侯范曉，張 磊，陳 輝

（96811 部隊(duì)，浙江 江山 324100）

鋰離子電池具有工作電壓高（是鎳鎘電池、氫鎳電池的3 倍）、比能量大（可達(dá)165 Wh/kg，是氫鎳電池的3 倍）、體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長(zhǎng)、自放電率低、無(wú)記憶效應(yīng)和無(wú)污染等眾多優(yōu)點(diǎn)。在鋰離子電池中，磷酸鐵鋰電池比較被看好，這種電池與鈷酸鋰電池相比能量不及，但是其安全性高，且價(jià)格便宜，單體電池的循環(huán)次數(shù)更是能達(dá)到2 000 次，放電穩(wěn)定[1]。因此，磷酸鐵鋰電池是目前被十分看好的一種鋰離子電池。2019 年以來(lái)，隨著國(guó)家補(bǔ)貼政策的調(diào)整，新的研究成果迅速得到轉(zhuǎn)化和應(yīng)用，磷酸鐵鋰電池產(chǎn)品能量密度和產(chǎn)品穩(wěn)定性得到很大提升，在乘用車動(dòng)力電池市場(chǎng)占有率方面得到較大提升[2]，2021 年中國(guó)新能源汽車產(chǎn)量達(dá)354.5 萬(wàn)輛，較2020 年增加了217.9 萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)159.52%，銷量352.1 萬(wàn)輛，較2020 年增加了215.4 萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)157.57%[3]，特別是特斯拉Mode13、比亞迪漢和五菱宏光MINIEV 等幾款爆款車型均搭載磷酸鐵鋰電池，大幅帶動(dòng)了磷酸鐵鋰電池的裝機(jī)量[4]。

為此使用過程中的電池維護(hù)保養(yǎng)問題就顯得尤為重要。特別是在當(dāng)前磷酸鐵鋰電池理論壽命達(dá)7～8 年，而實(shí)際壽命卻不到5 年的現(xiàn)實(shí)使用情況下。

1 磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)原理

1.1 磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)

磷酸鐵鋰電池的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，左邊為正極由橄欖石結(jié)構(gòu)的富鋰化合物L(fēng)iFePO4構(gòu)成，通過鋁箔與電池正極相連；右邊為負(fù)極由可脫嵌鋰的活性材料碳（石墨）構(gòu)成，通過銅箔與電池的負(fù)極相連；中間為電子絕緣體，聚合物隔膜，材質(zhì)一般為PP/PE/PP（PE 為聚乙烯，PP 為聚丙烯），它把正極與負(fù)極隔開，并提供鋰離子遷移通道；電池內(nèi)部充滿電解液，電解液可以摻雜多種物質(zhì)，比如多用磷酸三正丁酯（TBP）等[4]。

圖1 電池結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 磷酸鐵鋰電池的原理

充電過程：

充電時(shí)，在外接電源的作用下，正極處磷酸鐵鋰化合物中的鋰離子（Li+）脫出，進(jìn)入電解液，穿過隔膜，再經(jīng)電解液遷移到石墨層晶體層中[5]，同時(shí)為保持電荷平衡，正極處等量的電子在經(jīng)外電路流向負(fù)極銅箔，經(jīng)負(fù)極導(dǎo)體進(jìn)入石墨層，使得負(fù)極達(dá)到電荷平衡。磷酸鐵鋰轉(zhuǎn)化成磷酸鐵[6]。

放電過程：

放電時(shí)，石墨層晶體層中的鋰離子（Li+）脫出，經(jīng)過電解液，透過隔膜，再進(jìn)入電解液落到磷酸鐵鋰晶體的表面，而后再次嵌入磷酸鐵鋰的晶格內(nèi)[7]，與此同步的是，電子在電場(chǎng)的作用下經(jīng)外電路流向電池正極的鋁箔，而后進(jìn)入磷酸鐵鋰正極，使正極達(dá)到電荷平衡。磷酸鐵轉(zhuǎn)化為磷酸鐵鋰。

鋰離子電池的這種來(lái)回“搖椅式”充放電模式，消除了鋰枝晶的析出問題，較好地解決了鋰離子電池的循環(huán)及安全性問題，同時(shí)也保留了鋰離子電池高電壓、高容量和自放電率低等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)理想的輕型高能動(dòng)力源[8]。

2 磷酸鐵鋰電池的特點(diǎn)

磷酸鐵鋰（LiFePO4）動(dòng)力電池在充電過程中，Li 離子不斷從正極脫出，然后向負(fù)極移動(dòng)；電量即將達(dá)到飽和時(shí)，Li 離子幾乎完全嵌到負(fù)極，形成過充電保護(hù)電壓，因而蓄電池的安全性能和穩(wěn)定工作能力毋庸置疑。

2.1 主要優(yōu)點(diǎn)

2.1.1 杰出的高溫性能和穩(wěn)定性

熱峰值高，與錳酸鋰和鈷酸鋰的200 ℃熱峰值相比，磷酸鐵鋰熱峰值可達(dá)350～500 ℃。P-0 鍵穩(wěn)固，工作范圍廣泛（-20～75 ℃），即便在高溫或過充時(shí)磷酸鐵鋰也不會(huì)像鈷酸鋰一樣結(jié)構(gòu)崩塌發(fā)熱或是形成強(qiáng)氧化性物質(zhì)，且磷酸鐵鋰分解溫度高達(dá)600 ℃，因此即使電池內(nèi)部或外部損壞，磷酸鐵鋰電池也不會(huì)燃燒、爆炸，安全性能卓越。

2.1.2 極好的循環(huán)壽命和使用體驗(yàn)

經(jīng)3 500 次循環(huán)，其放電容量依然能達(dá)到驚人的80%，理論壽命可達(dá)7～8 年[8]；成本低廉；傳統(tǒng)的鎳電池?fù)碛杏洃浶?yīng)（長(zhǎng)期不徹底充電、放電，易在電池內(nèi)留下痕跡，降低電池容量），而磷酸鐵鋰電池在充電前無(wú)需放電，在使用專用充電器情況下，充電設(shè)置在1.5C，40 min 即可將電池充滿，充電效率更高[9]（圖2）。

圖2 電池循環(huán)性能[8]

2.1.3 重量輕、容量大、環(huán)境友好

與同等規(guī)格容量的磷酸鐵鋰電池相比，磷酸鐵鋰電池的體積縮小了1/3，重量降低了2/3，而能量卻提升了2 倍多（市場(chǎng)主流鉛酸電池能量密度為40 Wh/kg，磷酸鐵鋰電池能量密度為90 Wh/kg）。且磷酸鐵鋰電池符合歐洲ROHS 規(guī)定，被認(rèn)為不含有任何重金屬與稀有金屬，無(wú)毒，無(wú)污染，為綠色環(huán)保電池。

2.2 主要缺點(diǎn)

2.2.1 低溫性能差

在低溫0 ℃以下，電池性能下降，電池容量變低。

2.2.2 正極材料振實(shí)密度低、一致性差

正極材料振實(shí)密度與壓實(shí)密度很低，影響了鋰離子電池的能量密度；而車用磷酸鐵鋰電池在結(jié)構(gòu)上是由單體電池通過串聯(lián)或并聯(lián)的形式來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的電壓與容量等級(jí)要求的。由于單體電池不可能做到個(gè)體間性能完全相同，所以在使用一段時(shí)間后，各單體電池之間的性能差異會(huì)越來(lái)越大。這種個(gè)體間差異性的存在，影響到電池的一致性，并使電池的容量變小，壽命縮短（圖3）。

圖3 磷酸鐵鋰電池不同溫度下放電曲線

3 磷酸鐵鋰電池的維護(hù)保養(yǎng)

任何電池的使用壽命，均與其維護(hù)保養(yǎng)有著直接的關(guān)系，磷酸鐵鋰電池常規(guī)循環(huán)壽命可達(dá)2 000 次，使用壽命可達(dá)8～10 年，然而當(dāng)前多數(shù)電池卻達(dá)不到該壽命，原因就在于缺乏正確的維護(hù)保養(yǎng)手段。

1）磷酸鋰電池不能長(zhǎng)時(shí)間存放或工作在強(qiáng)靜電和強(qiáng)磁場(chǎng)的環(huán)境中，否則電池內(nèi)部的安全保護(hù)裝置會(huì)遭到破壞，甚至失效；也不能長(zhǎng)時(shí)間存放或工作在高溫下，否則會(huì)導(dǎo)致電池溫度過高，起火或功能失效，進(jìn)而影響到電池的使用壽命；更不能將電池與腐蝕性物質(zhì)、原理火源及熱源接觸。

2）戴上絕緣手套，定期檢查電池外殼有無(wú)鼓包破損，電池接線束有無(wú)松動(dòng)斷裂，電池極柱有無(wú)變形損傷等現(xiàn)象，若有及時(shí)處理，并每月用氣槍對(duì)電池箱里面進(jìn)行除塵，注意勿將其他雜質(zhì)吹入電池箱內(nèi)，保養(yǎng)人需穿好防護(hù)衣和佩戴勞保眼鏡。

3）查看車上顯示屏是否有故障報(bào)警代碼。若有故障代碼，則應(yīng)及時(shí)處理故障。

4）查看管理系統(tǒng)電壓檢測(cè)是否準(zhǔn)確（查看顯示屏上的電壓值和實(shí)際測(cè)量電壓值是否一致）、用鉗流表測(cè)電流是否一致，查看有無(wú)故障和通訊是否正常等。測(cè)量電壓時(shí)可以直接用萬(wàn)用表測(cè)量采集線頭部，注意不能在車輛動(dòng)態(tài)情況下測(cè)量電流（危險(xiǎn)）[10]。

5）依據(jù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和實(shí)際操作環(huán)境，檢查電池組整體及單體的電壓是否在要求范圍內(nèi)，檢查電池有無(wú)漏電的情況存在；在充電時(shí)，檢查充電電流是否在一定的要求范圍內(nèi)；充電前確保電池組的低壓告警和高壓告警在標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)；檢測(cè)電池組單體電池電壓、溫度、電流、SOC 信息是否正常并記錄下來(lái)，如有故障必須及時(shí)處理，不能讓車輛帶故障工作。

6）如果磷酸鐵鋰電池在使用或充電中發(fā)生異常情況，例如變形、發(fā)熱和異味等應(yīng)立即將電池從裝置中移離或斷開充電連接，萬(wàn)不可帶故障使用。

7）規(guī)格型號(hào)不同、新舊程度不同的磷酸鐵鋰電池組禁止混用。

8）不要故意人為放電，在日常使用中，按照系統(tǒng)電量指示燈提示進(jìn)行相應(yīng)的充電操作即可。如果提示充電，仍不充電繼續(xù)使用，會(huì)使得電池過度放電，縮短使用壽命。

一般正常行駛時(shí)，如果電量表指示燈和黃燈亮，就應(yīng)進(jìn)行充電了。如果只剩下紅燈亮，應(yīng)停止運(yùn)行，盡快充電，否則電瓶過度放電會(huì)嚴(yán)重縮短其壽命。

9）每月對(duì)電池進(jìn)行一次完整的充、放電，以校準(zhǔn)電量；如若無(wú)法實(shí)現(xiàn)，則至少應(yīng)每季度完成一次完整的充電，每半年完成一次完整的充、放電。充電時(shí)充電溫度應(yīng)控制在4～35 ℃[8]。

10）嚴(yán)格按照使用說明書進(jìn)行充電，充滿后即停止充電，切不可滿電仍繼續(xù)充電，形成過度充電，過度充電電池會(huì)因?yàn)闊o(wú)法吸收電量而過度發(fā)熱，一旦發(fā)熱溫度超過65 ℃，一定要立即停止充電，否則會(huì)引起事故。

11）保護(hù)好充電器，不得讓充電器經(jīng)過劇烈的震動(dòng)，否則其電位器會(huì)發(fā)生飄移，致使充電狀態(tài)不穩(wěn)，影響充電效果；另外在充電時(shí)，還需要將充電器置于通風(fēng)處，便于充電器散熱，否則熱量不散，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使電器形成損傷。所以，保護(hù)好充電器，減少或避免顛簸振動(dòng)，盡量充電通風(fēng)[11]。

12）充電前檢查充電器插頭有無(wú)氧化、松動(dòng)等現(xiàn)象，若有以上現(xiàn)象應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理，以防止充電時(shí)插頭發(fā)熱。

4 結(jié)束語(yǔ)

新能源汽車電池組性能的高低好壞，直接關(guān)系到車輛的使用狀況，為此對(duì)新能源汽車的電池組進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)就是重中之重。車輛的駕駛?cè)藛T、維護(hù)養(yǎng)人員只有充分了解和掌握正確的維護(hù)保養(yǎng)方法才能真正做到更好地發(fā)揮磷酸鐵鋰電池的作用，延長(zhǎng)其使用壽命，讓電池更好地發(fā)揮其功效。