充电限制电压对磷酸铁锂离子电池的影响

文◎周寿斌，孙庆，孙克宁，代云飞

（江苏储能材料工程技术研究中心江苏华富控股集团有限公司企业院士工作站）

摘要：从放电容量、放电中值电压、充电时间、恒流容量百分比4个方面主要研究了充电限制电压从3.25V至3.85V范围变化对磷酸铁锂离子电池性能的影响。试验结果声明：对于磷酸铁锂材料的锂电池，采用恒流恒压的充电方案，充电限制电压设定在3.55～3.70V较合理，推荐值为3.60～3.65V。

锂电池具有工作电压高（是镍镉电池、氢镍电池3倍）、比能量大（可达165Wh/kg，是氢镍电池的3倍）、体积小、质量轻、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应、无污染等众多优势。在锂电池中，磷酸铁锂离子电池较被看好，这种电池虽然比能量不及钴酸锂离子电池，但是其安全性高，单体电池的循环次数能达到2000次，放电稳定。因此磷酸铁锂离子电池是目前被十分看好的一种锂电池。

无论何种电池，为了将其性能发挥至最佳，充电方案及充电参数的摸索和选择是必不可少的而且也是至关紧要的。目前，锂电池普遍采用恒流恒压充电方案，此方案涉及3个充电参数：充电电流、充电限制电压、充电截止电流。在充电方案相同的前提下，不同的充电参数不仅会影响电池使用过程中性能的发挥，甚至会影响电池使用过程的安全性。但笔者在考察国内多家电芯的产品规格书中发现，各家的充电限制电压差异较大，从3.6V至3.80V不等。

为此，本文在固定充电电流、充电截止电流两参数的前提下，重点研究了充电限制电压对磷酸铁锂离子电池性能的影响。

1试验方案

（1）选取规格为3.2V10Ah的5只出厂合格的磷酸铁锂电芯作为样品进行考察。

（2）将5只电芯上台进行不同充电限制电压下的充放电探测。

（3）探测设备：深圳市新威尔电子有限公司加工的规格型号为CT-3008W5V20A-TF的高精度电池性能探测系统。

（4）充放电方案：以1/3C（3.333A）电流进行恒流充电，电芯电压至所考察的充电限制电压后，转恒压充电，当充电电流减小至0.01C（0.1A）时，充电完毕后搁置10min，进入恒流放电阶段，以1C（10A）电流进行恒流放电，放电截止电压为2.0V，放电完毕后搁置10min。此为一个循环。容量恢复及稳定阶段充放电循环的充电限制电压为3.65V。

（5）探测方案：先进行7次充电循环，判断电芯是不是异常并使其容量达到稳定状态。随后再进行不同充电限制电压下的充放电循环。充电限制电压考察范围3.25～3.85V，每0.05V作为一考察点，每个考察点下进行5次充放电循环，各项考察参数均以其5次的均匀值作为考察数据。

（6）考察项目：放电容量（mAh）、放电中值电压（mV）、充电时间（s）、恒流容量百分比、安全性。

2探测结果及讨论

2.1充电限制电压对电池放电容量的影响

放电容量统计结果见表1。并以3.65V下的放电容量作为参考值，其它考察点的考察数据与其进行比较。取5只样品各考察点的考察数据均匀值作图，如图1。

从表1和图1可以看出，从充电限制电压不低于3.40V，则容量损失不会超过1.1%，而当充电限制电压提升至3.55V以上时，容量损失仅为0.3%以内。

2.2充电限制电压对放电中值电压的影响

不同充电限制电压下的放电中值电压如表2所示，并对5个样品的不同考察点的放电中值电压及均匀值作图，如图2所示。

从表2和图2可以看出，与对放电容量的影响有些类似，在3.25V至3.40V间，随着充电限制电压的升高，其放电中值电压有分明提升。从3068.6mV（3.25V下）升至正常3173.3mV（3.40V下）。而在3.40～3.85V间放电中值电压基本维持不变，波动范围（1～2mV）在探测系统误差范围内。因此，从放电中值电压来看，当充电限制电压高于3.40V时，放电中值电压基本稳定。

2.3充电限制电压对恒流容量百分比（CC%）的影响

恒流容量百分比蕴含了许多电芯电化学性能，如快速充电能力、充电过程极化大小等。因此此项参数的考察很有必要。

如图3和表3所示。充电限制电压在3.45V以下时，CC%低于90%。3.40V时惟有77.3%。当充电限制电压高于3.45V，其CC%已达近94.1%，而当达到3.55V时，相应为96.1%与3.85V下的CC%仅相差0.6%，3.60V下其差异缩小至0.3%。而在3.55V以上，其相对3.65V下CC%（以3.65V下CC%为标准，其它参考点下的CC%与其相除所得的结果）值也已在99.6%以上。因此考虑CC%的影响，充电限制电压在3.55V以上较为理想。

2.4充电限制电压对充电时间的影响

在恒流恒压充电模式下，当充电容量较接近时，CC%越大，则其整体所耗用的充电时间较短。结合2.3中对CC%的影响，图4基本反映了这一规律。当充电限制电压较低时（<3.35V），充电容量较小，因此充电时间较短，当充电限制电压提升至3.35V以上时，其充电容量基本一致，此时，充电限制电压越高，CC%越大，整体充电时间逐步缩短。当充电限制电压在3.50～3.85V时，其充电时间的差异仅为1.6%。因此考虑实际过程的充电时间，充电限制电压在3.50V以上即可。

2.5充电限制电压对安全性的影响

对于电池的安全性，我们总是期待其充电电压越低越好，当然前提是保证其它性能的最优发挥。

3试验结论

综合考虑放电容量、放电中值电压、充电时间、恒流容量百分比、安全性这5个方面，采用恒流恒压的充电方案，对于磷酸铁锂离子电池，充电限制电压设定在3.55～3.70V较合理，推荐值为3.60～3.65V。

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