文◎周壽斌，孫慶，孫克寧，代云飛

（江蘇儲能材料工程技術(shù)研究中心江蘇華富控股集團有限公司企業(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電池性能的影響。實驗結(jié)果表明：對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165Wh/kg，是氫鎳電池的3倍）、體積小、質(zhì)量輕、循環(huán)壽命長、自放電率低、無記憶效應、無污染等眾多優(yōu)點。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)不僅會影響電池使用過程中性能的發(fā)揮，甚至會影響電池使用過程的安全性。但筆者在考察國內(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，重點研究了充電限制電壓對磷酸鐵鋰電池性能的影響。

1實驗方案

（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測試。

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

（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(zhuǎn)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(huán)。容量恢復及穩(wěn)定階段充放電循環(huán)的充電限制電壓為3.65V。

（5）測試方案：先進行7次充電循環(huán)，判斷電芯是否異常并使其容量達到穩(wěn)定狀態(tài)。隨后再進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，每個考察點下進行5次充放電循環(huán)，各項考察參數(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測試結(jié)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(tǒng)計結(jié)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(shù)據(jù)與其進行比較。取5只樣品各考察點的考察數(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(nèi)。

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平均值作圖，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，波動范圍（1～2mV）在測試系統(tǒng)誤差范圍內(nèi)。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(wěn)定。

2.3充電限制電壓對恒流容量百分比（CC%）的影響

恒流容量百分比包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(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，CC%低于90%。3.40V時只有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(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(jié)合2.3中對CC%的影響，圖4基本反映了這一規(guī)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，我們總是期望其充電電壓越低越好，當然前提是保證其它性能的最優(yōu)發(fā)揮。

3實驗結(jié)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。