高功率型磷酸铁锂动力电池的研制

龙绘锦

[摘 要]随着我国新能源汽车产业发展的不断推进，高功率型磷酸铁锂动力电池的应用范围也在不断扩大，其在满足动力汽车安全运行的同时，也实现了社会工业的低碳经济、循环经济发展目标。所以，要想使该动力电池技术得到更好的提升，就要对其整体设计和制造工艺进行深入的研究。

[关键词]高功率型磷酸铁锂；动力电池；研究分析

中图分类号：S383 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）24-0278-02

高功率型磷酸铁锂电池的主要制作材料主要以正极材料为主（LiFePO4），其不仅具有高效的循环使用寿命和热稳定性能，而且生产资源也是十分丰富，在经济层面和环保层面上，也有着一定的应用优势。现阶段，我国国产混合动力汽车，都是依托高功率型磷酸铁锂电池，才能实现安全平稳的运行。但是在实际应用时，也会存有很多不完善的地方，所以，为了促进该电池得到更长远的发展，本文也会对其整体研制过程进行全面的分析，进以根据分析结果，提出一些可行性的优化措施，以便为有关单位作为参考。

1.锂离子电池工作原理和组成结构

1.1 工作原理

众所周知，电池可以分为一次电池和二次电池两种类型，其中，一次电池的特性是在电量使用完毕后，无法通过再充电进行恢复；而二次电池则具有较强的循环使用功能，其在一次放电完毕后，还可以进行反复的充电、放电，使用寿命十分长远。现阶段，二次电池的应用范围较为突出，其生产类型也是多种多样，常见的有：铅酸电池、镍福电池、镍氢电池和锂离子电池等。在这些电池中，尤以锂离子电池最受欢迎，已成为全世界公认的综合性能最优异的二次电池体系。

1.2 组成结构

锂离子电池的组成结构十分复杂，主要包括：正极、负极、隔膜、电解液和电池外壳等构造，其生产类型一般可分为LIB液态锂离子电池及PLIB聚合物锂离子电池两种形式，两者的差异主要是电解质不一样，但工作原理却是基本相同，如图1所示。

锂离子电池的正极是由多种锂化合物活性材料所构成，如：LiCo02、LiMn204、LiFeP04等材料；负极则是由炭系材料天然石墨或人造石墨等活性物質所组成；电解质则主要以溶解LiPF6等锂盐的有机电解液为主，其工作原理属于名副其实的浓度差锂离子电池。

锂离子电池在实际充电时，Li+会从正极材料中脱离出来，经过电解液和隔膜直接迁移到负极材料中，进而使电池负极处于富锂态、正极处于贫锂态，这样电子的补偿电荷就会通过外电路提供给电池负极，使其保持良好的充电效果。相对，电池的放电程序，则是Li+从负极材料中脱离出来，经过电解液和隔膜直接迁移到正极材料中，进以使电池正极处于富锂态、负极处于贫锂态，这样电子的补偿电荷就会通过外电路提供给电池正极，使其放电效率得到有效的延缓。

由此可见，无论锂电池充电还是放电，其中内含的Li+都会从正负极活性材料中脱离出来，且不会对材料晶体结构造成任何破坏。同时，也不会产生任何金属锂的沉积，可以始终保持良好的循环性能和安全性能，从化学角度来看，这种电池的工作原理属于较为理想的可逆性电化学反应，因此，适宜于在动力汽车控制系统中大力采用。

2.锂电池的组装流程及化学性能

2.1 组装流程

高功率磷酸铁锂动力电池，也可称为LiFeP04动力电池，其具体组装流程如图2所示，主要是先组装正负极片的检片、焊极耳和吸尘，然后再组装正负极片和隔膜，并严格按照相应的操作规范和组装要求，来合理设置卷绕成卷芯，在其冲压装壳后，还要对正负极和盖帽进行紧密的焊接。最后，要对电池进行脱气处理，在处理完毕后向其内部注入适宜的电解液，封盖后放置在干燥通风的储存环境中搁置。

2.2 化学性能

2.2.1 恒流充放电性能

高功率磷酸铁锂动力电池的恒流充放电性能，应采用BTS-5V400A

电池综合性能检测仪来进行检测，正常情况下，其标准值为2.50-3.65V，温度值为20℃±50℃。

2.2.2 循环伏安性能

循环伏安法性能的检测，是将对称三角波扫描电压加在固定面积的工作电极和参比电极之间，然后根据电压和电流关系曲线图上的波形、氧化还原峰电位和氧化还原峰电流的数值及其比值等，推断出电极反应机理和循环伏安性能。一般情况下，锂电池正极材料的电压测试范围为2.3-4.2V。

2.2.3 交流阻抗性能

锂电池交流阻抗性能测试，主要是将不同小振幅频率的交流正弦电势波施加到电化学系统上，然后通过测量电流信号与交流电势之间的比值，来分析正弦波频率的变化规律，这样根据电池等效电路的构成和各元件大小，就可推测出电池的具体交流阻抗性能。

3.锂电池的关键制备技术

3.1 电极及电池设计

一般情况下，高功率单体动力电池只有在达到一定容量的基础上，才能发挥出高倍率放电功能，而为了避免单体电池在串并联后会发生离散现象，在对其电极及电池进行设计时，应采用以下几种工艺技术：

第一，正极活性材料要以LiZr0.03Fe0.94P04/C为主，负极活性材料以中间相炭微球材料为主。

第二，为了控制大电流充放电时负极影响大于正极影响的情况发生，应采用双面粗糙度相同的铜箔，来进行电池浆料涂布、碾压及分条工序，以便可以最大化提升锂电池的抗张力和抗断裂性能。

第三，涂布后活性物质时，为了使基体铜箔和铝箔的附着力得到最大化增强，应尽采用大分子量的粘结剂，这样才能延长电池的大电流充放电时间，避免其在充放电循环后出现极片掉料的情况。

第四，为了提升锂电池的导电性，要采用Ks6和鳞片石墨以质量比1：1混合而成的导电剂，这样才能降低电池充放电过程中的欧姆极化，增强Ks6和鳞片石墨颗粒间的接触，使电池的导电性达到最高标准。

第五，要在电池內部设置安全笼装置，进以减少电池内部短路现象，提升其池散热性能。

3.2 电池循环寿命设计

只有具备一定的使用寿命，才能发挥出动力电池的应用性能，按照国家相应的锂离子电池性能测试规范要求，在设计电池循环寿命时，应对其进行相应的测试，测试条件必须在20℃±2℃以下的环境中来进行，且先将0.3C电流恒流充电至4.2V，然后再将其转为恒压充电至0.1C，最后再将0.3C放电至终止电压3.0V，并在放电完毕后搁置0.5h，这样就完成了电池的一次循环，按照该循环方式，直至电池放电容量小于额定容量的80%，才算电池的整个循环寿命。

3.3 电池安全性能测试

结合国家相应的锂离子电池性能测试规范要求，对锂电池进行了短路、挤压、针刺等试验，试验结果表明，当电池充电20℃±50℃以下时，且搁置1h后，电池经外部短路会持续10min，外部线路电阻也会低于10mΩ，这种情况下不会发生爆炸、起火等不良事故，证明锂电池的抗短路性能十分良好。

当对电池外表面进行极板垂直方向施压时，即使电池壳体出现破裂，内部发生短路，其也不会发生爆炸、起火等不良事故，证明锂电池的抗挤压性能十分良好。

当电池充电20℃±50℃以下时，且搁置1h后，用直径小于4mm的钢钉从电池极板方向进行迅速的垂直贯穿，其不会出现起火、爆炸等严重问题，证明锂电池的抗针刺性能十分突出。

此外，据一系列相关试验，可以看出，除了上述几种应用性能良好，锂电池的抗加热、过充、过放、跌落等能力也是符合相应的设计标准。

结束语

综上所述，高功率型磷酸铁锂电池，具有十分显著的应用优势，其不仅符合我国新能源汽车产业发展需求，而且对于社会经济的持续增长也有着很大的影响，相信随着锂电池工艺技术的不断完善，高功率型型磷酸铁锂电池的应用性能也会更加丰富、实用。

参考文献

[1] 吴宇平.锂离子电池的应用与实践[J]化学工业出版社，2017，02：33-34.

[2] 李馄.中等功率型铿离了蓄电池的研究[J]电源技术，2017，02：30-31.

[3] 付文莉.铿离子电池电极材料的研究进展[J]电源技术，2017，02：32-33.