磷酸铁锂锂离子电池自放电筛选方法
2015-01-16段松华贾清容刘新军
段松华，贾清容，代 彬，刘新军
(四川长虹电源有限责任公司，四川绵阳 621000)
材料本身及制造工艺的原因，导致磷酸铁锂(LiFePO4)锂离子电池的自放电率较高［1］。P.Arorat等［2］研究认为:在常温下，月自放电率小于3%的锂离子电池，循环寿命与自放电无关，此时的容量损失可以通过重新充放电来弥补;但当月自放电率大于3%时，容量为不可逆损失，会影响电池的循环寿命。
用于成组的单体电池，要具备较小的自放电性能［3］。在实际生产中，采取的自放电筛选方法是搁置一段时间后全检容量的保持率和恢复率。该方法需要较多的人力、电力，不但增加了单体电池的生产成本，而且延长了单体电池的生产周期。
本文作者通过研究单体LiFePO4锂离子电池在0%荷电状态(SOC)储存时开路电压与自放电的变化关系，对电池进行自放电筛选。
1 实验
1.1 实验对象
从同一批次的IFP11200328软包装单体电池(本公司产)、IFP40115150软包装单体电池(南京产)与IFP12115230软包装单体电池(苏州产)中，各挑选200只。电池的正极材料均为磷酸铁锂，负极材料均为人造石墨。
从每种型号的电池中，挑选9只容量偏差不超过整批平均容量±3%、内阻偏差不超过整批平均内阻±3%的单体电池，进行实验。
以满容量搁置30 d，其中4只单体电池的容量损失率［按式(1)计算］不低于3%，另外5只单体电池低于3%。各种型号单体电池的主要性能参数见表1，各实验单体电池的基本性能参数见表2。
表1 实验单体电池的主要材料参数Table 1 The main material parameters of the experimental batteries
表2 实验单体电池的基本性能参数Table 2 The basic performance parameters of the experimental batteries
1.2 实验方法
用BTS6010c8型电池测试系统(浙江产)将单体电池以0.10 C恒流放电至2.5 V，静置10 min，以0.05 C恒流充电至3.0 V，在常温(25±2℃)下搁置7 d，每天用VC 97万用表(深圳产)测量各单体电池的开路电压，用3554内阻测试仪(日本产)进行内阻测试。
2 结果与讨论
2.1 0%SOC搁置开路电压测试结果
单体电池0%SOC常温搁置7 d，开路电压测试的结果列于表3。从第2天开始，开路电压与前一天的差值ΔOCU见图3。
表3 单体电池0%SOC搁置7 d的开路电压测试结果Table 3 OCV test results of the batteries during 7 d 0%SOC shelf
图1 单体电池0%SOC搁置7 d的开路电压变化Fig.1 OCV changes of the batteries during 7 d 0%SOC shelf
结合表2的测试数据，由图1a可知，IFP11200328单体电池在0%SOC状态常温搁置7 d，月自放电率大于3%的1号、2号、3号及4号，开路电压呈下降趋势，其余月自放电率小于3%的则呈上升趋势。进一步测试IFP40115150单体电池的开路电压变化，同样发现，月自放电率大于3%的1号、2号、3号和4号，开路电压呈下降趋势，其余月自放电率小于3%的则呈上升趋势。由此可知，通过该规律可迅速筛选出月自放电率大于3%的磷酸铁锂单体电池。为了进一步证实上述规律的准确性，测试IFP12115230单体电池，发现月自放电率大于3%的1号、2号、3号和4号，开路电压呈下降趋势，月自放电率小于3%的则呈上升趋势。
2.2 对单体电池自放电率进一步分类
各单体电池0%SOC搁置时开路电压变化率R［计算公式见式(2)］与自放电率之间的关系见图2。
式(2)中:U7和U2分别为第7天和第2天的开路电压。
图2 单体电池在0%SOC下月自放电率与开路电压变化率的关系Fig.2 Relation between the monthly self-discharge rate and OCV change rate of the batteries in 0%SOC
从图2可知，当0 mV/d＜R＜3 mV/d时，单体电池的月自放电率为2% ～3%，当R＞3 mV/d时小于2%，根据此规律，可迅速对单体电池进行筛选、配组。当R＜0 mV/d时，单体电池的月自放电率大于3%，其中，当R＜－4 mV/d时可达6%以上，此类单体电池不建议在实际中应用。
3 结论
通过对不同厂家同一批次生产的软包装磷酸铁锂单体锂离子电池进行自放电筛选方法研究，发现:
磷酸铁锂单体锂离子电池在完全放电后，常温下较长时间内电压的变化较明显，可利用单体电池在0%SOC下开路电压的变化规律进行自放电筛选。在0%SOC下搁置7 d，第7 d开路电压低于第2 d的电池，月自放电率大于3%，第7 d开路电压高于第2 d的电池，月自放电率小于3%。
根据电压变化率，可直观地将自放电率较大的单体电池剔除，同时对自放电率小于3%单体电池作进一步分类，有利于提升模组中单体电池在配组中的一致性。该方法的周期较短，一般为7 d左右，可以节省人力、物力等成本，缩短筛选时间。
［1］GUI Chang-qing(桂长清).温度对LiFePO4锂离子动力电池的影响［J］.Battery Bimonthly(电池)，2009，39(1):34－35.
［2］Pankaj A，Ralph E W，Marc D.Capacity fade mechanisms and side reactions in lithium-ion batteries［J］.J Electrochem Soc，1998，145(10):3 647－3 667.
［3］SONG Xiao-na(宋晓娜).锂离子电池自放电的研究［J］.Dianchi Gongye(电池工业)，2013，18(1 －2):40－50.
