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1、大容量及大功率磷酸锂铁电池的应用摘要：本文介绍台湾威力能源公司大功率及大容量磷酸锂铁电池之研究发展及应用。以方型软包装电池及10Ah硬壳圆柱型标准型号为应用范例，电池研究包括极片配方设计、电池设计、电源管理系统及应用测试，结果显示，适当的调配电极配方及电池设计，磷酸锂铁电池可大电流放电至30C，而电压仍然在2.8V以上，同时温度使用范围从-20C至70C都有极佳的表现。文中报导之电池包含有使用中国及台湾公司自行发展的 磷酸锂铁粉末，以及美国phostech授权之磷酸锂铁粉末，测试结果包括有美国国家实验室Sandia Lab测试结论，其显示磷酸锂铁电池具有1C充放电8000次以上的特性。同时发表
2、威力能源公司在一些国家应用发展实例，如电动摩托车、不间断电源、中大型运输工具电源等。关键词：磷酸锂铁；高功率；电池组1引言磷酸锂铁材料（LiFePO4）是在1997年由美国德州大学 Goodenough等人发现的一种应用于锂离子电池的 材料，磷酸锂铁的橄榄石结构是一种3D立体结构系统，就像尖晶石（spinel）结构一样，在高温的状态下是很稳定的，其充放电原理是磷酸锂铁和磷酸铁之间结构的转换形成一个1D通道，让锂离子可以稳定的型态活动，同时这样的相转换产生了3.4V的平台电压，而它的理论电容量也相对较高，可达到 170mAh/g。磷酸锂铁橄榄石结构还有一些优点，像较便宜，毒性低，高温时结构稳定，
3、对环境的影响较温和，循环稳 定安全等，这些特性都非常适合用作锂离子电池材料，而锂离子电池又是近年来相当热门的一种能源项目，应用非常广泛，如手机、笔记型计算机和油电混合车等，因此磷酸锂铁材料已经成为高功率锂离子电池正极材料的重要选择。2结果与讨论：台湾威力能源公司将各种不同的磷酸锂铁产品用在锂离子电池的正极上，并将此磷酸锂铁锂离子电池应用在多种电器设备上，这些产品包含了台湾T公司，大陆B公司以及美国P公司的磷酸锂铁粉末，以下将一一呈现上述各种材料的电性能及测试结果。2.1台湾T公司磷酸锂铁粉末测试威力能源公司将台湾 T公司的磷酸锂铁粉末制作成方型的软包装锂离子电池，然后进行电性能测试，Z-16-
4、2这种产品的电容量在 0.5C的放电情况下可以达到 130mAh/g （图1）。在大电流测试方面，15C18 C放电下电容量还能达到 92%以上，20C放电时电容量还能维持在 86%。图1 Z-16-2磷酸锂铁充放电曲线温度测试方面，在15C放电的情况下，温度低于 65C。当1820C放电时，温度维持在 75C以下（图2） 唯一不足之处在于当放电电流提高到20C时，电压平台在2.45V左右。图2 Z-16-2磷酸锂铁倍率放电曲线2.2中国B公司磷酸锂铁粉末测试中国B公司的磷酸锂铁粉末一样由威力能源公司制作成软包装电池来测试，B公司有两种产品Z-15-1和Z-15-2，我们将这两种磷酸锂铁粉末用
5、作锂离子电池的正极，并配合各种不同的电解液（a b和c）制作成软包装的锂离子电池来测试，测试项目包括充放电测试，电容量测试，循环寿命和温度测试。图3呈现Z-15-1材料的正极配合不同的电解液在10C放电的情形，电压平台约2.9V到3.1V。图4显示Z-15-2配合不同的电解液在10C条件下放电，电压平台在2.85V到2.95V之间。图3和图4显示同一材料在不同电解液条件下呈现不同的电压平台特性。图3 2-1二1容量型材料10C放电曲线/图4 Z-15-2倍率型材料10C放电曲线在20C放电下，Z-15-1和Z-15-2材料也分别和不同电解液配对，得到的放电结果如图5和图6。相对于10C放电，2
6、0C放电时不同的电解液造成了放电情况较大的差异，Z-15-2的放电电压比Z-15-1高，而选择a配方的电解液放电效率可达98%，且电压平台稳定大约在 2.7V，我们推测在10C及20C放电的机理上，磷酸锂铁粉末和电解液扮演不同的导电角色。图5 Z-15-1容量型材料20C放电曲线I，A巾睁聲M舟幽巒图6 Z-15-2倍率型材料20C放电曲线以Z-15-2材料在60C的条件下进行充放电，图 7为0.5C之充放电图，结果显示平台电压在 3.25V左 右，且循环寿命在前100次电容量仍有99%。同时进行1C充放电循环实验，如图 8所示。在250次循环 后仍能维持原来的电容量，计算其磷酸锂锂铁粉末的电
7、化学容量约为125mAh/g。图7 Z-15-2倍率型材料60C下的0.5C充放电曲线图8 Z-15-2倍率型材料的1C充放电循环曲线2.3美国P公司磷酸锂铁粉末测试这项产品测试的设计出自台湾LiFe Battery Inc.电池公司，并在美国 Sandia国家实验室完成，对电池进行各种测试，包含电容量，循环寿命及电容量和温度关系，欧姆阻抗测试，大电流放电下部分荷电态（PSOC）循环寿命测试和过充电电压测试。图9是一颗LiFe Battery Inc.公司设计的10Ah锂离子电池照片，电池尺寸为直径40mm长139 mm，重360 g。表1列出了此电池的详细资料（以下称cell#1）。图9 L
8、iFe Batt公司的LiFePO4电池表1 LiFe Batt公司的LiFePO4电池的性能参数voltajEe wuidoiAX10-3 6* V隹皿 veil；i j(:Vcud to】口孕 JC 口空110 VCiwic RcfiilMion曲iM VFuHTcnnuMilLOti i V.TunebJ .6 V AQd O J A or6& min3.65 VMaxuDiuiu Chir竽 CuncnBJ0 APulse CtrrcnE. 1140 AMmufiun CoitdMl Oirrem. I120 AInicnbiil OtunicinOfcni+25 C6 iiKiunA
9、h CipKity (0.25 and 1C nite)ICFOCOdiAIl 9.000 ubAhEncrej- ored in eperahng vahagc wiibdow. Win or kJ84) Whip170 WKLOverall dinmviocis. nunn.l X 40.6weiRlii.k0-颁Opmhn tcmpmruft. C0 10 45 Off 40(fl WDdlSconce tcuqKndurc. C-10 to 4$Cyck life,L5W2.3.1电容量及电容量和温度关系测试图10显示cell#1电压和容量的充放电曲线图，分别是第一个循环和第8,394
10、次PSOC循环后的情形，初始的电容量有 9.61 Ah，其理论电容量在 9到10 Ah之间，而在8394 PSOC循环后，电容量为8.91 Ah， 大约减少了 7%，上述测试电流为0.5C。若8394次循环后以1C条件测试电容量是 8.61Ah，这是小电流深 度充放电后的结果，完成此测试后再将电池以 0.2 A小电流充饱电。此外，初始的电容量若以1C条件进行测试反而可以达到10.14 Ah，这个容量的增加是由于在大量PSOC循环前一种“breakin 所谓化成的作用所造成的。图11是1C条件下各种温度35, 25, 0, -20, -30,和-40 C的电容量测试，结果显示在 -20C时，电容
11、量呈现急剧的下降，而在更低的 -40C下已经几乎没有电容量。图 12是1C条件下充电的电压情况，在 -20C或更低温的情况下会发生直接由起始电压冲到理论电压的情况，也就是说低温状态下电流无法长时间充入。TlHMih)图11 10A充放电条件下电容量和温度关另jJ2.3.2欧姆阻抗测试图13显示cell #1的初始阻抗值是 3.6毫欧（Z AI）而在8,394 PSOC循环后的阻抗值为 4.2毫欧。此测 试结果做线性回归得到一斜率，这种处理数据的方式是有意义的，此电流和电压的斜率代表的是一个在0到-20A放电区间的平均阻抗值，此电池看起来循环前后的斜率是一致的，有些电池在放电前后斜率会有很大的差异。图13 Cell #1欧姆阻抗测试 （100% SOC）233不同功率的充电循环测试4C（40 A）测试结果。z图16过电压充电测试2.3.5总结上述测试结果显示了磷酸锂铁粉末在加工成电池后的一些性能，如电容量，内阻，最大能量密度等等。温度测试(35, 25, 0, -20, -30, -40 C)显示低温特别是低于-20 C下，对放电电容量和充电电压有很大影响。较大电流的循环测试中，在4C条件下完成8,394次循环后电容量也只有 10%到15%的流失。欧姆阻抗
