^ 锂电篇 锂电池基础知识

一、电池家族

 

 

* “锂电池”这个名称本来指锂金属电池,是一次电池,但因为易爆炸所以早已不再应用。现在所称的锂电池一般都是锂离子电池。
平时我们使用的7号、5号电池,都属于干电池;早年砖头手机“大哥大”使用的则是镍氢电池;小电车里使用的通常是铅酸电池,4个一组方方正正打包地在一起;而我们的手机里、笔记本电脑里,乃至电动汽车里,使用的大多都是锂离子电池了。
主要电化学电池储能电池的特性比较:

 

 

二、电池名词解析

SOX:全称是State Of X,电池的状态描述,H是英文Health,C是容量,P是功率,E是能量,有点像发动机的参数,排量,功率,能量,运行时间等。大致意思是一致的。
 
SOC:(State of Charge) 指电池的荷电量,电池的电量好比水桶中的水,在某一时刻电池中含有多少可用电量即称为该时刻电池的SOC.在完全放电完毕的情况下SOC为0,完全充满电的情况下SOC为1。可用容量/实际容量。
 
DOD: (Depth of Discharge) 指电池的放电深度,电池在充满的情况下其DOD为0,完全放电完毕其DOD为1,所以,正常情框下面电池的DOD是一个介于0和1之间的数值,DOD和SOC的关系为:DOD+SOC=1。
 
SOH:(State of health) 指电池当前实际容量/电池初始额定容量,随着电池老化,SOH会不断降低。一般根据容量和内阻来衡量。

三、锂电池分类

按实用性能分:功率型(短跑,短时高功率输出)和能量型(长跑,高能量存储)
按外观:圆柱,方形(钢/铝外壳),软包(铝塑膜)
按电解质材料:液态锂离子电池(LIB)和聚合物锂离子电池(PLB)。
液态锂离子电池使用液体电解质(目前动力用电池多为此种)。聚合物锂离子电池则以固体聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物凝胶电解质。关于固态电池,严格意义上的是指电极和电解质均为固态的。
按正极材料:磷酸铁锂电池(LFP)、钴酸锂电池(LCO)、锰酸锂电池(LMO)、(二元电池:镍锰酸锂/镍钴酸锂)、(三元:镍钴锰酸锂电池(NCM)、镍钴铝酸锂电池(NCA))。
按负极材料:钛酸锂电池(LTO)、石墨烯电池、纳米碳纤维电池。

 

18650电池
18650是一种锂离子电池的型号,类似干电池的7号5号1号等等。
18650是锂离子电池的鼻祖--日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号,其中18表示直径为18mm,65表示长度为65mm,0表示为圆柱形电池。常见的18650电池分为锂离子电池、磷酸铁锂电池。锂离子电池电压为标称电压为3.7v,充电截止电压为4.2v,容量通常为1200mAh-3350mAh,磷酸铁锂电池标称电压为3.2V,充电截止电压为3.6v,常见容量是2200mAh-2600mAh。
18650的优点:
标准化:18650电池是最早、最成熟、最稳定的锂离子电池,日本厂商积在一致性方面积累了很高水准,单个电池发生问题时好替换。
安全性:18650电池一般是钢壳,相对于可能的碰撞问题方面安全性更好;而且随着18650电池生产工艺水平的的不断提高,安全性也在不断提高。钢壳锂电池容易发生爆炸问题,不过现在18650电芯上都设计有安全阀,不仅可以释放内部过大压力,还会物理断开电池与外界的电路连接,相当于将该电芯物理隔断,以保证电池包其它电芯的安全。
但其他电池与之相比也有一定优势,例如聚合物锂电池的相对安全性高,能量密度高,包装膜强度低,不会爆炸,最恶劣就是燃烧。能够定制设计,但相应研发成本提高,通用性降低。

磷酸铁锂电池(LFP)
磷酸锂铁(分子式LiFePO4,Lithium Iron Phosphate ,又称磷酸铁锂、锂铁磷,简称LFP),是一种锂离子电池的正极材料,也称为锂铁磷电池,特色是不含钴等贵重元素,原料价格低且磷、锂、铁存在于地球的资源含量丰富,不会有供料问题。其工作电压适中(3.2V)、电容量大(170mAh/g)、高放电功率、可快速充电且循环寿命长,在高温与高热环境下的稳定性高。

四、锂电池电压、容量

锂离子电池的电压会随着放电电流、环境温度和正负极材料的不同而变化。

 

 

这张图是使用钴酸锂作正极材料的松下2550mAh锂离子电池的放电曲线,从上到下3根曲线代表使用三种不同的放电电流时电压和容量变化的情况。
首先,在充放电过程中,电压是持续变化的。以490mA为例,电池充满电时开路电压为4.2V,随着放电的进行,电压(纵坐标)缓慢降低,放出的电量(横坐标)逐渐增加,直至3.5V时电压开始陡降。虽然在整个放电过程中电压一直都在变化,但为简单起见,只把曲线平缓放电部分的均值3.7V标注为电池电压。这段电压也叫做标称电压。
该电压是在小电流和室温环境下测得的,会随放电电流增大和温度降低而减小。
另一个影响电池电压的重要因素是正负极材料,上述松下电池分别使用钴酸锂和石墨作为正负极材料,这也是前几年整个锂电池产业的标准材料。随着新材料在电池中的应用,这两年出现了一些3.6V或3.8V的锂电池,它们使用了不同的正极材料,相对于钴酸锂电池,它们都能提高能量密度,即在单位重量和体积内存储更多的电量。

电池容量分为额定容量和实际容量。
1、实际容量是指在一定的放电条件下,电池实际放出的电量。实际容量总是低于理论容量。
2、额定容量是指在设计和制造电池时,规定电池在一定放电条件下应该放出的最低限度的电量。
电池容量一般以AH(安培小时,安时)计算,单体电池上为了方便一般都标注为mAh(毫安时)。若电池的额定容量是1300mAh,即130mA的电流给电池放电,那么该电池可以持续工作10小时(1300mAh/130mA=10h)。这是理想状态下的分析,数码设备实际工作时的电流不可能始终恒定在某一数值。
18650锂电池的容量一般为1200mah~3600mah之间。
现在衡量手机电池容量的单位是mAh,高中知识告诉我们,这是电量的单位,还需要乘上个电压才是能量的单位。
电池容量计算方法:

 

 

电池能量计算方法:

 

 

等等,手机消耗的明明是能量,怎么用个电量的单位来衡量它?!这其实是因为在手机这类便携式电子设备中,为了减小电池的体积,锂离子电池的正极使用的都是钴酸锂,这种正极材料具有很高的压实密度。正因为手机电池的正极用的都是同一种材料,所以电池的电压都比较接近(理论上是3.7V,这个具体和不同电池生产商的工艺有关),再加上手机里面往往只有一块单体电池(请忽视最近某手机厂出的某款手机,里面有两块2000mAh的电池),只用容量其实就可以衡量电池储存能量的大小。
但是电脑上的电池却会同时标注电池的容量(电量)和能量。这是因为,电脑中不只有一块单体电池啊,里面有很多块电池串并联,形成了电池组,就不能用电池的容量来衡量了。高中知识告诉我们:同一型号的电池,电池并联后,电池组的电压不变,但会增加电池组的容量;电池串联,电池组的容量不变,但是会增加电池组的电压。

 

posted @ 2025-05-02 16:50  jason2026  阅读(45)  评论(0)    收藏  举报