通信行業動力鋰電池應用研究

李月奎，高彬杰，李 巖

（中國鐵塔股份有限公司安徽省分公司，安徽 亳州 230088）

0 引 言

鋰電池是指以鋰元素或鋰合金為負極物質，使用非水電解質溶液的一次動力電池。鋰元素的化學特征活躍，其生產、儲存和應用對環境要求特別嚴格，因此鋰離子電池最初并未能得到廣泛應用。隨著20世紀末微電子科技的發展，先進儀器越來越多，社會對能源的需求越來越大，鎳氫電池逐漸進入廣泛實用階段。

1 鋰電池簡介

1.1 分 類

鋰離子動力電池是指電化學傳感器系統中含有鋰的動力電池。鋰電池大致可分為鋰金屬材料動力電池和鋰離子脫嵌動力電池兩類。鋰金屬材料動力電池通常是指以二氧化錳為電源材料、以金屬鋰或其他合金元素為負極材料以及使用無水或酸性電解質溶液的電池。鋰金屬電池通常是非充電的，包括金屬狀態的鋰。盡管鋰金屬材料電池的能量密度很高，理論上可以達到3 860 Wh/kg，但是由于鋰元素特性不穩定，所以不能成為再次循環利用的動能燃料電池。鋰離子電池具備多次填充能力，因此作為重要的動力電池獲得了迅速發展。它組合了各種金屬元素，形成的正極材料在各方面特性差異較大，加劇了行業對正極材料發展路線的爭議。

鋰離子電池是二次電池（充電電池），主要通過鋰離子在電池正負極材料內部往復嵌脫進行能量的儲存和釋放。通常使用鋰合金金屬氧化物作為電源材質，以石墨為負極材質，使用非水電解質的電池。但是，鋰離子動力電池不含有各種金屬形態的鋰，所以可以充電。鋰離子電池目前主要分為液態鋰離子電池（Liquified Lithium-Ion Battery，LIB）和聚合物鋰離子電池（Polymer Lithium-Ion Battery，PLB）兩種[1]。

1.2 鋰離子電池的結構

鋰離子動力電池具有能滿足各種使用場合的不同外形和結構特點，一般包括正極、負極、薄膜、電解液層和外殼，另外具備安全閥和熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient，PTC），在動力電池輸出狀態異?；虬l生短路故障時不會受到損傷。因為鋰單電池電流一般只有3.7 V，所以人們對鋰單電池往往采用串聯和并聯方式，以適應各種需要。

2 鋰電池的優缺點

2.1 鋰電池的主要優點

第一，能量高，具有超高的儲能密度，目前為460～600 Wh/kg，約為傳統鉛酸電池的6～7倍。第二，持續時間長，持續時間可長達6年。第三，額定工作電壓較高（單體工作電壓為3.7 V或3.2 V），約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池并聯電壓，易于組合電池電源組。第四，具有較高的電源強度，其中用于汽車的磷酸亞鐵鋰離子動力電池能夠實現15～30 C的充放電操作功能，能夠達到較大的起動加速度。第五，自放電率極低，是該動力電池最明顯的優勢，僅為鎳氫動力電池的1/20。第六，重量輕，在相同尺寸下只有鉛酸產品1/6～1/5的重量。第七，高低溫試驗能力好，可以在-20～60 ℃條件下工作，通過技術上的處理還可以在-45 ℃的條件下工作。第八，綠色環保，即在制造、利用、廢棄等過程中不會產生鉛、汞、鎘等有毒及含有重金屬元素的化學物質。

2.2 鋰電池的主要缺點

首先，鋰電池穩定性差，鈷酸鋰的鋰離子動力電池不能高倍率充放電。其次，安全系數低，存在爆炸等風險。再次，操作復雜，鋰離子電池必須通過安全電路，以免電池過充放電。最后，生產要求條件嚴格，成本高。

2.3 動力鋰離子電池利用情況

2.3.1 國內動力鋰離子電池的使用情況

目前，行業內包括國家電網、政府機關、電池公司等在內的生物動力鋰離子電池階段性回收技術的開發已經開始，并已取得了相應進展，但目前仍處于初級階段，相應的技術產業鏈還不夠完善且存在不足。從廢車上重新組裝動力電池的技術改造，可以提高電動汽車動力電源的循環利用率。

在國家退役鋰離子動力電池儲存系統示范項目中，河南電力有限公司與部分動力電池生產公司合作，共同推動國內退役鋰離子動力電池的再次選配和充分利用，實現退役的動力鋰離子電池應用于國家綜合微供電系統。由于相關領域人員在電力準備和儲能系統領域進行的研發，通信行業在2015年前后廣泛采用動能鋰離子電池，使得電話基站階段性地選擇動能鋰離子電池代替普通的鉛酸電池。目前，鋰離子電池的應用范圍長期保持高速增長勢頭。2006—2010年，我國鋰離子電池應用比例主要在電力類領域呈上升趨勢。隨著新儲能電站的建立，鋰離子電池和移動通信基站類儲能電池的應用越來越廣泛。2006年，我國儲能類鋰離子電池的應用比例超過4.94%[2]。

2.3.2 國外動力鋰離子電池的使用情況

國外也高度重視動力鋰離子電池的應用，其中最關注動力鋰離子電池應用的發達國家是日本。汽車普及時日本便開始考慮動力鋰離子電池的階段性使用問題，主要研究動力鋰離子電池在電動汽車中使用和與合資公司新能源的開發[2,3]。

3 動力鋰離子電池使用方案

3.1 動力鋰離子電池使用的可行性

鋰離子電池失靈的主要原因是電池容量減少的同時會發生容量跳水現象。鋰離子解吸式動力電池中含有正、負極復合材料，具有可逆嵌入鋰的能力。鋰離子動力電池可嵌入復合材料，并可在復合材料中分離，使鋰離子動力電池實現循環利用。

3.2 單體電池的篩選方法

動力鋰離子電池存在的缺陷大多在于穩定性差，如果不能對其進行詳細分析、檢測與篩選，將影響階梯循環電池效率的提高。

目前，檢測方式大致分為濾波檢測和大數據解析檢測兩種。在試驗篩選方式中，先對退役傳統動力鋰離子電池進行大數據解析檢測，對其進行分類重組，分別檢測外形、結構中的電壓、內阻、放電量等。大數據篩選主要是為了將生物動力鋰離子技術更好地應用于電池。動力電池企業可以對單體電壓和電流的相關數據進行一定的監測和數據分析，找到其存在的問題。利用階梯進行分類，結合實時監測和數據分析得到的信息，對有問題的單電池進行重組，某種意義上可以加快動力電池的處理周期，降低人力物力成本[4]。

3.3 分組技術

從稱量的結果可以看出是否必須調整單體的電池容量、帶電能力、內阻以及自放電性等特性，以確保電池的穩定性。在小組化流程中，將部分未使用的動力鋰離子電池直接分解成小模塊，采用不同的數量對其進行串聯連接，通過大數據檢測方法對小部分一致性差或出現問題的電池進行篩選，以便更好地組裝剩余部分的模塊，實現模塊間的一致性，從而不影響電池的正常使用。

3.4 電池組試驗

梯度使用需要在動能鋰離子電池分組時完成相應系列的實驗。通過階段性使用，能夠進一步提高動力鋰離子電池的安全。當動力鋰離子電池應用于電動汽車時，應進行高溫試驗、擠出試驗、過充試驗、過放電試驗、短路試驗、針刺試驗以及跌落試驗等相關安全性能實驗。只有所有性能均滿足相關技術要求，才能將其應用于電動汽車。動力鋰離子電池長期使用時會出現其內容和能量逐漸減少的現象，但其安全性能在投入使用時不會發生任何變化。當進行設計內容和性能的第二次檢測時，其安全性可以長期滿足使用環境的需求[5]。

動力用退役鋰離子電池在進行階梯利用時，通過嚴格把控動力電池的生產、測試、制造等流程，能夠確保其使用過程的安全性。首先，要通過嚴格的動力電池檢測和安全特性的抽查，確保動力電池的安全性能。其次，在實行成組工程設計前，要對動力鋰離子電池的外形、電壓、電阻值、放電量等進行相應的篩選檢查，對同批次、同工況下的動力電池和電池模塊實行相應的抽樣檢查，確保梯級利用動力電池的安全，并對動力電池功能模塊執行相應的工程設計。在階梯利用動力電池組設計時，從安全性角度做好功能模塊的設計，充分考慮功能模塊的絕緣問題、防護水平、部件應用以及電阻設計等相關因素。最后，利用相關措施提高其穩定性。梯形利用動力電池主要針對新型動力電池，在內阻、電壓平臺、容積等方面均存在不同的損耗。在通信基站利用過程中，如果電池組始終處于正常動作的狀況而未進行維護，則在電池管理系統（Battery Management System，BMS）或開關電源等直流電源內部會出現無法通信的情況。如果BMS保護動作發生問題，則不僅動力電池會產生放電，而且會產生缺乏保護動作的狀況。因此，要針對階梯循環電池組運行的具體情況進行適當的充放電動作，確保電力安全可靠。

4 鋰電池在通信行業的應用

由于20世紀微電子公司科技的蓬勃發展，科學技術不斷提高，社會對能源有了更多需求，促使鋰離子電池進入實用發展階段。首先獲得廣泛應用的是心臟起搏器內的鋰亞電池。鋰亞電池自放電性低，發射電流非常緩慢，使得起搏器在體內的應用成為可能。

鋰電池通常具有超過3 V的標稱電壓，最適合作為集成電路變壓器。目前，鋰離子動力電池使用市場廣泛，已大規模應用于電話、筆記本電腦、計量器、手表、電動機、路燈備用供電、航空燈以及家庭生活小工具等設備[6]。

隨著5G通信的快速發展，磷酸鐵鋰電池在眾多電池中脫穎而出，并在5G通信基站建設中得到了越來越廣泛的應用。5G與4G相比頻率提升，頻率越高則頻帶越窄，衍射范圍越小。與4G基站約1.3 km的覆蓋直徑相比，5G基站的覆蓋直徑為0.1～0.3 km。因此，必須通過提高宏基站規模來提高通信覆蓋率。在宏基站覆蓋的盲區和重點區域，用小基站來補盲、補熱以及增強其覆蓋率，從而構建全覆蓋的完整網絡。我國目前4G用戶規模已經超過500萬戶，而中國移動5G用戶規模達到4G的3～4倍，屆時將超過2 000萬戶。

5G基站設備功率的大幅提升，比原4G設備功率增加2～3倍。按照傳統建設思路，電源設備將占用較大空間。大量租用基站機房必然面臨空間緊張、荷載不足、安裝條件不具備等諸多問題。小基站通常布置在高樓大廈、中央商務區（Central Business District，CBD）、重要交通樞紐等人流密集分布的城市場景，且場景限制只能布置在有限的空間內，設備必須“瘦身”才能適應建設場景[7]。

眾所周知，鉛酸電池在性能、成本以及再生利用等方面具有優勢，可以在移動通信基站建設中得到應用，但是不能滿足載體的建設需求。在這種情況下，鋰電池的高儲存能量密度和輕量化的特征便可以發揮作用[8]。

5 結 論

從最初應用于心臟起搏器到后來應用于汽車和通信領域，鋰電池歷經數十個春秋。移動5G開創了物聯網時代，可穿戴產品、無線電子設備等的出現給鋰電池帶來了更廣闊的發展空間。鋰離子電池具有極其豐富的行業應用場景，必將在越來越多的行業中發揮重要作用。