通信行业动力锂电池应用研究

2022-12-22李月奎高彬杰

通信电源技术 2022年13期

李月奎，高彬杰，李岩

（中国铁塔股份有限公司安徽省分公司，安徽亳州 230088）

0 引言

锂电池是指以锂元素或锂合金为负极物质，使用非水电解质溶液的一次动力电池。锂元素的化学特征活跃，其生产、储存和应用对环境要求特别严格，因此锂离子电池最初并未能得到广泛应用。随着20世纪末微电子科技的发展，先进仪器越来越多，社会对能源的需求越来越大，镍氢电池逐渐进入广泛实用阶段。

1 锂电池简介

1.1 分类

锂离子动力电池是指电化学传感器系统中含有锂的动力电池。锂电池大致可分为锂金属材料动力电池和锂离子脱嵌动力电池两类。锂金属材料动力电池通常是指以二氧化锰为电源材料、以金属锂或其他合金元素为负极材料以及使用无水或酸性电解质溶液的电池。锂金属电池通常是非充电的，包括金属状态的锂。尽管锂金属材料电池的能量密度很高，理论上可以达到3 860 Wh/kg，但是由于锂元素特性不稳定，所以不能成为再次循环利用的动能燃料电池。锂离子电池具备多次填充能力，因此作为重要的动力电池获得了迅速发展。它组合了各种金属元素，形成的正极材料在各方面特性差异较大，加剧了行业对正极材料发展路线的争议。

锂离子电池是二次电池（充电电池），主要通过锂离子在电池正负极材料内部往复嵌脱进行能量的储存和释放。通常使用锂合金金属氧化物作为电源材质，以石墨为负极材质，使用非水电解质的电池。但是，锂离子动力电池不含有各种金属形态的锂，所以可以充电。锂离子电池目前主要分为液态锂离子电池（Liquified Lithium-Ion Battery，LIB）和聚合物锂离子电池（Polymer Lithium-Ion Battery，PLB）两种[1]。

1.2 锂离子电池的结构

锂离子动力电池具有能满足各种使用场合的不同外形和结构特点，一般包括正极、负极、薄膜、电解液层和外壳，另外具备安全阀和热敏电阻（Positive Temperature Coefficient，PTC），在动力电池输出状态异常或发生短路故障时不会受到损伤。因为锂单电池电流一般只有3.7 V，所以人们对锂单电池往往采用串联和并联方式，以适应各种需要。

2 锂电池的优缺点

2.1 锂电池的主要优点

第一，能量高，具有超高的储能密度，目前为460～600 Wh/kg，约为传统铅酸电池的6～7倍。第二，持续时间长，持续时间可长达6年。第三，额定工作电压较高（单体工作电压为3.7 V或3.2 V），约等于3只镍镉或镍氢充电电池并联电压，易于组合电池电源组。第四，具有较高的电源强度，其中用于汽车的磷酸亚铁锂离子动力电池能够实现15～30 C的充放电操作功能，能够达到较大的起动加速度。第五，自放电率极低，是该动力电池最明显的优势，仅为镍氢动力电池的1/20。第六，重量轻，在相同尺寸下只有铅酸产品1/6～1/5的重量。第七，高低温试验能力好，可以在-20～60 ℃条件下工作，通过技术上的处理还可以在-45 ℃的条件下工作。第八，绿色环保，即在制造、利用、废弃等过程中不会产生铅、汞、镉等有毒及含有重金属元素的化学物质。

2.2 锂电池的主要缺点

首先，锂电池稳定性差，钴酸锂的锂离子动力电池不能高倍率充放电。其次，安全系数低，存在爆炸等风险。再次，操作复杂，锂离子电池必须通过安全电路，以免电池过充放电。最后，生产要求条件严格，成本高。

2.3 动力锂离子电池利用情况

2.3.1 国内动力锂离子电池的使用情况

目前，行业内包括国家电网、政府机关、电池公司等在内的生物动力锂离子电池阶段性回收技术的开发已经开始，并已取得了相应进展，但目前仍处于初级阶段，相应的技术产业链还不够完善且存在不足。从废车上重新组装动力电池的技术改造，可以提高电动汽车动力电源的循环利用率。

在国家退役锂离子动力电池储存系统示范项目中，河南电力有限公司与部分动力电池生产公司合作，共同推动国内退役锂离子动力电池的再次选配和充分利用，实现退役的动力锂离子电池应用于国家综合微供电系统。由于相关领域人员在电力准备和储能系统领域进行的研发，通信行业在2015年前后广泛采用动能锂离子电池，使得电话基站阶段性地选择动能锂离子电池代替普通的铅酸电池。目前，锂离子电池的应用范围长期保持高速增长势头。2006—2010年，我国锂离子电池应用比例主要在电力类领域呈上升趋势。随着新储能电站的建立，锂离子电池和移动通信基站类储能电池的应用越来越广泛。2006年，我国储能类锂离子电池的应用比例超过4.94%[2]。

2.3.2 国外动力锂离子电池的使用情况

国外也高度重视动力锂离子电池的应用，其中最关注动力锂离子电池应用的发达国家是日本。汽车普及时日本便开始考虑动力锂离子电池的阶段性使用问题，主要研究动力锂离子电池在电动汽车中使用和与合资公司新能源的开发[2,3]。

3 动力锂离子电池使用方案

3.1 动力锂离子电池使用的可行性

锂离子电池失灵的主要原因是电池容量减少的同时会发生容量跳水现象。锂离子解吸式动力电池中含有正、负极复合材料，具有可逆嵌入锂的能力。锂离子动力电池可嵌入复合材料，并可在复合材料中分离，使锂离子动力电池实现循环利用。

3.2 单体电池的筛选方法

动力锂离子电池存在的缺陷大多在于稳定性差，如果不能对其进行详细分析、检测与筛选，将影响阶梯循环电池效率的提高。

目前，检测方式大致分为滤波检测和大数据解析检测两种。在试验筛选方式中，先对退役传统动力锂离子电池进行大数据解析检测，对其进行分类重组，分别检测外形、结构中的电压、内阻、放电量等。大数据筛选主要是为了将生物动力锂离子技术更好地应用于电池。动力电池企业可以对单体电压和电流的相关数据进行一定的监测和数据分析，找到其存在的问题。利用阶梯进行分类，结合实时监测和数据分析得到的信息，对有问题的单电池进行重组，某种意义上可以加快动力电池的处理周期，降低人力物力成本[4]。

3.3 分组技术

从称量的结果可以看出是否必须调整单体的电池容量、带电能力、内阻以及自放电性等特性，以确保电池的稳定性。在小组化流程中，将部分未使用的动力锂离子电池直接分解成小模块，采用不同的数量对其进行串联连接，通过大数据检测方法对小部分一致性差或出现问题的电池进行筛选，以便更好地组装剩余部分的模块，实现模块间的一致性，从而不影响电池的正常使用。

3.4 电池组试验

梯度使用需要在动能锂离子电池分组时完成相应系列的实验。通过阶段性使用，能够进一步提高动力锂离子电池的安全。当动力锂离子电池应用于电动汽车时，应进行高温试验、挤出试验、过充试验、过放电试验、短路试验、针刺试验以及跌落试验等相关安全性能实验。只有所有性能均满足相关技术要求，才能将其应用于电动汽车。动力锂离子电池长期使用时会出现其内容和能量逐渐减少的现象，但其安全性能在投入使用时不会发生任何变化。当进行设计内容和性能的第二次检测时，其安全性可以长期满足使用环境的需求[5]。

动力用退役锂离子电池在进行阶梯利用时，通过严格把控动力电池的生产、测试、制造等流程，能够确保其使用过程的安全性。首先，要通过严格的动力电池检测和安全特性的抽查，确保动力电池的安全性能。其次，在实行成组工程设计前，要对动力锂离子电池的外形、电压、电阻值、放电量等进行相应的筛选检查，对同批次、同工况下的动力电池和电池模块实行相应的抽样检查，确保梯级利用动力电池的安全，并对动力电池功能模块执行相应的工程设计。在阶梯利用动力电池组设计时，从安全性角度做好功能模块的设计，充分考虑功能模块的绝缘问题、防护水平、部件应用以及电阻设计等相关因素。最后，利用相关措施提高其稳定性。梯形利用动力电池主要针对新型动力电池，在内阻、电压平台、容积等方面均存在不同的损耗。在通信基站利用过程中，如果电池组始终处于正常动作的状况而未进行维护，则在电池管理系统（Battery Management System，BMS）或开关电源等直流电源内部会出现无法通信的情况。如果BMS保护动作发生问题，则不仅动力电池会产生放电，而且会产生缺乏保护动作的状况。因此，要针对阶梯循环电池组运行的具体情况进行适当的充放电动作，确保电力安全可靠。

4 锂电池在通信行业的应用

由于20世纪微电子公司科技的蓬勃发展，科学技术不断提高，社会对能源有了更多需求，促使锂离子电池进入实用发展阶段。首先获得广泛应用的是心脏起搏器内的锂亚电池。锂亚电池自放电性低，发射电流非常缓慢，使得起搏器在体内的应用成为可能。

锂电池通常具有超过3 V的标称电压，最适合作为集成电路变压器。目前，锂离子动力电池使用市场广泛，已大规模应用于电话、笔记本电脑、计量器、手表、电动机、路灯备用供电、航空灯以及家庭生活小工具等设备[6]。

随着5G通信的快速发展，磷酸铁锂电池在众多电池中脱颖而出，并在5G通信基站建设中得到了越来越广泛的应用。5G与4G相比频率提升，频率越高则频带越窄，衍射范围越小。与4G基站约1.3 km的覆盖直径相比，5G基站的覆盖直径为0.1～0.3 km。因此，必须通过提高宏基站规模来提高通信覆盖率。在宏基站覆盖的盲区和重点区域，用小基站来补盲、补热以及增强其覆盖率，从而构建全覆盖的完整网络。我国目前4G用户规模已经超过500万户，而中国移动5G用户规模达到4G的3～4倍，届时将超过2 000万户。

5G基站设备功率的大幅提升，比原4G设备功率增加2～3倍。按照传统建设思路，电源设备将占用较大空间。大量租用基站机房必然面临空间紧张、荷载不足、安装条件不具备等诸多问题。小基站通常布置在高楼大厦、中央商务区（Central Business District，CBD）、重要交通枢纽等人流密集分布的城市场景，且场景限制只能布置在有限的空间内，设备必须“瘦身”才能适应建设场景[7]。

众所周知，铅酸电池在性能、成本以及再生利用等方面具有优势，可以在移动通信基站建设中得到应用，但是不能满足载体的建设需求。在这种情况下，锂电池的高储存能量密度和轻量化的特征便可以发挥作用[8]。