方形磷酸鐵鋰電池結構和產品特點解析

來源：存能電氣  日期：2019-08-02 14:03  瀏覽量：次

　　方形磷酸鐵鋰電池結構和產品特點解析。在動力電池市場，方形、圓柱、軟包作為動力電池“三劍客”過去一段時間一直處于三足鼎立狀態，其中方形電池的市場份額領先于軟包和圓柱，但總體相對平衡。而如今這種局面已悄然發生改變，三足鼎立的平衡狀態已經被打破！從2018年上半年的裝機量上來看，方形電池已經對圓柱和軟包電池形成絕對碾壓之勢，總量遠超過圓柱和軟包電池之和，繼續保持磷酸鐵鋰電池最主流類型地位。本文將解析方形磷酸鐵鋰電池結構和產品特點。

　　方形磷酸鐵鋰電池

　　方形磷酸鐵鋰電池通常是指鋁殼或鋼殼方形電池，方形電池的普及率在國內很高，隨著近年汽車動力電池的興起，汽車續航里程與電池容量之間的矛盾日漸突顯，國內動力電池廠商多采用電池能量密度較高的鋁殼方形電池為主，因為方形電池的結構較為簡單，不像圓柱電池采用強度較高的不銹鋼作為殼體及具有防爆安全閥的等附件，所以整體附件重量要輕，相對能量密度較高。方型電池有采用卷繞和疊片兩種不同的工藝。

　　但由于方形鋰電池可以根據產品的尺寸進行定制化生產，所以市場上有成千上萬種型號，而正因為型號太多，工藝很難統一。方形電池在普通的電子產品上使用沒有問題，但對于需要多只串、并聯的工業設備產品，最好使用標準化生產的圓柱形磷酸鐵鋰電池，這樣生產工藝有保證，以后也更容易找到可替換的電池。

　　方形電池基本結構

　　一個典型的方形磷酸鐵鋰電池，主要組成部件包括：頂蓋，殼體，正極板、負極板、隔膜組成的疊片或者卷繞，絕緣件，安全組件等。其中，紅圈中的兩個是安全結構，NSD針刺安全裝置；OSD過充保護裝置。

　　針刺安全保護裝置(NSD，NailSafetyDevice)。這是在卷芯的最外面加上了金屬層，例如銅薄片。當針刺發生時，在針刺位置產生的局部大電流通過大面積的銅薄片迅速把單位面積的電流降低，這樣可以防止針刺位置局部過熱，緩減電池熱失控發生。

　　過充安全保護裝置(OSD，OverchargeSafetyDevice)，目前這個安全設計在很多電池上都能看到。一般是一個金屬薄片，配合fuse使用，fuse可以設計到正極集流體上，過充時電池內部產生的壓力使得OSD觸發內部短路，產生瞬間大電流，從而使Fuse熔斷，從而切斷電池內部電流回路。

　　殼體一般為鋼殼或者鋁殼，隨著市場對能量密度的追求的驅動以及生產工藝的進步，鋁殼逐漸成為主流。

　　結構設計對大型方形電池熱特性的影響

　　鋰離子電池的極耳形狀和位置對于電池內的電流的分布、產熱和散熱都有著極其重要的影響，因此對于大尺寸磷酸鐵電池熱特性的分析還需要考慮極耳的形狀和位置等特性。

　　為了提高鋰離子電池的能量密度減小極耳的尺寸，降低集流體的厚度時常用的方法，因此StephanKosch利用上述模型的四種接耳結構和分布方式進行了模擬，并分析了不同的集流體厚度(TCC1，負極=15um，正極=25um；TCC2，負極=10um，正極=17um和TCC3，負極=7.5um，正極=12.5um)對方形磷酸鐵鋰電池熱特性的影響，這極耳和不同厚度的銅箔的組合方式的方形鋰離子電池的溫度和能量密度特點。可以看到通過降低集流體的厚度，可以將電池的能量密度從134Wh/kg，提高到約147Wh/kg。

　　大尺寸方形鋰離子電池在放電過程，特別是大電流放電過程中，由于電池極化和歐姆阻抗的作用會導致電池的內部產熱極速增加，受到電池散熱邊界條件的影響，電池中間溫度升高要明顯快于電池邊緣部分，因此會在電池內產生較大的溫度梯度，同時在垂直于電池極片的方向由于散熱受到電極極片自身的阻擋也存在明顯的溫度梯度，溫度梯度的存在會導致電池內的電流分布和SoC狀態不均勻，從而導致鋰離子電池局部老化的加速，影響鋰離子電池的使用壽命。

　　方形磷酸鐵鋰電池產品特點解析

　　優點：

　　方形磷酸鐵鋰電池封裝可靠度高；系統能量效率高；相對重量輕，能量密度較高；結構較為簡單，擴容相對方便，是當前通過提高單體容量來提高能量密度的重要選項；單體容量大，則系統構成相對簡單，使得對單體的逐一監控成為可能；系統簡單帶來的另外一個好處是穩定性相對好。

　　缺點：

　　由于方形磷酸鐵鋰電池可以根據產品的尺寸進行定制化生產，所以市場上有成千上萬種型號，而正因為型號太多，工藝很難統一；生產自動化水平不高，單體差異性較大，在大規模應用中，存在系統壽命遠低于單體壽命的問題。

　　由于特定的包裝材料與結構不同，方形、圓柱、軟包電池各有優劣勢。而且當前動力電池行業正處在大變革時期，各種技術創新層出不窮，未來哪種技術路線會脫穎而出還未可知。目前方形磷酸鐵電池產能集中度過于明顯，一旦未來市場有變，電池企業將面臨很大的風險。