锂电池的基础知识

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Jun 10, 2020
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2020-06-10-00-li-battery-basics
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锂电池
硬件
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针对电池类产品开发过程中对电池充放电特性不是很了解的问题,对锂电池的相关技术进行的学习总结
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锂电池的组成结构

锂电池在结构上主要分为四个部分:正极,负极,电解液,隔膜。
  • 正极:磷酸铁LFP,三元材料(镍钴锰NCM/镍钴铝NCA);
    • LFP能量密度和低温性能比三元材料差很多,但是安全性方面要好很多;
  • 负极:基本上都是使用石墨;
  • 隔膜:放置于两极之间,作为隔离正负极的装置,以避免两极上的活性物质直接接触而造成电池内部的短路,从而造成安全性事故(对安全性要求较高的应用,都会要求对锂电池做穿刺测试来保证即使隔膜刺穿的情况下,也不会造成严重的安全性事故)。
    • 隔膜能够让带电的锂离子通过,以形成通路,电池充放电的过程中锂离子就是通过隔膜从一极移动到另外一极。
  • 电解液:是电池在充放电过程中Li离子传输的载体,一般由高纯度的有机溶剂、电解质锂盐、必要的添加剂等原料,在一定条件下、按一定比例配制而成的。

锂电池的工作原理

  • 锂系电池可以分为锂电池和锂离子电池。我们日常生活中使用的手机、充电池等实际上都是锂离子电池,只是人们将其俗称为锂电池。真正的锂电池由于危险性比较大,很少用于日常的电子产品中。
  • 锂离子电池工作原理的简单总结就是:锂电池是一种充电电池,它本质上主要是依靠锂原子在正极和负极之间移动来工作,因此锂离子电池也称为摇摆电池。
    • 充电过程中,Li原子会分解为一个锂离子Li+和一个电子,电子会通过外边的充电电路移动到负极,锂离子Li+则通过电解液移动到负极,因此充电过程中正极分解出来的Li+和电子都会移动到负极,重新组合成锂原子,整个充电的过程也就是正极的锂原子移动到负极的过程;
      • 充电过程中,正极的锂原子分解为一个锂离子Li+和一个电子的过程称为脱嵌,而在负极锂离子Li+和电子重新组合为锂原子的过程则称之为插入。
    • 放电的过程则刚好相反,负极的锂原子会分解为一个锂离子Li+和一个电子,电子会通过外边的放电电路移动到正极,锂离子Li+则通过电解液移动到正极,Li+和电子在正极重新再组合为锂原子;因此放电的过程实际上就是锂原子由负极向正极移动的过程;
      • 放电过程中,负极的锂原子分解为一个锂离子Li+和一个电子的过程称之为脱插;在正极重新组合为锂原子的过程则称之为嵌入。
    • 对电池而言,我们正常的使用电子设备的过程实际上就是所谓的电池放电的过程。

锂电池的主要参数

  • 电池容量/标称容量
    • 电池正常使用能够容纳或者释放的电量,由电池内包含的活性物质的数量来决定。
    • 一般按照使用电流与放电时间的乘积来计算,因此单位是mAh(毫安时)或者Ah(安时)。例如标准的18650电池的标称容量为2200mAh。
  • 化学容量QMax
    • 理论上电池中活性物质所能提供的最大化学能量。由于电池使用的过程中存在的内阻以及低压保护机制等因素,电池的实际使用容量(也就是标称容量)会低于其化学容量QMax。
  • 标称电压
    • 锂电池的放电曲线图呈现出抛物线的特性,其中4.3V降到3.7V以及3.7V降到3.0V,这两段变化都是很快的。电池会在3.7V左右放电维持很长时间,几乎占到了电池放电时间的3/4的时间,锂电池的标称电压就是指维持放电时间最长的那段电压。
  • 开路电压 VS 工作电压
    • 电池在外部不接任何负载的情况下,测量电池正负极之间的电位差,实际上也就是电池的开路电压即OCV。
    • 与电压相关的另外一个概念是工作电压,与开路电压相对应,即电池外接上负载,有电流流过的情况下测量电池正负极之间的电位差。
    • 因为电池内阻的存在,在放电状态即外接负载的情况下,工作电压低于开路电压;在充电状态即外接充电电源的情况下,工作电压高于开路电压。
    • 锂离子电池的标称电压一般为3.7V或者3.8V。
  • 充电限制电压
    • 锂电池在充电的过程中电池电压的开路电压会不断上升,当充电电池电量基本充饱,电极极板上的活性物质基本已经达到饱和状态,这个时候再继续充电,电池的电压也不会继续上升,这个时候的电压就是充电终止电压。
    • 锂离子电池的充电终止电压一般为4.2V、4.35V或者4.4V。
  • 放电终止电压
    • 是指电池在放电工作状态下运行输出的最低电压。一般来讲单元锂离子电池的放电终止电压电压为2.7V。
    • 锂电池绝对不能过放电!一旦电池的放电电压低于2.7V,可能会导致电池报废,因此一般会在电池内部加装保护电路,一旦检测到电池电压过低就会自动切断,停止放电。
  • 电池内阻
    • 电池的内阻由两极极板和离子流的阻抗决定。在充放电的过程中,极板的电阻是保持不变的,但是离子流的阻抗随电解液浓度和带电粒子的增减而变化。
    • 当锂电池的开路电压OCV降低的时候,电池内阻阻抗会增大,因此这就是为什么在电池处于低电状态(OCV电压低于3V)下,要先进行小电流的预充电(涓流充电),等待开路电压上升到一定程度(阻抗在这一过程中会降低)后再使用大电流快充,这样可以有效防止在电池内阻较大的情况下使用大电流充电导致电池发热量过大带来的安全性隐患。
    • 电池内阻的单位一般是毫欧姆,内阻大的电池,在充放电的时候,内部功耗大发热严重,会造成电池的加速老化和寿命衰减,同时也会限制大倍率的充放电应用,因此内阻越小,电池的寿命和倍率性能也就会越好。
  • 电池充放电倍率C
    • 电池的充放电倍率C实际上是一个相对电流参数,电池的C参数越高,意味着该电池能够支持更高的快充速度和充电电流,也就意味着该电池能够支持更大的放电电流。
    • 电池都有最大放电电流和最大充电电流的限制,如果使用过程中超过了这个限制就会损坏电池的使用寿命。
    • 1C表示电池最高可以支持1小时从低电充电到100%,0.5则表示需要2小时充满。以18650电池为例,该电池容量是2200mAh,1C就是2200mA,0.5C就是1100mA。
    • 总的来说,电池的充放电倍率参数C,决定了我们可以以多快的速度,将一定的能量存储到电池里面;或者能够以多快的速度(或者多大的放电电流)将电池里面的能量释放出来。
  • 自放电率
    • 是指在一段时间内,电池没有使用的情况下,会自动损失的电量占总容量的百分比。
    • 一般在常温下锂离子电池自放电率为5-8%。

锂电池充放电过程

典型的充电过程:
  • 充电开始时,应先检测待充电电池的电压,如果电压低于3V,要先进行预充电,充电电流为设定电流 的1/10,一般选0.05C左右;
  • 电压升到3V后,进入标准充电过程。标准充电过程为:以设定电流进行*恒流充电*,电池电压升到4.20V时,改为*恒压充电*,保持充电电压为4.20V。此时,充电电流逐渐下降,当电流下降至设定充电电流的1/10时(即充电电流达到一定阈值后就认为电已经充满了),充电结束。
  • 下图为典型的锂电池充电曲线图:
notion image
  • 一般锂电池的充电电流设定为0.2C到1C之间,充电电流越大,充电越快,但是:
    • 电池发热也会越大;使用过大的电流充电,容量充不满;
    • 因此一般都是使用比较大的电流充到快满的状态,然后再用小电流充满;
典型的放电过程:
  • 下图为典型的锂电池放电曲线图:
notion image
  • 整个放电的过程中,电池电压会快速从满电电压下降到锂电池的标称工作电压,在标称工作电压的位置持续工作很长时间,在电量即将耗尽的时候又以很快的速度下降到截止电压(例如上图的3V),当电池电压下降到放电截至电压,电池就会启动保护机制停止放电。
  • 电池放电电流越大,放电容量越小,电压下降更快。

参考资料:


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