^ 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。