鋰離子電池在各種不同應用中的商用化進程已有20余載。那么，它們何以未被普及用于數(shù)據(jù)中心UPS中的電池呢?事實上，其原因在于，與所有其他的應用相同，鋰離子電池在UPS應用中無法為UPS供應商供應價格、能量密度、功率、安全性和可靠性方面的合理平衡。但在過去10年里，鋰離子化學成分和技術的改進已為UPS供應商供應了可行的方法。這些改進很大程度上是源于于電動汽車產業(yè)發(fā)展的推動。

在UPS不間斷供電系統(tǒng)中,后備蓄電池組是整個供電系統(tǒng)的最后一道供電保障防線，又是電源維護工作的重點與難點，在系統(tǒng)中斷的事故中，由電池組引發(fā)的故障所占比重較大，因此，人們對后備電池技術的變革會更加謹慎。

閥控式鉛酸蓄電池經(jīng)過幾十年的發(fā)展已經(jīng)被眾多行業(yè)廣泛應用，同樣，在數(shù)據(jù)中心、通信及各類機房UPS亦是首選。然而，隨著信息技術的發(fā)展，人們對供電系統(tǒng)的可靠性要求更高，對實現(xiàn)綠色環(huán)保的意識更強，為此，對解決閥控式鉛酸蓄電池存在的許多問題就更加迫切。

閥控式鉛酸蓄電池和磷酸鐵鋰離子電池相比較：

1、質能比低、體積能量比低，電池重量大，占地面積大。

2、充放電效率低，充放電效率約為92%左右，使用一段時間后充放電效率還會下降。

3、閥控式鉛酸蓄電池壽命短，設計壽命5-8年，實際使用大多為3～5年。

4、運行環(huán)境溫度要求高，在溫度超過25度時，環(huán)境溫度每提高7～10℃時電池壽命折損一半。

5、蓄電池大量采用鉛，其開采、加工和使用過程中均容易對環(huán)境造成嚴重污染。

為了解決以上問題，通信行業(yè)和一些知名品牌的大功率UPS配置磷酸鐵鋰離子電池應用在不斷新增，UPS市場一個新趨勢是對數(shù)據(jù)中心和UPS應用中鋰離子電池的興趣日益上升。與傳統(tǒng)的鉛酸蓄電池相比，鋰離子電池具有更長的使用壽命、更小的尺寸和重量、在更廣泛的環(huán)境中運行的能力，以及可大電流快速充放電，耐高溫性能優(yōu)越，在﹣10℃～﹢65℃情況下仍然能夠正常工作;總體擁有成本(TCO)更優(yōu)。

磷酸鐵鋰離子電池內部結構及工作原理

磷酸鐵鋰離子電池內部結構可分為極板、隔板、電解液、外殼、安全閥、端子等，詳見圖1。

圖1LiFePO4電池內部結構

左邊是橄欖石結構的LiFePO4作為電池的正極，由鋁箔與電池正極端子連接，右邊是由碳(石墨)組成的電池負極，由銅箔與電池的負極端子連接，中間是隔膜，它把正極與負極隔開，但鋰離子Li+可以通過而電子e-不能通過，電池的上下端之間是電池的電解質，為鋰離子運動供應運輸介質。

LiFePO4電池在充電時，外界電流從負極流向正極，導致正極中的鋰離子Li+從磷酸鐵鋰等過度金屬氧化物的晶格中脫出，經(jīng)過液態(tài)電解質這一橋梁，通過隔膜向負極遷移，并嵌入碳素材料負極的層狀結構中。正極材料的體積因鋰離子的移出而發(fā)生變化，但本身的骨架結構維持不變。

LiFePO4電池在放電時，負極中的鋰離子Li+從碳素材料層間脫出，經(jīng)過液態(tài)電解質這一橋梁，通過隔膜向正極遷移，并嵌入正極材料的晶格中，相應地電流從正極經(jīng)外界負載流向負極。

磷酸鐵鋰材料為橄欖石型磷酸鹽類嵌鋰材料，晶體結構穩(wěn)定，充放電過程中不易發(fā)生變形或破壞。同樣，鋰離子反復的嵌入和脫出只會引起負極材料的層間距變化，也不會引起材料晶體結構的破壞。鋰離子電池也稱為搖椅式電池。磷酸鐵鋰晶體結構詳見圖2。

圖2LiFePO4晶體結構

磷酸鐵鋰離子電池產品特點

磷酸鐵鋰離子電池重要技術要點如下：標稱電壓3.2V，一般充電電流為0.2~0.5C，最大充電電流為1~1.5C，充電電壓在3.65V以下時性能穩(wěn)定;一般放電電流為0.5~1C，最大放電電流為5~10C，放電終止電壓為2.0V;充電工作溫度范圍為0~55℃，放電工作溫度范圍為-20~60℃。

磷酸鐵鋰離子電池具有如下優(yōu)點：

1、輸出電壓高：磷酸鐵鋰離子電池工作電壓范圍：2.5～3.6V，平臺約3.2V;

2、安全性強：磷酸鐵鋰正極材料具有良好的電化學性能，充放電平臺十分平穩(wěn)，充放電過程中結構穩(wěn)定，可以過放電到零伏。即使電池內部或外部受到傷害，電池不燃燒、不爆炸、安全性較好;

3、高溫性能好：外部溫度65℃時內部溫度則高達95℃，電池放電結束時溫度可達160℃，電池的結構安全、完好;

4、高效率輸出：標準放電為2～5C、持續(xù)高電流放電可達10C，瞬間脈沖放電(10S)可達20C;

5、高循環(huán)壽命：經(jīng)500次循環(huán)，其放電容量仍大于95%;

6、使用方便：可快速充電;

7、環(huán)保：整個生產過程清潔無毒。所有原料都無毒。

8、非稀有資源：磷酸鐵鋰離子電池采用磷酸源、鋰源、鐵源為材料，無戰(zhàn)略資源及稀有資源。

磷酸鐵鋰與其它鋰離子性能比較

鈷酸鋰(LiCoO2)、鎳酸鋰(LiNiO2)、錳酸鋰(LiMn2O4)、磷酸鐵鋰(LiFePO4)等正極材料的性能比較詳見表1。

表1

磷酸鐵鋰離子電池產品檢測

根據(jù)工信產部質檢中心的檢驗報告，19項測試指標均合格，其中重要指標詳見表2

表2(700Ah)磷酸鐵鋰離子電池檢驗報告

磷酸鐵鋰和閥控式鉛酸電池的性能比較

表3磷酸鐵鋰離子電池和鉛酸電池性能比較

T1和T3為充電過程，T1為恒流-恒壓充電階段，T3為間歇式補充電階段;T2為電池組開路靜置階段;T4為電池組放電過程。

UPS與磷酸鐵鋰和密封閥控電池組應用方法及投資比較

舉例說明-數(shù)據(jù)中心UPS電池容量配置：

電池室空調啟動的環(huán)境溫度設定為25℃，UPS系統(tǒng)容量200kVA(396V/425A)，蓄電池放電時間0.5小時。經(jīng)計算，需配置396V/500Ah鉛酸電池1組，或者396V/200Ah鐵鋰離子電池1組。考慮同樣的機房承重條件，后者占地面積是前者的28%，后者重量是前者的16%。利用磷酸鐵鋰離子電池大電流放電特性，降低機房面積和承重要求，更容易實現(xiàn)分散供電。

華為鋰電采用三層電池管理系統(tǒng)，從電芯到電池柜、電池柜并聯(lián)系統(tǒng)，層層保障鋰電可靠性。華為鋰電管理系統(tǒng)具備電池單體電壓、溫度檢測，單體均流管理，充放電檢測、SOC、SOH管理，告警管理、報表分析等功能。實現(xiàn)電池故障及時識別，早期預警，主動隔離。

其次，華為鋰電擁有業(yè)界獨有的主動均流技術，支持新舊電池柜混用，鋰電柜并柜環(huán)流可以控制在2%以下，顯著降低Capex。

在硬件設計方面，鋰離子電池柜配有斷路器，電池管理模塊配有熔斷器、繼電器，保障出現(xiàn)故障時，快速動作，保護電池。

在運維管理方面，華為鋰電管理系統(tǒng)可以集成到UPS管理系統(tǒng)，電池管理與UPS管理系統(tǒng)是一套完整的系統(tǒng)。華為鋰電管理系統(tǒng)可以將電池信息上傳至UPS系統(tǒng)，配合華為UPS與網(wǎng)管系統(tǒng)，實現(xiàn)電池智能管理，減少檢測頻率，做到鋰電運行狀態(tài)隨時可查、可管、可控。

結束語

鋰離子電池采用率較低的原因一是初始成本較高，二是對其安全性不放心。但我們相信，隨著鋰離子電池技術的成熟和制造業(yè)產量的上升，更多供應商開始進入磷酸鐵鋰離子電池UPS應用領域，而最終用戶對數(shù)據(jù)中心全生命周期實踐的認知，將會為鋰離子電池的部署進行越來越多的規(guī)劃和預算。數(shù)據(jù)中心的儲能變革已在進行時。