通信行業(yè)動力鋰電池應(yīng)用研究

李月奎，高彬杰，李 巖

（中國鐵塔股份有限公司安徽省分公司，安徽 亳州 230088）

0 引 言

鋰電池是指以鋰元素或鋰合金為負(fù)極物質(zhì)，使用非水電解質(zhì)溶液的一次動力電池。鋰元素的化學(xué)特征活躍，其生產(chǎn)、儲存和應(yīng)用對環(huán)境要求特別嚴(yán)格，因此鋰離子電池最初并未能得到廣泛應(yīng)用。隨著20世紀(jì)末微電子科技的發(fā)展，先進(jìn)儀器越來越多，社會對能源的需求越來越大，鎳氫電池逐漸進(jìn)入廣泛實用階段。

1 鋰電池簡介

1.1 分 類

鋰離子動力電池是指電化學(xué)傳感器系統(tǒng)中含有鋰的動力電池。鋰電池大致可分為鋰金屬材料動力電池和鋰離子脫嵌動力電池兩類。鋰金屬材料動力電池通常是指以二氧化錳為電源材料、以金屬鋰或其他合金元素為負(fù)極材料以及使用無水或酸性電解質(zhì)溶液的電池。鋰金屬電池通常是非充電的，包括金屬狀態(tài)的鋰。盡管鋰金屬材料電池的能量密度很高，理論上可以達(dá)到3 860 Wh/kg，但是由于鋰元素特性不穩(wěn)定，所以不能成為再次循環(huán)利用的動能燃料電池。鋰離子電池具備多次填充能力，因此作為重要的動力電池獲得了迅速發(fā)展。它組合了各種金屬元素，形成的正極材料在各方面特性差異較大，加劇了行業(yè)對正極材料發(fā)展路線的爭議。

鋰離子電池是二次電池（充電電池），主要通過鋰離子在電池正負(fù)極材料內(nèi)部往復(fù)嵌脫進(jìn)行能量的儲存和釋放。通常使用鋰合金金屬氧化物作為電源材質(zhì)，以石墨為負(fù)極材質(zhì)，使用非水電解質(zhì)的電池。但是，鋰離子動力電池不含有各種金屬形態(tài)的鋰，所以可以充電。鋰離子電池目前主要分為液態(tài)鋰離子電池（Liquified Lithium-Ion Battery，LIB）和聚合物鋰離子電池（Polymer Lithium-Ion Battery，PLB）兩種[1]。

1.2 鋰離子電池的結(jié)構(gòu)

鋰離子動力電池具有能滿足各種使用場合的不同外形和結(jié)構(gòu)特點，一般包括正極、負(fù)極、薄膜、電解液層和外殼，另外具備安全閥和熱敏電阻（Positive Temperature Coefficient，PTC），在動力電池輸出狀態(tài)異?；虬l(fā)生短路故障時不會受到損傷。因為鋰單電池電流一般只有3.7 V，所以人們對鋰單電池往往采用串聯(lián)和并聯(lián)方式，以適應(yīng)各種需要。

2 鋰電池的優(yōu)缺點

2.1 鋰電池的主要優(yōu)點

第一，能量高，具有超高的儲能密度，目前為460～600 Wh/kg，約為傳統(tǒng)鉛酸電池的6～7倍。第二，持續(xù)時間長，持續(xù)時間可長達(dá)6年。第三，額定工作電壓較高（單體工作電壓為3.7 V或3.2 V），約等于3只鎳鎘或鎳氫充電電池并聯(lián)電壓，易于組合電池電源組。第四，具有較高的電源強(qiáng)度，其中用于汽車的磷酸亞鐵鋰離子動力電池能夠?qū)崿F(xiàn)15～30 C的充放電操作功能，能夠達(dá)到較大的起動加速度。第五，自放電率極低，是該動力電池最明顯的優(yōu)勢，僅為鎳氫動力電池的1/20。第六，重量輕，在相同尺寸下只有鉛酸產(chǎn)品1/6～1/5的重量。第七，高低溫試驗?zāi)芰?，可以?20～60 ℃條件下工作，通過技術(shù)上的處理還可以在-45 ℃的條件下工作。第八，綠色環(huán)保，即在制造、利用、廢棄等過程中不會產(chǎn)生鉛、汞、鎘等有毒及含有重金屬元素的化學(xué)物質(zhì)。

2.2 鋰電池的主要缺點

首先，鋰電池穩(wěn)定性差，鈷酸鋰的鋰離子動力電池不能高倍率充放電。其次，安全系數(shù)低，存在爆炸等風(fēng)險。再次，操作復(fù)雜，鋰離子電池必須通過安全電路，以免電池過充放電。最后，生產(chǎn)要求條件嚴(yán)格，成本高。

2.3 動力鋰離子電池利用情況

2.3.1 國內(nèi)動力鋰離子電池的使用情況

目前，行業(yè)內(nèi)包括國家電網(wǎng)、政府機(jī)關(guān)、電池公司等在內(nèi)的生物動力鋰離子電池階段性回收技術(shù)的開發(fā)已經(jīng)開始，并已取得了相應(yīng)進(jìn)展，但目前仍處于初級階段，相應(yīng)的技術(shù)產(chǎn)業(yè)鏈還不夠完善且存在不足。從廢車上重新組裝動力電池的技術(shù)改造，可以提高電動汽車動力電源的循環(huán)利用率。

在國家退役鋰離子動力電池儲存系統(tǒng)示范項目中，河南電力有限公司與部分動力電池生產(chǎn)公司合作，共同推動國內(nèi)退役鋰離子動力電池的再次選配和充分利用，實現(xiàn)退役的動力鋰離子電池應(yīng)用于國家綜合微供電系統(tǒng)。由于相關(guān)領(lǐng)域人員在電力準(zhǔn)備和儲能系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行的研發(fā)，通信行業(yè)在2015年前后廣泛采用動能鋰離子電池，使得電話基站階段性地選擇動能鋰離子電池代替普通的鉛酸電池。目前，鋰離子電池的應(yīng)用范圍長期保持高速增長勢頭。2006—2010年，我國鋰離子電池應(yīng)用比例主要在電力類領(lǐng)域呈上升趨勢。隨著新儲能電站的建立，鋰離子電池和移動通信基站類儲能電池的應(yīng)用越來越廣泛。2006年，我國儲能類鋰離子電池的應(yīng)用比例超過4.94%[2]。

2.3.2 國外動力鋰離子電池的使用情況

國外也高度重視動力鋰離子電池的應(yīng)用，其中最關(guān)注動力鋰離子電池應(yīng)用的發(fā)達(dá)國家是日本。汽車普及時日本便開始考慮動力鋰離子電池的階段性使用問題，主要研究動力鋰離子電池在電動汽車中使用和與合資公司新能源的開發(fā)[2,3]。

3 動力鋰離子電池使用方案

3.1 動力鋰離子電池使用的可行性

鋰離子電池失靈的主要原因是電池容量減少的同時會發(fā)生容量跳水現(xiàn)象。鋰離子解吸式動力電池中含有正、負(fù)極復(fù)合材料，具有可逆嵌入鋰的能力。鋰離子動力電池可嵌入復(fù)合材料，并可在復(fù)合材料中分離，使鋰離子動力電池實現(xiàn)循環(huán)利用。

3.2 單體電池的篩選方法

動力鋰離子電池存在的缺陷大多在于穩(wěn)定性差，如果不能對其進(jìn)行詳細(xì)分析、檢測與篩選，將影響階梯循環(huán)電池效率的提高。

目前，檢測方式大致分為濾波檢測和大數(shù)據(jù)解析檢測兩種。在試驗篩選方式中，先對退役傳統(tǒng)動力鋰離子電池進(jìn)行大數(shù)據(jù)解析檢測，對其進(jìn)行分類重組，分別檢測外形、結(jié)構(gòu)中的電壓、內(nèi)阻、放電量等。大數(shù)據(jù)篩選主要是為了將生物動力鋰離子技術(shù)更好地應(yīng)用于電池。動力電池企業(yè)可以對單體電壓和電流的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析，找到其存在的問題。利用階梯進(jìn)行分類，結(jié)合實時監(jiān)測和數(shù)據(jù)分析得到的信息，對有問題的單電池進(jìn)行重組，某種意義上可以加快動力電池的處理周期，降低人力物力成本[4]。

3.3 分組技術(shù)

從稱量的結(jié)果可以看出是否必須調(diào)整單體的電池容量、帶電能力、內(nèi)阻以及自放電性等特性，以確保電池的穩(wěn)定性。在小組化流程中，將部分未使用的動力鋰離子電池直接分解成小模塊，采用不同的數(shù)量對其進(jìn)行串聯(lián)連接，通過大數(shù)據(jù)檢測方法對小部分一致性差或出現(xiàn)問題的電池進(jìn)行篩選，以便更好地組裝剩余部分的模塊，實現(xiàn)模塊間的一致性，從而不影響電池的正常使用。

3.4 電池組試驗

梯度使用需要在動能鋰離子電池分組時完成相應(yīng)系列的實驗。通過階段性使用，能夠進(jìn)一步提高動力鋰離子電池的安全。當(dāng)動力鋰離子電池應(yīng)用于電動汽車時，應(yīng)進(jìn)行高溫試驗、擠出試驗、過充試驗、過放電試驗、短路試驗、針刺試驗以及跌落試驗等相關(guān)安全性能實驗。只有所有性能均滿足相關(guān)技術(shù)要求，才能將其應(yīng)用于電動汽車。動力鋰離子電池長期使用時會出現(xiàn)其內(nèi)容和能量逐漸減少的現(xiàn)象，但其安全性能在投入使用時不會發(fā)生任何變化。當(dāng)進(jìn)行設(shè)計內(nèi)容和性能的第二次檢測時，其安全性可以長期滿足使用環(huán)境的需求[5]。

動力用退役鋰離子電池在進(jìn)行階梯利用時，通過嚴(yán)格把控動力電池的生產(chǎn)、測試、制造等流程，能夠確保其使用過程的安全性。首先，要通過嚴(yán)格的動力電池檢測和安全特性的抽查，確保動力電池的安全性能。其次，在實行成組工程設(shè)計前，要對動力鋰離子電池的外形、電壓、電阻值、放電量等進(jìn)行相應(yīng)的篩選檢查，對同批次、同工況下的動力電池和電池模塊實行相應(yīng)的抽樣檢查，確保梯級利用動力電池的安全，并對動力電池功能模塊執(zhí)行相應(yīng)的工程設(shè)計。在階梯利用動力電池組設(shè)計時，從安全性角度做好功能模塊的設(shè)計，充分考慮功能模塊的絕緣問題、防護(hù)水平、部件應(yīng)用以及電阻設(shè)計等相關(guān)因素。最后，利用相關(guān)措施提高其穩(wěn)定性。梯形利用動力電池主要針對新型動力電池，在內(nèi)阻、電壓平臺、容積等方面均存在不同的損耗。在通信基站利用過程中，如果電池組始終處于正常動作的狀況而未進(jìn)行維護(hù)，則在電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）或開關(guān)電源等直流電源內(nèi)部會出現(xiàn)無法通信的情況。如果BMS保護(hù)動作發(fā)生問題，則不僅動力電池會產(chǎn)生放電，而且會產(chǎn)生缺乏保護(hù)動作的狀況。因此，要針對階梯循環(huán)電池組運行的具體情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)某浞烹妱幼?，確保電力安全可靠。

4 鋰電池在通信行業(yè)的應(yīng)用

由于20世紀(jì)微電子公司科技的蓬勃發(fā)展，科學(xué)技術(shù)不斷提高，社會對能源有了更多需求，促使鋰離子電池進(jìn)入實用發(fā)展階段。首先獲得廣泛應(yīng)用的是心臟起搏器內(nèi)的鋰亞電池。鋰亞電池自放電性低，發(fā)射電流非常緩慢，使得起搏器在體內(nèi)的應(yīng)用成為可能。

鋰電池通常具有超過3 V的標(biāo)稱電壓，最適合作為集成電路變壓器。目前，鋰離子動力電池使用市場廣泛，已大規(guī)模應(yīng)用于電話、筆記本電腦、計量器、手表、電動機(jī)、路燈備用供電、航空燈以及家庭生活小工具等設(shè)備[6]。

隨著5G通信的快速發(fā)展，磷酸鐵鋰電池在眾多電池中脫穎而出，并在5G通信基站建設(shè)中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。5G與4G相比頻率提升，頻率越高則頻帶越窄，衍射范圍越小。與4G基站約1.3 km的覆蓋直徑相比，5G基站的覆蓋直徑為0.1～0.3 km。因此，必須通過提高宏基站規(guī)模來提高通信覆蓋率。在宏基站覆蓋的盲區(qū)和重點區(qū)域，用小基站來補盲、補熱以及增強(qiáng)其覆蓋率，從而構(gòu)建全覆蓋的完整網(wǎng)絡(luò)。我國目前4G用戶規(guī)模已經(jīng)超過500萬戶，而中國移動5G用戶規(guī)模達(dá)到4G的3～4倍，屆時將超過2 000萬戶。

5G基站設(shè)備功率的大幅提升，比原4G設(shè)備功率增加2～3倍。按照傳統(tǒng)建設(shè)思路，電源設(shè)備將占用較大空間。大量租用基站機(jī)房必然面臨空間緊張、荷載不足、安裝條件不具備等諸多問題。小基站通常布置在高樓大廈、中央商務(wù)區(qū)（Central Business District，CBD）、重要交通樞紐等人流密集分布的城市場景，且場景限制只能布置在有限的空間內(nèi)，設(shè)備必須“瘦身”才能適應(yīng)建設(shè)場景[7]。

眾所周知，鉛酸電池在性能、成本以及再生利用等方面具有優(yōu)勢，可以在移動通信基站建設(shè)中得到應(yīng)用，但是不能滿足載體的建設(shè)需求。在這種情況下，鋰電池的高儲存能量密度和輕量化的特征便可以發(fā)揮作用[8]。

5 結(jié) 論

從最初應(yīng)用于心臟起搏器到后來應(yīng)用于汽車和通信領(lǐng)域，鋰電池歷經(jīng)數(shù)十個春秋。移動5G開創(chuàng)了物聯(lián)網(wǎng)時代，可穿戴產(chǎn)品、無線電子設(shè)備等的出現(xiàn)給鋰電池帶來了更廣闊的發(fā)展空間。鋰離子電池具有極其豐富的行業(yè)應(yīng)用場景，必將在越來越多的行業(yè)中發(fā)揮重要作用。