磷酸鐵鋰單體電芯容量篩選方法的研究

王琳霞，尚隨軍，鄭榮鵬

（比克國際（天津）有限公司，天津 300402）

21世紀，全球能源問題引起了世界各國的高度重視，為此，展開了新的儲能電池、電池材料的開發與研究，用火力、太陽能、水力、風力發電代替汽油、天然氣成為各國研究的焦點。據統計，城市中約60%的CO，50%的NOx及30%的碳氫化合物是由傳統汽油車尾氣排放所致。環境問題已嚴重危害著人類的健康，改善環境工作的任務迫在眉睫。

在世界范圍內，由于競相開發不同類型的電動車，對車用動力電源系統的需求與日劇增。2007年以來，我國也制定了十城千輛的發展計劃，并將LiFePO4動力電池列為“863”重點計劃，這些計劃的實施將對LiFePO4電池在電動車上的應用起到極大的推動作用。眾所周知，LiFePO4材料以其高穩定性、高安全性，解決了其他電池在電動車上應用所存在的安全與壽命問題。因此，發展完善的LiFePO4動力電池系統，將是推動電動車事業發展的關鍵，并將會成為電動車的主流動力[1]。但動力電池系統需將多節單體電芯串并聯組合使用，而磷酸鐵鋰電芯容量對溫度的敏感性很高。鑒于環境溫度的不穩定，在根本原因沒有得到解決之前，急需尋找一種可靠、可控的有效方法對電芯進行分容，以確保電芯分容工序的正常生產，并保證配組電芯容量的一致性。

本文通過一系列磷酸鐵鋰電芯容量對溫度的敏感性的測試，并通過采用系數法、線性法及求等值平均電壓的方法確定了篩選單體電芯容量的生產標準。

1 實驗

1.1 主要材料

正極材料：磷酸鐵鋰、導電劑、粘結劑、溶劑；負極材料：石墨（MBG）、導電劑、粘結劑、添加劑、溶劑；隔膜：PP-PE；電解液：FERRO。

1.2 電極的制備

將磷酸鐵鋰、導電劑、粘結劑、溶劑按所需比例混合，利用專用攪拌機攪拌成均勻漿料，采用精密涂布機單雙面涂布在鋁箔上。涂布的電極經干燥、輥壓裁剪、焊鋁極耳、制成正極。采用與正極相同的工藝制備負極，負極活性物質為石墨，集流體為銅箔，負極用銅極耳。

1.3 標稱容量為2700 mAh圓柱型鋰離子單體電芯的制作

采用自動卷繞機將正極、隔膜和負極按一定長度尺寸卷繞成標稱容量為2700 mAh的圓柱型電芯，電芯裝入鋁殼，經真空干燥后加注電解液靜置8～24 h后進行預充，預充后的電芯老化14 d后進行后續實驗。

2 測試與結論

2.1 磷酸鐵鋰電芯容量隨溫度的敏感性實驗

實驗步驟：

電芯標稱容量：2700 mAh。取不同批次的電芯500只分別進行實驗，實驗從18～46℃，每2℃為一個梯度。測試之前先將恒溫箱溫度調到所用的溫度，電芯在相應的溫度下先靜置4 h之后按照分容工步 (0.5 C充電至100%SOC，0.5 C放電至2.0 V)進行測試，結果如圖1所示。

由圖1我們可以看出，用磷酸鐵鋰做的鋰離子電芯容量對溫度很敏感，分析如下。

由圖2分析：溫度在25℃左右時分容，溫度每變化2℃，容量變化約34 mAh，而在32～46℃時，容量較為穩定，溫度每變化2℃，容量變化約10 mAh左右。考慮到測試柜在高于40℃條件下電子原器件會測試不準確，若采用夾具和控制分離的辦法會需要大量的數據線，再從可控角度和人體所能接受的程度考慮，電芯分容溫度定在（35±2）℃這個區間比較合理。

2.2 磷酸鐵鋰電芯35℃放電容量和25℃放電容量的關系實驗

考慮到電芯后續的使用測試等情況一般均在(25±2)℃下進行，但35℃分容的電芯容量遠遠大于25℃時分容的容量，所以出貨電芯的容量需要進一步擬合為25℃的容量才能以準確的電芯容量進行出貨或配組。

2.2.1 系數法

取不同批次的電芯500只，先以(35±2)℃的高溫按照分容工步進行分容，記錄每個電芯對應的高溫分容的容量，然后將電芯進行(25±2)℃常溫分容，也按照分容工步進行分容，同時記錄每個電芯對應的(25±2)℃分容的容量，然后匯總35℃和25℃的容量，計算出每個電芯的常溫（25℃）校正系數 ηn（其中 n 代表電芯的順序號，如：1、2、3、4…50…）。ηn的計算公式為：ηn=第n個電芯對應的25℃分容容量/第n個電芯對應的35℃分容容量。計算出所有的ηn后，去掉ηn中的兩個最高值（如有特殊情況，再視情況進行刪除），然后求平均值得到電芯的常溫校正系數η，η約等于0.9512。（注：ηn及η保留四位小數）

2.2.2 35℃容量與25℃容量的線性關系法

y=ax+b

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

由2.2.1的分容數據可得圖3。

由圖 3得出 a=1.0372；b=－250.65；即 y=1.0372 x－250.65。由此公式即可計算35℃分容時的容量對應的25℃的容量。

2.2.3 等值平均電壓法

取用2.2.1的數據，用25℃實際放電容量的容量值，對應查找出電芯在35℃處于這個容量值時的電壓值，然后求這些電壓值的平均值，平均值約等于2.5 V。這個平均值即為通用的確定25℃容量的方法。

由以上三種方法，用35℃的容量修正為25℃的容量數據，然后和實際測試的25℃數據計算差值作圖4(差值=25℃實際放電容量－35℃修正成的25℃容量）。

由圖4可以看出，方法2.2.3等值平均電壓法差值最小，最接近真實值。

2.3 結論

綜合以上實驗結果，電芯在(35±2)℃的環境溫度下分容，可以保證挑選電池容量的一致性，而且生產容易操作和控制；擬合25℃的容量時采用等值平均電壓法最接近真實值也易于操作，系數法和線性關系法不僅誤差大而且用于生產不易操作。所以我們選擇生產分容時電芯在(35±2)℃，分容工步(0.5 C充電至100%SOC，0.5 C放電至2.5 V)下進行，這樣既保證了電芯分容容量的一致性也保證了電芯在常溫下容量的正確性。

3 結束語

鋰離子電池在國內外均已大批量生產，性能也在不斷提高，電池組的應用領域逐漸擴大。但電池組中單體電池性能的優劣決定著電池組性能的好壞。目前鋰離子電池的一致性問題仍然是一個難題，單體電池的嚴格篩選是組裝電池組的一個關鍵環節，建立簡單有效的篩選標準對提高電池組性能、提高生產效率、降低成本有重要意義[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]楊固長,崔益秀,周建銀.鋰離子單體電池篩選方法的研究[J].電池工業,2009,4(3):152-154.