磷酸铁锂蓄电池充电原理及特性研究

宋真玉



磷酸铁锂蓄电池充电原理及特性研究

宋真玉

（陕西工业职业技术学院汽车工程学院，陕西 咸阳 712000）

汽车工业的快速发展使得环境和能源纷纷出现危机，纯电动汽车的快速推广，也使得对性能优良的动力电池要求越来越高。文章通过对磷酸铁锂蓄电池结构和工作原理的研究，揭示其极化现象和充放电特性，为磷酸铁锂动力电池的深入研究做了铺垫，使开发性能更优良动力电池打下基础。

磷酸铁锂；动力电池；原理；放电特性

引言

随着我过汽车工业的飞速发展，随之而来的能源和环境问题也凸显开来。能源方面，化石燃料资源有限，传统燃油汽车的快速增长势必会进一步提高化石燃料的消耗速度，从而导致一系列严重问题。环境方面，碳氢化合物（HC）和氮氧化合物（NOx）等排放量越来越多，甚至在一些大型城市中，占总城市污染物排放量接近四分之一。二氧化碳（CO2）等温室气体排放严重，使得城市气温差进一步增大，极端重污染天气越来越多。

为了解决以上问题，目前世界各国都在大力发展新能源汽车。混合动力电动汽车和纯电动汽车是发展的重中之重，然而动力电池技术却是制约其发展的关键点。本文选却了当前应用范围非常广泛的磷酸铁锂动力电池为研究对象，由于磷酸铁锂电池具有非线性、离散性、复杂性等特点，通过对磷酸铁锂蓄电池的研究，揭示其结构和原理，并对电池的相关核心理论展开分析。为我国纯电动汽车动力电池的研究提供相应的理论支撑，增加动力电池的容量、延迟动力电池使用寿命，对产业发展的这重要的意义。

1 磷酸铁锂电池的原理

1.1 电池的结构

LiFePO4以磷铁锂矿的形式存于自然界，它的结构为有序的橄榄石型。

LiFePO4单格电池的结构相对比较简单。电池的中间是聚合物的隔膜，主要作用是在反应过程中让Li+可以通过隔膜而阻止电子e的通过。电池的右边是由石墨组成的电池负极，通过铜箔与电池负极相连。左边是由LiFePO4组成的电池正极，通过铝箔与电池正极相连。整个电池由外壳密封包裹起来，内部充有电解质溶液，如图1所示。

图1 磷酸铁锂电池的内部结构

1.2 电池的工作原理

磷酸铁锂电池的工作过程不同于其它材料电池，反应时非铅酸蓄电池单一化学方程式的可逆反应，而是正负极的反应两相进行。在充放电的过程中，磷酸铁锂电池正极的离子、电子得失如下：

充电：

放电：

充电时，Li+从正极脱嵌经过电解质进入负极，同时电子从外电路由正极向负极移动，以保证正负极的电荷平衡，而放电时，Li+从负极脱嵌，经过电解质嵌入正极。这样的结构使得磷酸铁锂蓄电池具有了较好的电压平台和较长的使用寿命。因此，磷酸铁锂电池在充放电过程中表现出了良好的循环稳定性，具有较长的循环寿命。

1.3 电池的充电过程分析

磷酸铁锂电池在充电过程中，电压会随时间不断地变化。以恒流法对电池进行充电，其端电压随时间的变化规律即为充电电压特性曲线，如图2所示。

整个充电过程可以分为三个阶段：

（1）高效阶段：在此阶段，电池两极的活性物质反应激烈，充电率高，接近100%。

（2）混合阶段：在此阶段，充电主反应和副反应同时进行，充电率逐步降低。当两极反应达到平衡状态时，电池趋于充满。

（3）析气阶段：此时电池已充满，剩下的只有副反应和自放电反应。

图2 横流充电时电池电压特性曲线

1.4 电池的极化现象

磷酸铁锂电池处于开路状态时，电池的电极位于平衡状态，电池两端的电动势称为平衡电动势。当电池充放电时，由于电流的经过，导致电池的电动势偏离平衡值，这种现象称之为极化（Polarization），有时也被称为过电势（Over potential）或者过电压（Over voltage）。所有蓄电池皆存在极化现象。

极化现象会对电池的充电造成严重的危害，其主要表现在以下几点：

（1）极化产生的过电势会妨碍充电电流增加，减缓电化学反应速度，延长充电时间，降低充电效率。

（2）极化会使电池电解液分解，生产大量气体，这些气体不仅会延缓电池的充电速度，还会对极板造成严重的腐蚀作用。

（3）电解液分解会产生热量，使电池温度升高。当温度升高到某一程度，会导致极板受热变形，严重时甚至会引起爆炸。

2 磷酸铁锂电池的主要性能

磷酸铁锂电池的基本性能，主要包括电池容量、内阻、SOC、OCV等，以及这些参数在不同环境温度下的变化规律。

2.1 电池的容量特性

磷酸铁锂电池的容量是指在一定的放电条件下电池可以输出的电量，它分为理论容量、实际容量和额定容量。

（1）理论容量C0

一般理论容量用此公式来计算：

（2）实际容量C

实际容量是指在一定的放电条件下，电池实际放出的电量。

恒流放电时为：

恒电阻放电时为：

式中：I为放电电阻，t为放电至终止电压时的时间。

（3）额定容量Cr

电池在设计和制造中，规定电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的电量。实际容量总是低于理论容量，所以活性物质的利用率为：

式中：m为活性物质的实际质量，m1为给出实际容量时应消耗的活性物质的质量。

另外，磷酸铁锂电池的容量对于高倍率放电具有更好的耐受性。

2.2 电池的内阻

磷酸铁锂电池的内阻可分为欧姆内阻和极化内阻，两者之和称为电池的总内阻。欧姆电阻由电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的接触电阻组成。极化电阻是指电化学反应时由极化现象而产生的电阻，包括电化学极化电阻和浓差极电阻。

电池的内阻是表征电池老化程度的重要参数，一般地，随着电池循环次数的增加，电池内阻也会相应增大。

2.3 电池的SOC

荷电状态SOC是用来描述电池剩余电量的参数，其数值上定义为电池所剩电量与电池总电量的比，即：

式中：QR为电池的剩余电量，Cf为电池以恒定电流I所能放出的电量。

当电池完全充满电的时候，SOC=1；当电池完全放完电的时候，SOC=0。

2.4 开路电压OCV

电池的开路电压（OCV）是指电池断电后电压达到的稳定值。开路电压表征了电池在某一荷电状态SOC下所对应的稳定电动势，是对电池状况有着较强描述能力的状态量。

磷酸铁锂电池开路电压 OCV 与荷电状态SOC的关系如图3所示。

图3 磷酸铁锂电池的SOC-OCV曲线

磷酸铁锂电池曲线在SOC=40%到70%的区间内，电池的OCV变化极小，而在SOC的两端区间（尤其是<20%和>80%）的区间内，OCV的变化率较大，整个磷酸铁锂的曲线呈现中间区域平坦，头尾两端陡峭的形态。

3 磷酸铁锂电池性能的影响因素

磷酸铁锂电池性能的影响因素主要包括三个方面，分别是：温度、放电倍率和充电电压。

3.1 温度对电池性能的影响

锂离子电池的工作环境温度对电池的性能有着很大的影响。

将充满电的电池分别置于不同的环境温度中放电，讨论放出的容量与环境温度的关系。

充电方法为，将电池以1/3C恒流充电至电压到达3.65V，改为恒压充电直至电流下降到1A，停止充电。放电方法为，在环境温度中充分静置，再以1/3C恒流放电直到电压下降到 2V 为止，计算放出的容量。将同一型号的6块磷酸铁锂电池分别置于-40℃、-20℃、0℃、30℃、50℃、60℃下进行充放电过程，电池放出的容量如图4所示。

图4 磷酸铁锂电池容量随温度变化的曲线

由图可知，在一定的温度范围内，电池的容量随温度的升高而指数上升。原因之一是，温度高时，电池的各类内阻较小，放电过程中其端电压比低温下的端电压更高。因此，在相同的放电截止电压（如2V）和放电电流下，温度高时电池放电持续时间更久、容量更大。

3.2 放电倍率对电池性能的影响

磷酸铁锂电池的容量随放电倍率的增大而减小，一方面是因为电池内阻的存在，当电流很大时，电池发热，温度升高，降低了电池的热稳定性，产生正反馈；另一方面是大电流放电时，电池的活性物质利用率较低，电池的极化内阻增大，极化电压增加，电池电压提前降低到放电终止电压，使电池的输出容量减小，严重时甚至会对电池的安全性产生危害。

3.3 充电电压对电池性能的影响

充电电压对磷酸铁锂电池的锂离子脱嵌过程有着重要的影响。当电池的充电电压过高的时候，电池会发生副反应并产生大量的热，这会增大电极界面的电阻，降低电池的热稳定性，减少电池的容量。此外，当电池的充电电压大于电池的充电电压上限时，电池的正极将会有过多的锂离子脱出，破坏正极结构，同时会有过多的锂离子迁移到电池的负极，不能嵌入负极的锂离子沉积在电极表面，增加了电池短路的可能性，对电池造成损害。

4 结论

本文对磷酸铁锂电池的结构和工作原理及特性进行了详细研究，得出如下结论：

（1）磷酸铁锂电池的内部结构相对简单，正极为LiFePO4、负极为石墨，中间位聚合物的隔膜，其反应过程为两相反应。并指出了电池的极化现象产生的原因和对电池充电的影响。

（2）磷酸铁锂电池主要性能指标做了详细研究，主要是蓄电池容量、内阻、SOC、OCV等。

（3）详细的分析了电池性能的影响因素，主要是温度、放电倍率和充电电压等三个方面。

通过本文的研究分析，对磷酸铁锂电池有了一个全面的掌握，为磷酸铁锂动力电池的深入研究做了铺垫，使开发性能更优良动力电池打下坚实的理论基础。

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Study on Charging Principle and Characteristics of Lithium Iron Phosphate Battery

Song Zhenyu

( College of automotive engineering, Shaanxi vocational technical college, Shaanxi Xianyang 712000 )

The rapid development of the automobile industry has led to environmental and energy crises. The rapid promotion of pure electric vehicles has also led to higher requirements for power batteries with good performance. Through the study of the structure and working principle of the lithium iron phosphate battery, the polarization phenomenon and charge-discharge characteristics of the lithium iron phosphate battery are revealed, which lays a foundation for the in-depth study of the lithium iron phosphate battery and lays a foundation for the development of the battery with better performance.

lithium iron phosphate; Power battery; The principle; Discharge characteristic

U469

A

1671-7988(2018)21-16-04

U469

A

1671-7988(2018)21-16-04

宋真玉（1987-），男，硕士，讲师，主要从事汽车运用、汽车新能源等方面的研究。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.21.006