[锂电池]锂电池入门指南

根据正极材料所采用锂化合物的不同，可以将锂离子电池划分为如下几个种类：

1. 钴酸锂电池：钴酸锂比较容易合成，但是钴是稀有金属，价格比较昂贵，并且化学性质非常活泼，需要限制充放电电流，避免出现热失控。
2. 锰酸锂电池：放电电压与钴酸锂电池相类似，但是制造成本更加低廉，但是充放电过程当中，锰可能会溶入电解质，缩短电池寿命。
3. 三元锂电池：即镍钴锰酸锂，优点在于安全性相对高，而且以铁作为原材料，生成成本相比锰酸锂更低，缺点在于放电电压非常低。
4. 磷酸铁锂电池：为了减少钴的用量，同时使用了钴、镍、锰三种材料，其中镍的比例较高，虽然放电电压相比钴酸锂、锰酸锂略低，但是能够降低生产成本，并且容量较高。但是缺点在于材料化学属性较为活泼，高温性能不稳定。
5. 钛酸锂电池：负极材料采用钛酸锂，正极材料采用上述其它几种锂离子材料，稳定性和安全性更好，循环寿命更长。但是价格昂贵，且能量密度过低，不太适合作为动力电池。

根据封装形式的不同，大体上可以将锂离子电池划分为软包、圆柱、方形三种类型

其命名规则为：

圆柱形锂电池（如18650、21700） 
命名格式：[正极材料][负极材料][直径][高度][0]（单位：毫米，末尾0代表圆柱形）示例： 18650：直径 18mm，高度 65mm，圆柱形。 21700：直径 21mm，高度 70mm，圆柱形。 
方形锂电池（如铝壳/聚合物） 
命名格式：[厚度][宽度][长度]（单位：毫米，字母P代表聚合物） 
示例： PLB523450：聚合物电池，厚 5.2mm，宽 34mm，长 50mm。 ICP103450：铝壳电池，厚 10mm，宽 34mm，长 50mm。 
软包锂电池（聚合物锂电） 
命名格式：[化学体系][厚度][宽度][长度] 
示例： LPB556080：聚合物电池（Li-Polymer），厚 5.5mm，宽 60mm，长 80mm。

        以圆柱形锂电池为例，其中，正极材料包括有 C/U（钴酸锂）、M（锰酸锂）、NB（氧化铌）、V（氧化钒）、T（钛酸锂），而负极材料包括有 C（碳）、L（铝酸锂）、S（硅酸锂）、T/TL（钛酸锂）。除此之外，直径和高度的单位均为 mm 毫米。为了书写方便，通常会省去前面的正负极材料代码，而直接使用外形尺寸来描述不同的电池规格。例如在下面的表格里，就展示了常用圆柱形金属壳锂离子电池的型号与规格：

锂电池容量的计算方法，根据表达意义所侧重的不同，可以进一步划分为能量密度法和时间乘积法两种方式：

• 能量密度法：即电池容量与电池质量的比值，通常以瓦时/千克（Wh/kg）作为单位进行表示。
• 时间乘积法：通常以安时（Ah，Ampere-hour）作为单位，表示在一定放电条件下（环境温度 25°C 左右），其所能够提供的电流和持续时间的乘积。例如，如果一节锂电池能够以 1 安培的电流持续放电 1 小时，那么其容量就等于 1Ah 安时。

        锂电池的内阻是指电池在工作时，电流经过电池内部所受到的阻力（不是常量，会随时间和温度变化）。主要由欧姆内阻（电解液、电极材料、隔膜的体电阻或者接触电阻）和极化内阻（正负极发生电化学反应时极化所产生的阻抗）两个部分组成。

较低的锂电池内阻可以减少充放电过程当中的能量损失，也有助于降低锂电池在大电流充放电时候所产生的热量，从而降低热失控的风险。除此之外，锂电池内阻的增高通常与锂电池内部材料的老化过程相关，因而监测内阻的变化对于预测电池的健康状态也具有重要意义。锂电阻的内阻测量方法主要包括直流和交流两种：

• 直流测量法：通过在锂电池两端施加恒定电压并测量通过锂电池的电流来计算内阻。
• 交流测量法：通过在锂电池两端施加小幅的交流电压，并测量其电流响应来计算内阻。

        充放电倍率 C 用于表示锂电池在单位时间内，完全放电所输出的电流大小。例如一节标称为 3300mAh 容量的 18650 型三元锂电池，其放电倍率为 3C，则其以 1 小时单位时间内进行放电，输出的电流应当为 9.9A 安培，具体计算公式如下所示：

        根据放电倍率的不同，还可以将锂电池划分为功率/动力型（放电倍率大于 10C）和容量型（放电倍率 1C ~ 3C）两种类型。下图是某国产 18650 型锂电池的规格书，注意其中关于锂电池充放电倍率的描述：

        锂电池的工作温度直接影响其性能、安全性和寿命。低温下电解液黏稠、内阻增大，容量和功率下降，若低温充电还可能生成锂枝晶，引发短路；高温则加速电解液分解、电极老化，严重时导致热失控。温度过高或过低都会缩短循环寿命，增加安全风险，以下是各类锂电池的高低温特性：

电池类型	放电温度范围	充电温度范围	低温性能	高温性能	特点与备注
三元锂（NCM/NCA）	-20°C ~ +60°C	0°C ~ +45°C	容量衰减明显，不能低温充电	容易热失控，老化加快	能量密度高，适合中性温度环境
磷酸铁锂（LFP）	-20°C ~ +60°C	0°C ~ +55°C	容量下降但相对稳定	较为稳定，安全性高	热稳定性好，循环寿命长
锰酸锂（LMO）	-20°C ~ +60°C	0°C ~ +45°C	较差	较差，寿命短	常用于消费类产品
钛酸锂（LTO）	-40°C ~ +60°C	-20°C ~ +45°C	极佳，支持低温充电	稳定，但能量密度低	安全性极高，低温应用优选
特种定制电芯	-40°C ~ +70°C	-20°C ~ +60°C	优化电解液，适应极寒	需热管理系统支持	成本高，用于军工/极端环境

锂电池通常会使用循环次数和日历寿命两指标来表示电池的寿命：

• 循环次数：将电池从 0％ 充电至 100％，再从 100％ 放电到 0％ 作为一个循环，能够反复进行充放电的次数。
• 日历寿命：表示电池在规定的充电状态下即使静置也能够使用的时间，即从生产之日起至电池寿命结束的时间长度。

        在多数应用场景下，单节电池会存在电压、电流、容量不够的情况，一般通过串联增压，并联增流增容的方式来解决，它们各自的连接方式分别如下图所示：

• 串联（上图左）：将锂电池单体首尾相连，此时负载 Load 两端的输出电压，等于各个单体的端电压之和 36V。
• 并联（上图右）：将锂电池单体的正极分别相互连接到一起，此时负载 Load 两端的输出电压不变，输出电流等于各个单体的输出电流之和 3A，并且最终构成的电池包总容量也会相应的提升至三个单体容量之和。
• 电池组命名方式：电芯通过串并联组成电池组后，一般用几串几并、额定电压、额定容量来区分，例如3串2并的2500mah三元锂电池就是3S2P 11.1V（3.7V * 3） 5Ah（2500mah * 2）。

        放电是电池从满电状态开始释放能量，电压随容量逐渐下降的过程，以下以三元和铁锂的放电曲线为例进行说明：

• 三元锂曲线成斜坡形，电压随容量线性下降。
• 磷酸铁锂曲线存在明显平台期，在20-80电量区间电压长时间稳定。
• 两者在首端和末端电压均会有大幅下滑。

• 涓流充电阶段：当电池电压低于3V时进行低压预充，激活电池同时避免电池因为自放电而电量耗尽，充电电流为恒流 0.05C。
• 恒流充电阶段：当电池电压上升至涓流充电电压的阈值之上时，就可以提高充电电流至 0.2C ~ 1C 进行恒流充电，直至电压上升至 4.2V 时结束恒流充电。
• 恒压充电阶段：保持充电电压为 4.2V，伴随着电池电量的逐渐饱和，当充电电流逐渐减小至 0.01C 的时候，就可以终止充电。
• 涓流浮充阶段：在电池充满后为保持电池电量且避免过充，以4.1V - 4.15V 的电压进行浮充，如果对电量要求不高，以更低的电压浮充会更友好。

        看完全篇想必大家对锂电池也有了一些基本的概念，也能意识到电池若想要长期安全的运行，势必需要对其各项参数进行监测，而这就需要用到对锂电池来说必不可少的锂电池管理系统。对于锂电池管理系统的介绍，请见下回《锂电池管理系统（BMS）入门指南》