方形磷酸铁锂电池结构和产品特点解析

　　方形磷酸铁锂电池结构和产品特点解析。在动力电池市场，方形、圆柱、软包作为动力电池“三剑客”过去一段时间一直处于三足鼎立状态，其中方形电池的市场份额领先于软包和圆柱，但总体相对平衡。而如今这种局面已悄然发生改变，三足鼎立的平衡状态已经被打破！从2018年上半年的装机量上来看，方形电池已经对圆柱和软包电池形成绝对碾压之势，总量远超过圆柱和软包电池之和，继续保持磷酸铁锂电池最主流类型地位。本文将解析方形磷酸铁锂电池结构和产品特点。

　　方形磷酸铁锂电池

　　方形磷酸铁锂电池通常是指铝壳或钢壳方形电池，方形电池的普及率在国内很高，随着近年汽车动力电池的兴起，汽车续航里程与电池容量之间的矛盾日渐突显，国内动力电池厂商多采用电池能量密度较高的铝壳方形电池为主，因为方形电池的结构较为简单，不像圆柱电池采用强度较高的不锈钢作为壳体及具有防爆安全阀的等附件，所以整体附件重量要轻，相对能量密度较高。方型电池有采用卷绕和叠片两种不同的工艺。

　　但由于方形锂电池可以根据产品的尺寸进行定制化生产，所以市场上有成千上万种型号，而正因为型号太多，工艺很难统一。方形电池在普通的电子产品上使用没有问题，但对于需要多只串、并联的工业设备产品，最好使用标准化生产的圆柱形磷酸铁锂电池，这样生产工艺有保证，以后也更容易找到可替换的电池。

　　方形电池基本结构

　　一个典型的方形磷酸铁锂电池，主要组成部件包括：顶盖，壳体，正极板、负极板、隔膜组成的叠片或者卷绕，绝缘件，安全组件等。其中，红圈中的两个是安全结构，NSD针刺安全装置；OSD过充保护装置。

　　针刺安全保护装置(NSD，NailSafetyDevice)。这是在卷芯的最外面加上了金属层，例如铜薄片。当针刺发生时，在针刺位置产生的局部大电流通过大面积的铜薄片迅速把单位面积的电流降低，这样可以防止针刺位置局部过热，缓减电池热失控发生。

　　过充安全保护装置(OSD，OverchargeSafetyDevice)，目前这个安全设计在很多电池上都能看到。一般是一个金属薄片，配合fuse使用，fuse可以设计到正极集流体上，过充时电池内部产生的压力使得OSD触发内部短路，产生瞬间大电流，从而使Fuse熔断，从而切断电池内部电流回路。

　　壳体一般为钢壳或者铝壳，随着市场对能量密度的追求的驱动以及生产工艺的进步，铝壳逐渐成为主流。

　　结构设计对大型方形电池热特性的影响

　　锂离子电池的极耳形状和位置对于电池内的电流的分布、产热和散热都有着极其重要的影响，因此对于大尺寸磷酸铁电池热特性的分析还需要考虑极耳的形状和位置等特性。

　　为了提高锂离子电池的能量密度减小极耳的尺寸，降低集流体的厚度时常用的方法，因此StephanKosch利用上述模型的四种接耳结构和分布方式进行了模拟，并分析了不同的集流体厚度(TCC1，负极=15um，正极=25um；TCC2，负极=10um，正极=17um和TCC3，负极=7.5um，正极=12.5um)对方形磷酸铁锂电池热特性的影响，这极耳和不同厚度的铜箔的组合方式的方形锂离子电池的温度和能量密度特点。可以看到通过降低集流体的厚度，可以将电池的能量密度从134Wh/kg，提高到约147Wh/kg。

　　大尺寸方形锂离子电池在放电过程，特别是大电流放电过程中，由于电池极化和欧姆阻抗的作用会导致电池的内部产热极速增加，受到电池散热边界条件的影响，电池中间温度升高要明显快于电池边缘部分，因此会在电池内产生较大的温度梯度，同时在垂直于电池极片的方向由于散热受到电极极片自身的阻挡也存在明显的温度梯度，温度梯度的存在会导致电池内的电流分布和SoC状态不均匀，从而导致锂离子电池局部老化的加速，影响锂离子电池的使用寿命。

　　方形磷酸铁锂电池产品特点解析

　　优点：

　　方形磷酸铁锂电池封装可靠度高；系统能量效率高；相对重量轻，能量密度较高；结构较为简单，扩容相对方便，是当前通过提高单体容量来提高能量密度的重要选项；单体容量大，则系统构成相对简单，使得对单体的逐一监控成为可能；系统简单带来的另外一个好处是稳定性相对好。

　　缺点：

　　由于方形磷酸铁锂电池可以根据产品的尺寸进行定制化生产，所以市场上有成千上万种型号，而正因为型号太多，工艺很难统一；生产自动化水平不高，单体差异性较大，在大规模应用中，存在系统寿命远低于单体寿命的问题。

　　由于特定的包装材料与结构不同，方形、圆柱、软包电池各有优劣势。而且当前动力电池行业正处在大变革时期，各种技术创新层出不穷，未来哪种技术路线会脱颖而出还未可知。目前方形磷酸铁电池产能集中度过于明显，一旦未来市场有变，电池企业将面临很大的风险。