簡介
1990年,索尼公司率先在實驗室推出了以LiCoO2為正極材料的鋰離子電池,並於1991年開始產業化生產。與傳統的鉛酸蓄電池相比,鋰離子電池在工作電壓、能量密度、循環壽命等方面都具有顯著優勢。所以,在過去的二十年間鋰離子電池被廣泛套用於便攜電子設備、電動工具等領域。而近幾年,隨著全球對節能減排的關注,鋰離子電池也逐漸被套用於通信、國家電網以及電動汽車等多種行業。對於通信電源行業節能減排來說,要求蓄電池體積更小、重量更輕、壽命更長、更耐高溫、維護更容易、性能更穩定、更環保等,因此為了順應這些需求,鋰離子電池也正逐漸向大容量電池方向轉變,通信用磷酸鐵鋰電池應運而生。鋰鐵電池是一種一次乾電池,屬於鋰電池的一種。它的分子式是LiFeS2,不同於人們通常所說的鐵鋰電池LiFePO4。鐵鋰電池的全稱是磷酸鐵鋰電池,屬於二次鋰離子電池。
鋰鐵電池的正極是二硫化亞鐵,負極是金屬鋰,使用卷繞方式製成電池,放電時,二硫化亞鐵被還原,金屬鋰被氧化。其能量密度約297Wh/kg,標稱電壓是1.5V,新電池開路電壓近1.8V,接負載時端電壓1.5V左右,實際工作時放電電壓可與鹼性電池兼容。5號鋰鐵電池重量約15克,輕於鎳氫和鹼性鋰錳電池。
優點
1、能夠兼容1.5V鹼性電池、碳性電池2、適用於大電流放電,以勁量L91為例,擁有2A持續放電、3A脈衝放電的能力
3、電量充足,其實際放電容量超過市面上所有的民用一次或二次電池。以耐時電池為例,在較低截止電壓,中大程度電流放電時,放電電量為鹼性電池的3倍以上。而當放電電流更大,截至電壓更高時,優勢會更明顯
4、溫度範圍比其他一次電池寬廣得多,低溫性能優異。以勁量L91為例,其工作溫度是零下40度至零上60度。
5、柱式或者紐扣電池重量只有同型號碳性電池的70%,鹼性電池的 50%
6、防漏性能明顯更好,貯存性能優異,可貯存10年
7、沒有使用有害材料,不污染環境
對比
鋰鐵電池與傳統的鉛酸蓄電池相比,具有以下優點:(1)能量密度高:標稱電壓為3.2V,能量密度是鉛酸電池的4倍左右,體積小、重量輕;
(2)安全性強:磷酸鐵鋰正極材料具有良好的電化學性能,充放電平台十分平穩,充放電過程中結構穩定,電池不燃燒、不爆炸、安全性好;
(3)高溫性能好:外部溫度55℃時電池正常工作;
(4)高功率輸出:標準放電為0.2C、可3C充放;
(5)長循環壽命:常溫1C充放電,單體經2000次循環後容量仍大於80%;
(6)環保:整個生產過程清潔無毒,所有原料都無毒。
通信用磷酸鐵鋰電池套用相比傳統的鉛酸蓄電池更能體現 “節能”、“節材”、“節地”等節能減排工作的需求。
優勢
(1)體積小、重量輕對於民用住宅內的站點,可節省承重加固的費用,進一步加速站點的建設, “節材”優勢更加明顯。
(2)高溫性能優異
優異的耐高溫性能可成倍增加戶外站電池的壽命,降低維護及更換電池費用,提供系統可靠性;此外在有空調的基站中,可以嘗試將空調設定為35度時啟動,能有效降低基站平均電耗,“節能”優勢更加明顯。
(3)高功率放電
鐵電池在3C以上放電依然能放出全部容量的90%以上,高功率、深度放電的優勢能有效降低目前UPS備用電池的總容量、容量降低的時對機房空間及承重要求過大等問題也伴隨得到解決, “節地”優勢更加明顯。
套用
(1)室外一體化鐵電池電源解決方案室外通信基站太陽直射,內置的鉛酸蓄電池壽命通常不超過2年,本方案採用磷酸鐵鋰電池,耐高溫性能優異,壽命達到5-10年。
此方案中電池的體積小,重量輕,耐高溫、長使用壽命等優勢在“節能”“節材”“節地”三個方面實現節能減排的目的,同時有效降低維護運營成本。
(2)村通等無空調的基站電源解決方案
村通工程的基站都設在偏遠的農村,規模小、配置小,基本上都沒有空調,而且停電頻繁,鉛酸電池在惡劣環境下工作的壽命短、更換頻繁、偏遠農村的維護成本高。改用鐵電池,則高溫性能好、可深度充放電,循環壽命長,體積小、重量輕,安裝輕便,可以在“節能”“節地”“節材”三方面達到節能減排的目的,同時還能改善網路供電質量。
(3)空間緊張的室內宏基站電源解決方案
室內宏基站數量多,覆蓋廣,要求供電可靠,所以一般都有兩組電池備電。站內鉛酸電池占地面積大、重量過重,當話務量增多而引起擴容需求時站內空間制約了新增設備的可能。
如果採用一體化開關電源配合鐵電池,則可降低機房中電源及電池的占地面積,滿足設備擴容的需求。同時鐵電池耐高溫性能優異,可以將站內空調啟動溫度提高到35度左右,能夠降低空調的能耗,通過節省電費有效降低運營成本,在“節能”“節地”“節材”三方面達到節能減排的目的。
(4)室內覆蓋/分散式站電源解決方案
原有2G網路的室內覆蓋,加之3G及WLAN熱點的不斷新建,室內覆蓋站的數量將進一步增多。由於室內覆蓋站點取電一般就近選擇市電,選擇48V通信電池模組或鐵電池UPS進行備電則可有效解決該類問題。
(5)通信用高壓直流電源系統(HVDC)供電方案
針對數據中心的供電方案,行業專家提出了通信用240V/336V高壓直流電源系統。該系統對蓄電池的要求的特點是高電壓(240V/336V)、短時間、大電流放電。如採用機架式磷酸鐵鋰電池組則有以下優勢:
(a) 重量輕,節省機房加固成本;
(b) 體積小,可以與HVDC系統以列頭櫃形式並列安放,不用單獨建立電池房,也可節省供電系統的占地面積,提高通信設備機架裝機率;
(c) 鐵電池可高倍率放電,降低蓄電池配置的容量;
(d) 鐵電池放電平台穩定,在電池供電模式下穩定的輸入電壓避免設備因輸入電壓的大範圍波動而引起異常。
(6)嵌入式UPS交流電源系統供電方案
對於中小型數據中心,歐美的已開發國家還有一種嵌入式UPS分散式供電方案,即用小功率UPS與網路櫃配合以機櫃為單位為伺服器供電。選擇鐵電池UPS有以下優勢:
(a) 重量輕,節省機房加固成本;
(b) 體積小,3KVA鐵電池機UPS僅占網路櫃2U空間,提高伺服器裝機率;
(c) 電池長壽命,主機與電池壽命幾乎相同,降低電池更換成本;
(d) 安全性好,鐵電池不起火、不爆炸,滿足IDC機房高安全性的要求
現狀
目前生產鋰鐵電池的廠家有:勁量、耐時、南孚、雙鹿和海特。基於多種優點,鋰鐵電池常常被人們稱為繼碳性電池、鹼性電池後的第三代一次電池,但實際上目前並沒有出現明顯的取代鹼性電池的趨勢,相關人士認為這是其成本和售價制約了發展的緣故。對於造成國內鋰鐵電池價格居高不下的原因,生產廠家做過專門分析,大致歸納為以下幾個方面:
1、高價原材料及其帶來的特殊生產環境及安全要求:造成鋰鐵電池高價結果的首要原因是用金屬鋰帶作負極,比鹼性電池的鋅膏高出許多;金屬鋰是活躍元素,因此對生產環境中的溫度和濕度都有更高的要求,不但要加裝乾燥機和空調設備,還要對崗位上的工作人員提高工資。鋰鐵電池活躍的負極金屬鋰,加上電解液易揮發,正極與隔膜均為可燃物,這些都需要添加相應的設備加以控制,而這些設備是碳性電池和鹼性電池生產中沒有的。
2、對外依賴性強:設備必須進口,由於設備製造商較少,外國設備商可以漫天要價,而且設備遇到故障還得求助於他們,在維修過程中,需要高價進口設備零件及支付高昂維修費。同時,電解液實際上依賴進口,其成分、配方是生產廠家的商業秘密。
3、生產中的損耗,特別是廢品率高:由於鋰鐵電池的精度要求高,因此,對原料選擇及人工操作要求較嚴。材料上的以次充好及採用不合格原料,或者人為誤操作都會使廢品率出現或提高。
正是上述內外原因導致了鋰鐵電池價格難以降低。另一方面,自2006年以來,國家對碳性電池和鹼性電池規定了環保標準,現有的鹼性電池均實現無汞化,這使得鋰鐵電池取代鹼性電池失去了環保優勢。