文◎周壽斌，孫慶，孫克寧，代云飛

（江蘇儲(chǔ)能材料工程技術(shù)研究中心江蘇華富控股集團(tuán)有限公司企業(yè)院士工作站）

摘要：從放電容量、放電中值電壓、充電時(shí)間、恒流容量百分比4個(gè)方面主要研究了充電限制電壓從3.25V至3.85V范圍變化對(duì)磷酸鐵鋰電池性能的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：對(duì)于磷酸鐵鋰材料的鋰離子電池，采用恒流恒壓的充電方案，充電限制電壓設(shè)定在3.55～3.70V較合理，推薦值為3.60～3.65V。

鋰離子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(dá)165Wh/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)、無(wú)污染等眾多優(yōu)點(diǎn)。在鋰離子電池中，磷酸鐵鋰電池較被看好，這種電池雖然比能量不及鈷酸鋰電池，但是其安全性高，單體電池的循環(huán)次數(shù)能達(dá)到2000次，放電穩(wěn)定。因此磷酸鐵鋰電池是目前被十分看好的一種鋰離子電池。

無(wú)論何種電池，為了將其性能發(fā)揮至最佳，充電方案及充電參數(shù)的摸索和選擇是必不可少的而且也是至關(guān)重要的。目前，鋰離子電池普遍采用恒流恒壓充電方案，此方案涉及3個(gè)充電參數(shù)：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(shù)不僅會(huì)影響電池使用過(guò)程中性能的發(fā)揮，甚至?xí)绊戨姵厥褂眠^(guò)程的安全性。但筆者在考察國(guó)內(nèi)多家電芯的產(chǎn)品規(guī)格書中發(fā)現(xiàn)，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(shù)的前提下，重點(diǎn)研究了充電限制電壓對(duì)磷酸鐵鋰電池性能的影響。

1實(shí)驗(yàn)方案

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

（2）將5只電芯上臺(tái)進(jìn)行不同充電限制電壓下的充放電測(cè)試。

（3）測(cè)試設(shè)備：深圳市新威爾電子有限公司生產(chǎn)的規(guī)格型號(hào)為CT-3008W5V20A-TF的高精度電池性能測(cè)試系統(tǒng)。

（4）充放電方案：以1/3C（3.333A）電流進(jìn)行恒流充電，電芯電壓至所考察的充電限制電壓后，轉(zhuǎn)恒壓充電，當(dāng)充電電流減小至0.01C（0.1A）時(shí)，充電完畢后擱置10min，進(jìn)入恒流放電階段，以1C（10A）電流進(jìn)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(gè)循環(huán)。容量恢復(fù)及穩(wěn)定階段充放電循環(huán)的充電限制電壓為3.65V。

（5）測(cè)試方案：先進(jìn)行7次充電循環(huán)，判斷電芯是否異常并使其容量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。隨后再進(jìn)行不同充電限制電壓下的充放電循環(huán)。充電限制電壓考察范圍3.25～3.85V，每0.05V作為一考察點(diǎn)，每個(gè)考察點(diǎn)下進(jìn)行5次充放電循環(huán)，各項(xiàng)考察參數(shù)均以其5次的平均值作為考察數(shù)據(jù)。

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

2測(cè)試結(jié)果及討論

2.1充電限制電壓對(duì)電池放電容量的影響

放電容量統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1。并以3.65V下的放電容量作為參考值，其它考察點(diǎn)的考察數(shù)據(jù)與其進(jìn)行比較。取5只樣品各考察點(diǎn)的考察數(shù)據(jù)平均值作圖，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(huì)超過(guò)1.1%，而當(dāng)充電限制電壓提升至3.55V以上時(shí)，容量損失僅為0.3%以內(nèi)。

2.2充電限制電壓對(duì)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(duì)5個(gè)樣品的不同考察點(diǎn)的放電中值電壓及平均值作圖，如圖2所示。

從表2和圖2可以看出，與對(duì)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，其放電中值電壓有明顯提升。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(dòng)范圍（1～2mV）在測(cè)試系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)。因此，從放電中值電壓來(lái)看，當(dāng)充電限制電壓高于3.40V時(shí)，放電中值電壓基本穩(wěn)定。

2.3充電限制電壓對(duì)恒流容量百分比（CC%）的影響

恒流容量百分比包含了許多電芯電化學(xué)性能，如快速充電能力、充電過(guò)程極化大小等。因此此項(xiàng)參數(shù)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(shí)，CC%低于90%。3.40V時(shí)只有77.3%。當(dāng)充電限制電壓高于3.45V，其CC%已達(dá)近94.1%，而當(dāng)達(dá)到3.55V時(shí)，相應(yīng)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(duì)3.65V下CC%（以3.65V下CC%為標(biāo)準(zhǔn)，其它參考點(diǎn)下的CC%與其相除所得的結(jié)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(duì)充電時(shí)間的影響

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

2.5充電限制電壓對(duì)安全性的影響

對(duì)于電池的安全性，我們總是期望其充電電壓越低越好，當(dāng)然前提是保證其它性能的最優(yōu)發(fā)揮。

3實(shí)驗(yàn)結(jié)論

綜合考慮放電容量、放電中值電壓、充電時(shí)間、恒流容量百分比、安全性這5個(gè)方面，采用恒流恒壓的充電方案，對(duì)于磷酸鐵鋰電池，充電限制電壓設(shè)定在3.55～3.70V較合理，推薦值為3.60～3.65V。