充電限制電壓對磷酸鐵鋰離子電池的影響

文◎周壽斌，孫慶，孫克寧，代云飛

（江蘇儲能材料工程技術研究中心江蘇華富控股集團有限公司企業院士工作站）

摘要：從放電容量、放電中值電壓、充電時間、恒流容量百分比4個方面主要研究了充電限制電壓從3.25V至3.85V范圍變化對磷酸鐵鋰離子電池性能的影響。試驗結果聲明：對于磷酸鐵鋰材料的鋰電池，采用恒流恒壓的充電方案，充電限制電壓設定在3.55～3.70V較合理，推薦值為3.60～3.65V。

鋰電池具有工作電壓高（是鎳鎘電池、氫鎳電池3倍）、比能量大（可達165Wh/kg，是氫鎳電池的3倍）、體積小、質量輕、循環壽命長、自放電率低、無記憶效應、無污染等眾多優勢。在鋰電池中，磷酸鐵鋰離子電池較被看好，這種電池雖然比能量不及鈷酸鋰離子電池，但是其安全性高，單體電池的循環次數能達到2000次，放電穩定。因此磷酸鐵鋰離子電池是目前被十分看好的一種鋰電池。

無論何種電池，為了將其性能發揮至最佳，充電方案及充電參數的摸索和選擇是必不可少的而且也是至關緊要的。目前，鋰電池普遍采用恒流恒壓充電方案，此方案涉及3個充電參數：充電電流、充電限制電壓、充電截止電流。在充電方案相同的前提下，不同的充電參數不僅會影響電池使用過程中性能的發揮，甚至會影響電池使用過程的安全性。但筆者在考察國內多家電芯的產品規格書中發現，各家的充電限制電壓差異較大，從3.6V至3.80V不等。

為此，本文在固定充電電流、充電截止電流兩參數的前提下，重點研究了充電限制電壓對磷酸鐵鋰離子電池性能的影響。

1試驗方案

（1）選取規格為3.2V10Ah的5只出廠合格的磷酸鐵鋰電芯作為樣品進行考察。

（2）將5只電芯上臺進行不同充電限制電壓下的充放電探測。

（3）探測設備：深圳市新威爾電子有限公司加工的規格型號為CT-3008W5V20A-TF的高精度電池性能探測系統。

（4）充放電方案：以1/3C（3.333A）電流進行恒流充電，電芯電壓至所考察的充電限制電壓后，轉恒壓充電，當充電電流減小至0.01C（0.1A）時，充電完畢后擱置10min，進入恒流放電階段，以1C（10A）電流進行恒流放電，放電截止電壓為2.0V，放電完畢后擱置10min。此為一個循環。容量恢復及穩定階段充放電循環的充電限制電壓為3.65V。

（5）探測方案：先進行7次充電循環，判斷電芯是不是異常并使其容量達到穩定狀態。隨后再進行不同充電限制電壓下的充放電循環。充電限制電壓考察范圍3.25～3.85V，每0.05V作為一考察點，每個考察點下進行5次充放電循環，各項考察參數均以其5次的均勻值作為考察數據。

（6）考察項目：放電容量（mAh）、放電中值電壓（mV）、充電時間（s）、恒流容量百分比、安全性。

2探測結果及討論

2.1充電限制電壓對電池放電容量的影響

放電容量統計結果見表1。并以3.65V下的放電容量作為參考值，其它考察點的考察數據與其進行比較。取5只樣品各考察點的考察數據均勻值作圖，如圖1。

從表1和圖1可以看出，從充電限制電壓不低于3.40V，則容量損失不會超過1.1%，而當充電限制電壓提升至3.55V以上時，容量損失僅為0.3%以內。

2.2充電限制電壓對放電中值電壓的影響

不同充電限制電壓下的放電中值電壓如表2所示，并對5個樣品的不同考察點的放電中值電壓及均勻值作圖，如圖2所示。

從表2和圖2可以看出，與對放電容量的影響有些類似，在3.25V至3.40V間，隨著充電限制電壓的升高，其放電中值電壓有分明提升。從3068.6mV（3.25V下）升至正常3173.3mV（3.40V下）。而在3.40～3.85V間放電中值電壓基本維持不變，波動范圍（1～2mV）在探測系統誤差范圍內。因此，從放電中值電壓來看，當充電限制電壓高于3.40V時，放電中值電壓基本穩定。

2.3充電限制電壓對恒流容量百分比（CC%）的影響

恒流容量百分比蘊含了許多電芯電化學性能，如快速充電能力、充電過程極化大小等。因此此項參數的考察很有必要。

如圖3和表3所示。充電限制電壓在3.45V以下時，CC%低于90%。3.40V時惟有77.3%。當充電限制電壓高于3.45V，其CC%已達近94.1%，而當達到3.55V時，相應為96.1%與3.85V下的CC%僅相差0.6%，3.60V下其差異縮小至0.3%。而在3.55V以上，其相對3.65V下CC%（以3.65V下CC%為標準，其它參考點下的CC%與其相除所得的結果）值也已在99.6%以上。因此考慮CC%的影響，充電限制電壓在3.55V以上較為理想。

2.4充電限制電壓對充電時間的影響

在恒流恒壓充電模式下，當充電容量較接近時，CC%越大，則其整體所耗用的充電時間較短。結合2.3中對CC%的影響，圖4基本反映了這一規律。當充電限制電壓較低時（<3.35V），充電容量較小，因此充電時間較短，當充電限制電壓提升至3.35V以上時，其充電容量基本一致，此時，充電限制電壓越高，CC%越大，整體充電時間逐步縮短。當充電限制電壓在3.50～3.85V時，其充電時間的差異僅為1.6%。因此考慮實際過程的充電時間，充電限制電壓在3.50V以上即可。

2.5充電限制電壓對安全性的影響

對于電池的安全性，我們總是期待其充電電壓越低越好，當然前提是保證其它性能的最優發揮。

3試驗結論

綜合考慮放電容量、放電中值電壓、充電時間、恒流容量百分比、安全性這5個方面，采用恒流恒壓的充電方案，對于磷酸鐵鋰離子電池，充電限制電壓設定在3.55～3.70V較合理，推薦值為3.60～3.65V。

聲明： 本站所發布文章部分圖片和內容自于互聯網，如有侵權請聯系刪除