磷酸鐵鋰電池充放電拐點(diǎn)現(xiàn)象及產(chǎn)生機(jī)理
一只180Ah磷酸亞鉄鋰動(dòng)力鋰離子電池在室溫下1/3C充放電的電壓曲線如圖1所示。充放電的電壓平臺(tái)都約為3.35V，充電電壓兩個(gè)拐點(diǎn)是3.25V和3.45V;放電電壓兩個(gè)拐點(diǎn)是3.4V和3.1V。
圖1 磷酸鐵鋰電池充放電電壓曲線
從圖1中的曲線可以看出，電池電壓在充/放電的初期和末期，都有一段迅速上升期和迅速下降期，關(guān)注重點(diǎn)可放在充/放電末期的拐點(diǎn)現(xiàn)象。
鋰電池的充電過程是鋰離子從正極脫嵌，遷移到負(fù)極并嵌入的過程。當(dāng)正極鋰離子脫嵌到一定數(shù)量后，受John-Teller效應(yīng)影響，鋰離子脫嵌將變得越來越困難，需要更多的能量才能從正極板脫出。外部表現(xiàn)為極化電阻增加，電壓急劇升高。放電時(shí)，鋰離子從負(fù)極脫嵌，遷移到正極，并嵌入到正極的晶格中。當(dāng)負(fù)極的鋰離子數(shù)量降低到一定程度時(shí)，電極表面反應(yīng)速度降低，內(nèi)阻急劇增大，造成電池電壓急速下降。
“拐點(diǎn)現(xiàn)象”與鋰離子電池安全
筆者對(duì)國(guó)內(nèi)權(quán)威部門出具的檢測(cè)報(bào)告進(jìn)行了分析，并依據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出拐點(diǎn)后的剩余容量不到電池總?cè)萘康?0%，電池有效工作平臺(tái)在總?cè)萘康?0%以上。實(shí)驗(yàn)證明，充/放電末期的“拐點(diǎn)現(xiàn)象”說明電池已經(jīng)到了容量即將充滿或即將耗盡的末端，繼續(xù)充/放電很容易產(chǎn)生因“電池電壓過充或過放”及“過電流”等災(zāi)難性后果，對(duì)鋰離子電池來說尤其可怕。由于電池長(zhǎng)期處于過充或過放的疲勞狀態(tài)，從而產(chǎn)生的鋰枝晶會(huì)刺破電池隔膜造成電池永久性損壞，并易引起電池燃燒或爆炸，這種安全性事故在國(guó)內(nèi)屢見不鮮。
“拐點(diǎn)現(xiàn)象”與鋰離子電池壽命
動(dòng)力鋰離子電池的“拐點(diǎn)現(xiàn)象”是不可避免的。一些電池廠商宣稱可做到“充滿放光”，通常就是超電池拐點(diǎn)的極限使用，電池成組后的循環(huán)壽命大打折扣，不到單體電池壽命的一半，由此稱其為新能源汽車產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸也就不足為怪了。
實(shí)踐表明，常溫下適度的充放電倍率(如0.3C-1.0C)電池會(huì)有較佳的表現(xiàn)，循環(huán)壽命也會(huì)長(zhǎng)很多。純電動(dòng)汽車要盡量避免全充全放和高倍率充/放，應(yīng)合理使用電池的平臺(tái)區(qū)。拐點(diǎn)外是電池的薄弱點(diǎn)，充/放電超過拐點(diǎn)區(qū)會(huì)對(duì)電池造成傷害，全充全放則是影響電池安全并造成循環(huán)壽命縮短的根本原因。
悖于電池客觀規(guī)律的方法和手段頻頻現(xiàn)身于電動(dòng)車實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，比如“全充全放”理論和各種均衡理論。有些做法表面上看似解決了電池的100%的SOC充放電問題，但實(shí)質(zhì)大都是以犧牲電池循環(huán)壽命為代價(jià)，這種對(duì)電池電量采用全部“充滿榨干”的想法看似提高了電池續(xù)駛里程，實(shí)際則嚴(yán)重?fù)p壞了電池原本健康的壽命，加速了電池性能劣化，使原本循環(huán)壽命可達(dá)到1500-2000次以上的單體電池成組后只能達(dá)到原值的一半甚至只有不到200-300次的壽命周期。
試析解決問題的途徑
無論電池成組出廠時(shí)電池一致性多么出眾，如果不采用科學(xué)管理手段并認(rèn)真對(duì)待電池拐點(diǎn)特性，在使用后期仍會(huì)出現(xiàn)電池成組特性提前劣化現(xiàn)象，這就是為什么鋰離子動(dòng)力電池一直不能滿足新能源汽車性能要求的根本原因。
電池作為電能容器或電能量載體，其極限應(yīng)用并不等于最佳應(yīng)用，電池成組應(yīng)用時(shí)，應(yīng)盡量顧及拐點(diǎn)效應(yīng)，不能超限使用，充分利用好電池平臺(tái)的有效能量。此法咋看似乎是損失了些許剩余電量，卻能換得電池循環(huán)壽命成倍延長(zhǎng)。
電池管理系統(tǒng)(BMS)應(yīng)遵循電池本身的客觀規(guī)律對(duì)成組電池進(jìn)行合理管理，充分利用電池本身的拐點(diǎn)特性和曲線平臺(tái)，采用合理的電子技術(shù)手段讓成組電池發(fā)揮最大效能，如此提高電池組的壽命是完全可能的。
(本文作者系中國(guó)電源工業(yè)協(xié)會(huì)副理事長(zhǎng)，主要從事新能源汽車電池成組應(yīng)用的研究工作)
