鋰 鐵電池過充

如何為磷酸鐵鋰可充電電池充電

作者 : Victor Chertakovsky，Essence Group硬體工程師

• 類別 : 電源技術
• 2018-11-14
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磷酸鐵鋰電池比一般的鋰離子電池更安全，具有可提供5~100AH容量的一系列大電芯尺寸，比傳統電池具有長得多的迴圈壽命。不過，在為其充電時，仍有些事項須注意…

磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池比一般的鋰離子電池更安全，具有可提供5~100AH容量的一系列大電芯尺寸，比傳統電池具有長得多的迴圈壽命。其中，圓柱形磷酸鐵鋰電池是所有系列中最熱門的產品之一，它們具有許多優異功能：

˙高能量密度，270~340Wh/L；這意味著工作時間長。

˙穩定的放電電壓。

˙同一批次不同電芯之間的良好一致性。

˙迴圈壽命長，2,000次充放電後，還剩餘80%容量。

˙快速充電，可在1小時內完成充電。

˙安全和耐高溫性能。

磷酸鐵鋰是一種鋰離子電池，因為能量以相同方式儲存，它移動和儲存鋰離子而不是鋰金屬。這些電芯和電池不僅具有高容量，且可提供高功率。目前，大功率磷酸鐵鋰電池現已成為現實，它們可用作儲能單元或電源。

此外，磷酸鐵鋰電池是有史以來生命力最旺盛的電池之一。實驗室的測試資料顯示，它具有最多2,000次充/放電迴圈，這是由於磷酸鐵極其堅固的晶體結構，其在充放電期間不會因鋰離子的反覆嵌入和脫嵌而分解。

雖然含有鋰鈷氧化物(LiCoO2)的小容量鋰離子(聚合物)電池提供了最佳的品質能量密度和體積能量密度，但鋰鈷氧化物非常昂貴，且對大容量鋰離子電池不安全。最近，磷酸鐵鋰已成為大容量和高功率應用商用鋰離子(和聚合物)電池材料的「最佳選擇」，如用於筆記型電腦、電動工具、電動輪椅、電動自行車、電動汽車和電動巴士。

磷酸鐵鋰電池具有混合特性：它與鉛酸電池(LA Battery)一樣安全，也與鋰離子電池一樣強大。以下列出含有磷酸鐵鋰的大規格鋰離子(和聚合物)電池的優點。

常規充電

在傳統的鋰離子充電過程中，含有磷酸鐵鋰的常規鋰離子電池需要兩個步驟才能充滿電。

步驟1：使用恆流(CC)充電、達到約60~70%的充電狀態(SOC)；當每個電芯的充電電壓達到3.65V時(這是有效充電電壓的上限)，進入步驟2，恆壓(CV)充電。從CC轉到CV意味著充電電流受到電池在該電壓下可接受電流的限制，因此，充電電流逐漸減小，就像透過電阻為電容充電一樣，電壓漸漸達到最終值。

用時間計算的話：步驟1(6070%的SOC)需要約一到兩個小時；步驟2(3040%的SOC)也是需要兩小時左右。

由於可在不分解電解質的情況下對磷酸鐵鋰電池施加過電壓，因此可以僅透過CC的步驟1來充電以達到95%的SOC，或利用CC+CV充電以獲得100%的SOC。這與鉛酸電池安全強制充電方式類似，最短總充電時間約為兩小時。

大的過充電容差和更安全的性能

鋰鈷氧化物電池具有很窄的過充電容差，在每電芯4.2V充電電壓值之上約0.1V，這也是充電電壓的上限。超過4.3V的連續充電不是減損電池性能(例如縮短迴圈壽命)，就是導致火災或爆炸。

磷酸鐵鋰電池具有比其每個電芯3.5V的充電電壓、寬得多的約0.7V的過充電容限。一個磷酸鐵鋰電池的每個電芯可以安全地過充電到4.2V，但更高的電壓將開始分解有機電解質。然而，通常使用鉛酸電池充電器為12V 4電芯串聯電池組充電，無論是交流供電還是使用汽車的交流發電機，這些充電器的最大電壓為14.4V。它可正常工作，但鉛酸充電器會將浮充電壓降低到13.8V，因此通常會在磷酸鐵鋰電池組達到100%滿量前停止充電，因此，需要特殊的磷酸鐵鋰充電器才能可靠地達到100%的容量。

由於安全係數增加，這些電池組是大容量和高功率應用的首選。從大的過充電容差和安全性能的角度來看，磷酸鐵鋰電池類似鉛酸電池。

能量密度比鉛酸電池高三倍

鉛酸電池是含水系統。放電時，額定單電芯電壓為2V。鉛是重金屬，其比容量(specific capacity)僅為44Ah/kg。相比之下，磷酸鐵鋰電池是非水系統，在放電時，具有3.2V的額定電壓。其比容量超過145Ah/kg。因此，磷酸鐵鋰電池的重量能量密度為130Wh/kg，是鉛酸電池(35Wh/kg)的四倍，高三倍的能量密度使磷酸鐵鋰電池在技術用途上比鉛酸電池更受青睞。

成本更低

磷酸鐵鋰電池具有的較大過充電容差和自平衡特性，可簡化電池保護及均衡電路板設計，降低了成本。一步完成的充電過程允許使用更簡單的傳統充電器為磷酸鐵鋰電池充電，而不是非得使用昂貴的專業鋰離子電池充電器。

更長的迴圈壽命

與迴圈壽命為400次的鋰鈷氧化物電池相比，磷酸鐵鋰電池的迴圈壽命延長至2,000次。

高溫性能

鋰鈷氧化物電池在高溫(例如60℃)下工作是很危險的。然而，磷酸鐵鋰電池在高溫下可工作得更好，由於更高的鋰離子電導率，它可提供額外的10%容量。

磷酸鐵鋰電池主要優點包括：

˙與鎳基可充電電池(與其他鋰離子電池不同)一樣，磷酸鐵鋰電池的放電電壓非常穩定。放電期間電壓保持在3.2V左右，直到電芯耗盡。

˙這樣可以讓電芯在充分放電之前提供幾乎全部功率。

˙它可以大大簡化甚至消除對穩壓電路的需求。

˙誤操作時(特別是在充電過程中)，鋰鐵磷酸鹽電芯極難點燃，儘管任何完全充電的電池只能將過充電的能量作為熱量耗散。因此，仍然可能因誤用導致電池故障。通常情況下磷酸鐵鋰電池在高溫下不會分解。

˙磷酸鐵鋰電芯的容量損失率(或更長的儲存壽命)比鋰離子電池化學品(如鋰鈷氧化物的鈷或LiMn2O4的錳)慢。

˙因為磷酸鐵鋰的能量密度下降較慢，在貨架上放置一年後，磷酸鐵鋰電池通常具有與鋰鈷氧化物鋰離子電池大致相同的能量密度。

鋰鐵電池的特點

磷酸鋰鐵電池 (LFP)，其陰極材料為磷酸鋰鐵，簡稱鋰鐵電池。
磷酸鋰鐵材料是迄今為止最安全，循環壽命最長久，對環境無任何污染的新電能材料，
其主要優點有下列幾點：

(一)重量- 約為鉛酸電池重量的三分之一。

(二)壽命- 鋰鐵電池是目前循環壽命最長的電池，約為鉛酸電池的 7~ 8 倍，
              是傳統鋰電池的 3~ 5 倍，並且容量保持率在 80% 以上。
              長壽命鉛酸電池的循環壽命在 300次左右，最高可達 500次。
              相對的，磷酸鐵鋰動力電池，循環壽命高達 2,000次以上。
              並且經過充放電 500 次以後，電池容量仍然大於 95% 以上。
              同質量的鉛酸電池使用時間最多也就 1~ 1.5年之間，
              而鋰鐵電池在同樣條件下使用，可達到 4~ 6年。
              綜合考慮，性能價格比是鉛酸電池的 4倍以上。

(三)安全- 鋰鐵電池是目前最安全的鋰離子電池。
              磷酸鋰鐵完全解決了鈷酸鋰和錳酸鋰的安全隱患問題，
              鈷酸鋰和錳酸鋰在強烈碰撞下會產生爆炸，對消費者的生命安全構成威脅，
              而磷酸鋰鐵已經過嚴格的安全測試，即使在最惡劣的交通事故中也不會產生爆炸。
              鋰鐵電池安全性極佳，濫用測試下，不爆炸，不起火，不冒煙。
              不會因過充、高溫、短路、撞擊而產生爆炸或燃燒。
              解決了傳統鋰電池易起火爆炸的安全隱患問題。

(四)穩定- 鉛酸電池在低溫時容量會大幅降低，鋰離子電池由於採用有機溶劑電解液，
              冬天照樣能「精神飽滿」上路。鋰鐵電池更具有耐高溫的優良特性，
              在 -20 ℃ ~ 60℃ 皆能正常使用。

(五)無記憶效應- 傳統鎳氫、鎳鎘電池會有記憶效應，即經常處於充滿不放完的條件下工作，
              容量會迅速低於額定容量值。鋰電池，包括鋰鐵電池，其最大優點就是沒有
              記憶效應，電池無論處於什麼狀態，皆可隨充隨用，無須先放完再充電。
              另外，鉛酸電池自放電率 10%~ 15%，存放半年後可能就導致電池處於
              基本沒電狀態，鋰鐵電池自放率卻只僅 1.5%。

鋰鐵電池－至關重要的ESS、UPS及智慧電網的理想電池。
 

(1)無需保養：改用鋰鐵電池的那一刻起，有關維護鉛酸電池的成本及風險便已成為過去式。
                    鋰鐵電池真的不需維護保養，不需要像鉛酸電池一樣固定加水保養。
 

(2)充電變快，且充電深度變大：鋰鐵電池充電速度比一般鉛酸電池快了 80%以上，
                    具有放電深度超過 90%的深度放電能力。
 

(3)使用壽命延長：一般鉛酸電池充放循環平均約 400次。
                    然而，鋰鐵電池至少五倍鉛酸電池循環壽命的能耐，
                    通常幫您減少超過 5成的使用成本。
 

(4)重量減輕：鋰鐵電池比一般鉛酸電池重量減輕了 70%，重量較輕，也便於安裝。
 

(5)記憶效應不受影響：深度放電不會影響電池的記憶效應。
                    鋰鐵電池會持續傳遞相同可靠且一致性的充電深度。
 

(6)無腐蝕性：一般鉛酸電池很容易便產生腐蝕，而鋰鐵電池沒有腐蝕性的問題。
 

(7)更安全/無毒氣/無毒性硫酸/符合RoHS規定：不同於鉛酸電池，
                    使用鋰鐵電池將不會有任何充電時會產生的毒氣風險，
                    也不會有硫酸腐蝕到您肌膚，或是酸腐蝕周圍附近的風險。
 

(8)自體放電率低：鋰鐵電池不接電時，並不會明顯損耗太多能量，
                    使用時間比鉛酸電池還長。這表示使用鋰鐵電池不需採”浮充電流機制”。

 鋰鐵電池及鉛酸電池的安全性

一般鉛酸電池在充電時會釋放出有毒氣體，像是具有爆炸風險的氫氣。

鉛酸電池也會有硫酸漏液的問題，一旦接觸到便會有灼傷或損壞肌膚。
接觸到酸液會嚴重破壞眼睛/呼吸道，甚至是消化系統。

另外也具有腐蝕性問題，而且這些情況在充電及維護保養時是難以避免得問題。

然而鋰鐵電池並無這種危害。鋰鐵電池不僅不用保養，也不會釋放有毒氣體，更不會有漏酸問題。

鋰鐵電池不含鉛或其它有毒化學物質，並且符合RoHS規定。