通信行业锂离子电池技术及应用场景研究

通信行业锂离子电池技术及应用场景研究

张宏芳

天津力神电池股份有限公司 天津 300384

摘要：在我国进入21世纪的新时期，汽车行业发展十分迅速，通信行业快速发展带来更大的能耗需求，对通信电源和后备电池提出了更高的要求，锂离子电池具有重量轻、体积小和高温性能良好的优势，磷酸铁锂电池目前已逐渐得到广泛的推广和应用，本文针对通信基站和数据中心等实际应用场景进行了比较全面的调研分析，包括优缺点及注意事项等，并对比了其他几类主流锂电池的优缺点，分析了锂离子电池未来更多的使用场景以及使用方向。

关键词：通信行业；锂离子电池；应用场景

引言

近年来，随着电动汽车、电子信息等产业的快速发展，全球锂离子电池需求量猛增，全球动力电池产业高速发展。其中，中国的动力电池产业发展尤为迅猛，涌现出了一批优秀的锂离子电池制造企业。2019年中国锂离子电池产量逐渐增长，全年锂离子电池产量为157.2亿只，同比增长4%。锂电池产业在未来5～10年会成为继汽车产业、信息产业、半导体产业之后新的万亿级产业，对我国的国防建设、航空航海、节能环保、新能源汽车、电子信息、智慧能源系统等领域的发展都具有重要的战略意义。

1锂离子电池原理

锂离子电池的工作原理与所有二次电化学电池的工作原理相同，即具有一定化学势差的正极和负极通过可控氧化还原反应实现能量的可逆释放和存储。其蕴含的电化学过程本质可以认为是将化学反应中在一个化学位点同时发生的氧化还原转变为通过不同电荷输运载体实现在物理空间上有效分离，如采用电子绝缘的锂离子导体电解质实现内部的正电荷锂离子输运，而带负电的电子通过外部导线实现电流流通，即电子流经外部回路，锂离子流经内部回路。人们现在广泛使用的锂离子电池沿用了传统电化学电池的基本架构，电池核心工作部件主要包含正极、负极、电解液和隔膜4个部分，此外还包含其他非核心支持部件，如集流体、粘合剂、导电添加剂、电池引线极耳和封装材料等。与其他电化学电池不同之处在于，其使用锂离子作为能量传输介质并且电极为嵌入电化学储锂机制。如图1所示，以目前常用的钴酸锂/石墨型锂离子电池为例，在充放电过程中锂离子在层状晶体结构钴酸锂正极和层状晶体结构石墨负极可逆的嵌入和脱出，含锂的液体电解液提供物质输运媒介，外部电路提供电子回路从而有效驱动负荷装置工作。

2通信行业锂离子电池技术及应用场景

2.1 一体化基站应用

在通信基站应用铁锂电池的时候，应根据宏基站、微基站的重要程度、分布情况、建站条件等，制定有差别的使用原则：（1）适合室外一体化基站：通信运营商在发展中，逐渐更多地采用更加便于快速部署的室外一体化基站。此时锂电池和通信电源组成一体化电源，可以方便地挂在楼道墙壁上、安装在楼顶上及固定在电线、灯杆上。（2）适合室分系统、CBO/CBOE、MBO、WLAN、XPON等各种耗电较小的应用场景。（3）适合偏远农村基站，停电频繁，环境温度高，铅酸电池维护成本高，若改用铁锂电池，循环寿命长，可深度充放电，安装维护方便。（4）适合机房面积狭窄、承重低的市中心基站，铁锂电池可更加灵活安装。（5）对于太阳能、风能、储能站循环充放电频率高的特点，磷酸铁锂电池具有优势。（6）对于可靠性、通信安全性要求较高的宏基站，使用铁锂电池应具有较完善保护告警功能，发现问题及时处理。

2.2锂离子动力电池热失控研究方法

自锂离子电池诞生之日起，其安全性就一直备受关注。国外对于锂离子电池的安全性的研究起步较早，得到了很多有价值的研究成果；国外科研人员不仅基于滥用测试研究了锂离子单体电池的行为特性，还基于量热测试对常用正极材料、负极材料、电解液和隔膜等常用组分的热特性进行了系统研究，分析了不同温度范围内可能的放热反应和参与反应介质，这为以后锂离子电池的热失控机理分析提供了重要参考；同时，也有科研人员基于数值计算对锂离子电池的热失控过程进行数值模拟(或有限元模拟)；此外，也有诸多关于提高锂离子电池安全性(高安全性电池材料和安全防护)的相关研究；但是，国外对于锂离子电池安全性的研究主要集中在小容量(＜1A·h)的以LiCoO2、LiMn2O4、LiFePO4和LiNi0.8Co0.15Al0.05等为电极材料的锂离子电池，然而，在动力电池领域，该类电池正在逐渐被高能量密度的三元材料锂离子电池所取代，并且单体容量也通常大于5A·h，甚至达到40A·h，因此，有必要对新兴锂离子动力电池的安全性进行研究。

2.3应用动力锂离子电池的建议

（1）低于50Ah的电池组，最好采用单个16串联组成模块，不要用小电芯多个并联。多颗电池并联首先在制作工艺一致性上没有确定性，而且还可能存在漏焊的可能。并联状态下各个模组的电流可能会分布不均匀，会造成离电芯远的地方电流小，靠近的地方电流会大些，而且因为电池数量增加会导致失效率变大。（2）建议不要超过3U的尺寸建议模块不超过3U，首先可以节省一些宝贵的空间，可以让主机获得更大的容量。另外，集成设计可以保证即使发生了故障对于动力锂离子电池也不会有影响。一般不超过3U的重量在33kg左右，可以一个人轻松安装，十分便捷。（3）电芯采用不同的生产工艺动力锂离子电池可以分为长方形和圆柱形，这是根据外表形状进行划分的；另外还可以分为叠片和卷绕等，这是依据生产方式的不同来进行划分的。设计的不同导致动力锂离子电池在放电性能上有着很明显的不同。

2.4加强标准交流沟通

锂离子电池制造装备的标准化不仅涉及装备制造企业，还涉及电池生产企业、科研机构、电池回收企业、第三方检测机构等多个方面，在相关标准化活动中应加强各方面的交流与沟通，标准制定过程中参与单位的广泛性才能代表行业的真实水平和实际需要。特别是电池生产企业对锂离子电池制造装备是有重要影响的，锂离子电池制造装备的优劣直接会影响电池质量的好坏，因此在锂离子电池制造装备标准化的过程中，应征询多方意见，只有这样才能制定出紧跟产业发展、服务产业发展、指导产业发展的标准。

3锂离子电池未来应用展望

当前制约锂离子电池在通信等行业应用的主要因素包括新的锂离子电池系统以及高安全工作机理、高性能处理材料目前还没有完全形成，新型处理材料及电解质材料的研发应用还处在初步探索阶段。但随着近年来科学技术快速发展，国内外科研工作者将会继续研发能量密度更高、功率更大、循环使用寿命更长的高效能锂离子电池。我们需要对不断涌现的各类锂离子电池技术进行深入研究和分析，在实践中检验锂电池的使用效果，使其更匹配通信基站或数据中心的实际需求，提高综合效能和安全可靠性。预计随着锂电池技术的不断进步，其优势将会体现的越来越明显，从而逐步得到更广泛的应用。

结语

综述了锂离子动力电池热失控与安全管理研究现状。(1)在热失控研究方法方面，总结了常用的锂离子电池热失控研究方法，较为详细地介绍了建模研究在热失控研究中的应用。(2)在热失控触发机理方面，总结了不同触发条件的特点和产生原因，重点阐述了锂离子动力电池在机械滥用、电滥用和热滥用条件下的热失控行为特性。(3)在反应机理方面，分析了锂离子电池主要组分(正/负极材料、电解液、SEI膜、隔膜等)的热稳定性，深度总结了不同热失控阶段的化学反应机理和放热规律。(4)在安全设计方面，从锂离子电池单体的优化设计、动力电池系统安全防护和优化设计以及安全管理系统软件三个方面阐述了提高锂离子动力电池系统安全性的方法。

参考文献

[1]通信行业标准.通信用磷酸铁锂电池组第1部分:集成式电池组.YD/T2344.1-2011.

[2]通信行业标准.通信用磷酸铁锂电池组第2部分:分立式电池组.YD/T2344.2-2015