卧龙电气大容量锂离子电池（LFP）在通信和储能中的应用

王秀利

（卧龙电气集团锂电池事业部）

随着社会经济的发展，各行各业对通讯服务的需求不断上升，为了保障通讯系统的正常运行，作为备用电源的蓄电池受到了广泛关注。

随着电池技术研究的不断深入，各种新型化学电源不断出现，特别是上世纪90年代发展起来的锂电池。以其优越的性能，带来了一场电池技术革命。随着锂电池技术不断进步和市场的强劲需求，锂电池在不同行业得到越来越广泛的应用。近年来，国内有些锂电池厂尝试开发大容量锂电池，并应用在通讯行业的备用电源系统。

综观通信市场，截至2010年底，通信基站数量超过120万个，经过多年的使用、老化，基站现行使用的铅酸电池已经进入了一个更换和淘汰期。根据国家的节能减排政策以及锂电池技术的成熟和广泛应用情况，长效、安全、环保、节能的新型锂电池替代传统的铅酸电池势在必行。

随着通信系统在社会生活各个方面的作用越来越重要，以及近几年来铅酸电池在使用中出现的问题，电信运营商对电池的要求越来越高。重点关注的是电池的安全性、可靠性和长寿命。因此电信系统蓄电池的下一步发展方向将是：提高安全性，可靠性；提高浮充电和循环寿命。

卧龙磷酸铁锂电池应用于通信行业有如下优势。

1 产品种类丰富

形成三大系列，几十种产品。广泛应用在户外型基站；村通等无空调的基站；空间紧张的室内宏基站；直流供电的室内覆盖／分布式信源站；无市电或三四类市电地区的太阳能光伏基站；直流供电方案的WLAN站点等（见表1～表3）。

2 卧龙产品的技术性能优势

优异的耐高温性能可成倍增加户外站电池的寿命，降低维护及更换电池费用，提供系统可靠性；此外在有空调的基站中，可以尝试将空调设置为35度时启动，能有效降低基站平均电耗，“节能”优势更加明显。磷酸铁锂电池更耐高温，电热峰值可达350℃到500℃，在实际应用中，可以取消电池恒温箱的使用。锂离子电池在高温下的容量衰减较常温下快，高温条件下若电池的放热速度大于散热速度，会引起电解液的阳极氧化以及电解液、阳极活性物质、阴极活性物质、粘结剂的热力学分解等问题；而低温条件下，由于锂离子的沉积速度有可能大于嵌入速度，从而导致金属锂沉积在电极表面，容易产生锂枝晶，而发生安全问题，公司产品通过测试对比，高温循环性能优异，60℃环境下1C5循环100次容量保持97.5%以上（见表4）。

表1 通讯用后备式锂电池系统 （直流系列）

表2 通讯用后备式锂电池系统 （交流系列）

表3 通讯用后备式锂电池系统（UPS系列）

表4 几种产品循环100次容量保持率对比

同时，在磷酸铁锂添加20%磷酸钒锂，混合材料的大电流及低温放电性能优异（见图1、图2）。

在高倍率（1500 mA／g）下，由于磷酸钒锂的加入，电池材料的放电性能提高29%。

图1 组装电池在不同放电倍率下的放电曲线

图2 组装电池在不同温度下的充、放电曲线

在－30oC，添加磷酸钒锂的混合材料的放电容量为71 mAh／g，比磷酸铁锂放电容量高21 mAh／g。

（1）锂离子电池设计与开发

优化锂离子电池正极和负极配方体系，研究正、负极材料，隔膜和电解液之间的匹配性；采用高速和膏机，研究浆料配比、和浆工艺、涂布方式及其工艺参数对电池的安全性、使用寿命和一致性的影响；对隔膜和集流体采用预处理；并采用喷涂设备，优选粘结剂，提高活性物质与集流体结合力；依据单体电池热失控分析和内阻测试，优化电池结构。

通过对极耳、极柱及二者连接方式的计算设计，得到最有利于电流通过的结构，以将电池内部的接触电阻降低至最小；通过对电池内部极片结构、电芯组装方式的计算设计，优化电池内部结构，提高电池体积比能量，保证电流在极片上均匀分布，得到在大倍率放电时，温升稳定、分布均匀的结构形式，提高电池的安全性及使用寿命。采用“Z”型层叠制造工艺，极群方式是多极结构，电流密度分布上更均匀，制成电池阻抗小，适合大容量电池制作，提高了电池电化学性能（见图3）。

图3 “Z”型层叠工艺示意图

图4 单体电池实物图

（2）电池的模块化设计

研究单体电池曲线拟合分选技术；通过优化结构设计并优选组装材质，实现电池模块轻量化设计；对电池模块的安全性及能量密度、功率密度和循环寿命进行评价；在模拟工况（电动车频繁启动、加速或刹车等暂态条件）下，研究电池系统的循环寿命，研究电池模块在高、低温条件下的循环性能和失效机制，从而提高电池的使用寿命；研究长期储存对电池性能的影响，抑制储存期间电池性能的衰减；对电池模块进行可靠性验证及评价。

模块式产品，单体电池产品主体以IFP1090140（10 Ah）磷酸铁锂锂离子电池为主，通过并联增容，串联增压模式来组合各系列产品（见图4）。

电池组组合的方式采用卧龙专利技术来进行。该专 利 已 受 理 及 授 权，专 利 号：201020526753.3；201010279805.6。该组合方式有效地保护电池免受损伤，避免外部震动、划伤；电池组的极耳采用搭接和焊接相结合的连接方式，提高组合可靠性，且方便装配或拆分，便于不良电池的更换；充分考虑电池膨胀因素，组装架的厚度高于电池厚度的10～20%，消除单体电池间在充放电过程中的内部应力，利于延长产品的寿命；组装架采用绝缘的树脂或塑料材料，保证了PACK组的绝缘性，提高了PACK组的安全性（见图5）。

图5 电池组组合方式示意图

（3）研究电池系统的管理系统

研究电池系统温度场分布规律，优化电池系统热交换设计；研究壳体结构和材料，优化保护电路及布线工艺设计，提高系统电安全及电磁兼容性；建立SOC（荷电状态）、SOH（恶化程度）模型并试验校证，提高SOC、SOH估算精度，研究充放电大电流无损均衡充放电控制技术；研究电池系统的加速寿命预测并试验校证。将SOC的计算精度提高到7%；可实现28 A大电流无损均衡，降低电池组差异性，延长电池组使用寿命。

电信运营商所需的通信设备趋向于集成化、小型化、轻型化。即在有限的空间内安装更多的业务设备。对其使用温度范围、比能量、寿命等提出了更高的要求。近年来，电信运营商和网络设备供应商正逐步或已经开始寻求并研究新型备电解决方案。锂离子电池因其自身的技术特点，具有高容量、高电压、无污染等优点而备受人们的广泛关注，发展势头迅猛，是未来中小型后备电源、恶劣环境等条件下后备电源技术的发展趋势，会逐渐成为高要求后备电源解决方案的首选。通信市场平均每年新增投资2500亿，基站用蓄电池约占总投资的3%。在未来三年随着锂电池的批量生产和工艺的改善，产品价格将会得到大幅度的下降，锂电池市场部分取代现有的铅酸电池市场是一个大势所趋，锂电池将进入一个大规模的市场应用时代。