的容量，所以出货电芯的容量需要进一步拟合为25℃的容量才能以准确的电芯容量进行出货或配组。

2.2.1 系数法

取不同批次的电芯500只，先以(35±2)℃的高温按照分容工步进行分容，记录每个电芯对应的高温分容的容量，然后将电芯进行(25±2)℃常温分容，也按照分容工步进行分容，同时记录每个电芯对应的(25±2)℃分容的容量，然后汇总35℃和25℃的容量，计算出每个电芯的常温（25℃）校正系数 ηn（其中 n 代表电芯的顺序号，如：1、2、3、4…50…）。ηn的计算公式为：ηn=第n个电芯对应的25℃分容容量/第n个电芯对应的35℃分容容量。计算出所有的ηn后，去掉ηn中的两个最高值（如有特殊情况，再视情况进行删除），然后求平均值得到电芯的常温校正系数η，η约等于0.9512。（注：ηn及η保留四位小数）

2.2.2 35℃容量与25℃容量的线性关系法

y=ax+b

式中：y表示25℃温度下的分容容量；x表示35℃温度下的分容容量；a代表斜率；b代表截距。

由2.2.1的分容数据可得图3。

由图 3得出 a=1.0372；b=－250.65；即 y=1.0372 x－250.65。由此公式即可计算35℃分容时的容量对应的25℃的容量。

2.2.3 等值平均电压法

取用2.2.1的数据，用25℃实际放电容量的容量值，对应查找出电芯在35℃处于这个容量值时的电压值，然后求这些电压值的平均值，平均值约等于2.5 V。这个平均值即为通用的确定25℃容量的方法。

由以上三种方法，用35℃的容量修正为25℃的容量数据，然后和实际测试的25℃数据计算差值作图4(差值=25℃实际放电容量－35℃修正成的25℃容量）。

由图4可以看出，方法2.2.3等值平均电压法差值最小，最接近真实值。

2.3 结论

综合以上实验结果，电芯在(35±2)℃的环境温度下分容，可以保证挑选电池容量的一致性，而且生产容易操作和控制；拟合25℃的容量时采用等值平均电压法最接近真实值也易于操作，系数法和线性关系法不仅误差大而且用于生产不易操作。所以我们选择生产分容时电芯在(35±2)℃，分容工步(0.5 C充电至100%SOC，0.5 C放电至2.5 V)下进行，这样既保证了电芯分容容量的一致性也保证了电芯在常温下容量的正确性。

3 结束语

锂离子电池在国内外均已大批量生产，性能也在不断提高，电池组的应用领域逐渐扩大。但电池组中单体电池性能的优劣决定着电池组性能的好坏。目前锂离子电池的一致性问题仍然是一个难题，单体电池的严格筛选是组装电池组的一个关键环节，建立简单有效的筛选标准对提高电池组性能、提高生产效率、降低成本有重要意义[2]。

[1]HUANG B,COOK C C,MUI S,et al.High energy density,thin-film,rechargeable lithium batteries for marine field operations[J].Journal of Power Sources,2001（97/98）:674-676.

[2]杨固长,崔益秀,周建银.锂离子单体电池筛选方法的研究[J].电池工业,2009,4(3):152-154.