锂電(diàn)池已經與我們生(shēng)活息息相關，我們吃(chī)穿住行(xíng)都與之有(yǒu)着千絲萬縷的關系，但(dàn)是很(hěn)多(duō)人(rén)卻對锂電(diàn)池并不了解，這并不局限于普通(tōng)的消費者，即使是各種電(diàn)器(qì)的設計(jì)師(shī)對于锂電(diàn)池也是一知半解。下面惟尚将和(hé)大(dà)家(jiā)一起分享下關于锂電(diàn)池知識的系列文章，通(tōng)過這些(xiē)文章大(dà)家(jiā)将對锂電(diàn)池産生(shēng)一個(gè)系統的認識。
四、《锂電(diàn)池的能量密度和(hé)充放電(diàn)倍率》
三、 主要參數(shù)指标
锂離子電(diàn)池具有(yǒu)能量密度高(gāo)、轉換效率高(gāo)、循環壽命長、無記憶效應、無充放電(diàn)延時(shí)、自放電(diàn)率低(dī)、工作(zuò)溫度範圍寬和(hé)環境友(yǒu)好等優點，因而成為(wèi)電(diàn)能的一個(gè)比較理(lǐ)想的載體(tǐ)，在各個(gè)領域得(de)到廣泛的應用。
一般而言，我們在使用锂離子電(diàn)池的時(shí)候，會(huì)關注一些(xiē)技(jì)術(shù)指标，作(zuò)為(wèi)衡量其性能“優劣”的主要因素。那(nà)麽，哪些(xiē)指标是我們需要在使用的時(shí)候，應該予以特别關注呢？
1. 容量
這是大(dà)家(jiā)比較關心的一個(gè)參數(shù)。智能手機早已普及，我們在使用智能手機的時(shí)候，最為(wèi)擔心的就是電(diàn)量不足，需要頻繁充電(diàn)，有(yǒu)時(shí)還(hái)找不到地方充電(diàn)。早期的功能 機，正常使用情況下，滿充的電(diàn)池可(kě)以待機3~5天，一些(xiē)産品甚至可(kě)以待機7天以上(shàng)。可(kě)是到了智能機時(shí)代，待機時(shí)間(jiān)就顯得(de)慘不忍睹了。這裏面很(hěn)重要的一個(gè)原 因，就是手機的功耗越來(lái)越大(dà)，而電(diàn)池的容量卻沒有(yǒu)同比例的增長。
容量的單位一般為(wèi)“mAh”(毫安時(shí))或“Ah”(安時(shí))，在使用時(shí)又有(yǒu)額定容量和(hé)實際容量的區(qū)别。額定容量是指滿充的锂離子電(diàn)池在實驗室條件下(比較 理(lǐ)想的溫濕度環境)，以某一特定的放電(diàn)倍率(C-rate)放電(diàn)到截止電(diàn)壓時(shí)，所能夠提供的總的電(diàn)量。實際容量一般都不等于額定容量，它與溫度、濕度、充 放電(diàn)倍率等直接相關。一般情況下，實際容量比額定容量偏小(xiǎo)一些(xiē)，有(yǒu)時(shí)甚至比額定容量小(xiǎo)很(hěn)多(duō)，比如北方的冬季，如果在室外使用手機，電(diàn)池容量會(huì)迅速下降。
2. 能量密度
能量密度，指的是單位體(tǐ)積或單位重量的電(diàn)池，能夠存儲和(hé)釋放的電(diàn)量，其單位有(yǒu)兩種：Wh/kg，Wh/L，分别代表重量比能量和(hé)體(tǐ)積比能量。這裏的電(diàn)量，是上(shàng)面提到的容量(Ah)與工作(zuò)電(diàn)壓(V)的積分。在應用的時(shí)候，能量密度這個(gè)指标比容量更具有(yǒu)指導性意義。
基于當前的锂離子電(diàn)池技(jì)術(shù)，能夠達到的能量密度水(shuǐ)平大(dà)約在100~200Wh/kg，這一數(shù)值還(hái)是比較低(dī)的，在許多(duō)場(chǎng)合都成為(wèi)锂離子電(diàn)池應用的瓶頸。這一問題同樣出現在電(diàn)動汽車(chē)領域，在體(tǐ)積和(hé)重量都受到嚴格限制(zhì)的情況下，電(diàn)池的能量密度決定了電(diàn)動汽車(chē)的單次最大(dà)行(xíng)駛裏程，于是出現了“裏程焦慮症”這一特有(yǒu)的名詞。如果要使得(de)電(diàn)動汽車(chē)的單次行(xíng)駛裏程達到500公裏(與傳統燃油車(chē)相當)，電(diàn)池單體(tǐ)的能量密度必須達到300Wh/kg以上(shàng)。
锂離子電(diàn)池能量密度的提升，是一個(gè)緩慢的過程，遠低(dī)于集成電(diàn)路産業的摩爾定律，這就造成了電(diàn)子産品的性能提升與電(diàn)池的能量密度提升之間(jiān)存在一個(gè)剪刀差，并且随着時(shí)間(jiān)不斷擴大(dà)。
3. 充放電(diàn)倍率
這個(gè)指标會(huì)影(yǐng)響锂離子電(diàn)池工作(zuò)時(shí)的連續電(diàn)流和(hé)峰值電(diàn)流，其單位一般為(wèi)C(C-rate的簡寫)，如1/10C，1/5C，1C，5C，10C等。舉個(gè)例 子來(lái)闡述倍率指标的具體(tǐ)含義，某電(diàn)池的額定容量是10Ah，如果其額定充放電(diàn)倍率是1C，那(nà)麽就意味着這個(gè)型号的電(diàn)池，可(kě)以以10A的電(diàn)流，進行(xíng)反複的充 放電(diàn)，一直到充電(diàn)或放電(diàn)的截止電(diàn)壓。如果其最大(dà)放電(diàn)倍率是10C@10s，最大(dà)充電(diàn)倍率5C@10s，那(nà)麽該電(diàn)池可(kě)以以100A的電(diàn)流進行(xíng)持續10秒(miǎo)的放 電(diàn)，以50A的電(diàn)流進行(xíng)持續10秒(miǎo)的充電(diàn)。
充放電(diàn)倍率對應的電(diàn)流值乘以工作(zuò)電(diàn)壓，就可(kě)以得(de)出锂離子電(diàn)池的連續功率和(hé)峰值功率指标。充放 電(diàn)倍率指标定義的越詳細，對于使用時(shí)的指導意義越大(dà)。尤其是作(zuò)為(wèi)電(diàn)動交通(tōng)工具動力源的锂離子電(diàn)池，需要規定不同溫度條件下的連續和(hé)脈沖倍率指标，以确保锂 離子電(diàn)池使用在合理(lǐ)的範圍之內(nèi)。
4. 電(diàn)壓
锂離子電(diàn)池的電(diàn)壓，有(yǒu)開(kāi)路電(diàn)壓、工作(zuò)電(diàn)壓、充電(diàn)截止電(diàn)壓、放電(diàn)截止電(diàn)壓等一些(xiē)參數(shù)，本文不再分開(kāi)一一論述，而是集中做(zuò)個(gè)解釋。
開(kāi)路電(diàn)壓，顧名思義，就是電(diàn)池外部不接任何負載或電(diàn)源，測量電(diàn)池正負極之間(jiān)的電(diàn)位差，此即為(wèi)電(diàn)池的開(kāi)路電(diàn)壓。
工作(zuò)電(diàn)壓，就是電(diàn)池外接負載或電(diàn)源，處在工作(zuò)狀态，有(yǒu)電(diàn)流流過時(shí)，測量所得(de)的正負極之間(jiān)的電(diàn)位差。一般來(lái)說，由于電(diàn)池內(nèi)阻的存在，放電(diàn)狀态時(shí)的工作(zuò)電(diàn)壓低(dī)于開(kāi)路電(diàn)壓，充電(diàn)時(shí)的工作(zuò)電(diàn)壓高(gāo)于開(kāi)路電(diàn)壓。
充/放電(diàn)截止電(diàn)壓，是指電(diàn)池允許達到的最高(gāo)和(hé)最低(dī)工作(zuò)電(diàn)壓。超過了這一限值，會(huì)對電(diàn)池産生(shēng)一些(xiē)不可(kě)逆的損害，導緻電(diàn)池性能的降低(dī)，嚴重時(shí)甚至造成起火(huǒ)、爆炸等安全事故。
電(diàn)池的開(kāi)路電(diàn)壓和(hé)工作(zuò)電(diàn)壓，與電(diàn)池的容量存在一定的對應關系。
5. 壽命
锂離子電(diàn)池的壽命會(huì)随着使用和(hé)存儲而逐步衰減，并且會(huì)有(yǒu)較為(wèi)明(míng)顯的表現。仍然以智能手機為(wèi)例，使用過一段時(shí)間(jiān)的手機，可(kě)以很(hěn)明(míng)顯的感覺到手機電(diàn)池“不耐用”了，剛開(kāi)始可(kě)能一天隻充一次，後面可(kě)能需要一天充電(diàn)兩次，這就是電(diàn)池壽命不斷衰減的體(tǐ)現。
锂離子電(diàn)池的壽命分為(wèi)循環壽命和(hé)日曆壽命兩個(gè)參數(shù)。循環壽命一般以次數(shù)為(wèi)單位，表征電(diàn)池可(kě)以循環充放電(diàn)的次數(shù)。當然這裏也是有(yǒu)條件的，一般是在理(lǐ)想的溫 濕度下，以額定的充放電(diàn)電(diàn)流進行(xíng)深度的充放電(diàn)(100% DOD或者80%DOD)，計(jì)算(suàn)電(diàn)池容量衰減到額定容量的80%時(shí)，所經曆的循環次數(shù)。
日曆壽命的定義則比較複雜，電(diàn)池不可(kě)能一直在充放電(diàn)，有(yǒu)存儲和(hé)擱置，也不可(kě)能一直處于理(lǐ)想環境條件，會(huì)經曆各種溫濕度條件，充放電(diàn)的倍率也是時(shí)刻在變化 的，所以實際的使用壽命就需要模拟和(hé)測試。簡單的說，日曆壽命就是電(diàn)池在使用環境條件下，經過特定的使用工況，達到壽命終止條件(比如容量衰減到80%) 的時(shí)間(jiān)跨度。日曆壽命與具體(tǐ)的使用要求是緊密結合的，通(tōng)常需要規定具體(tǐ)的使用工況，環境條件，存儲間(jiān)隔等。
日曆壽命比循環壽命更具有(yǒu)實際意義，但(dàn)由于日曆壽命的測算(suàn)非常複雜，而且耗時(shí)太長，所以一般電(diàn)池廠家(jiā)隻給出循環壽命的數(shù)據。如需要獲得(de)日曆壽命的數(shù)據，通(tōng)常要額外付費，且要等待很(hěn)長時(shí)間(jiān)。
6. 內(nèi)阻
锂離子電(diàn)池的內(nèi)阻是指電(diàn)池在工作(zuò)時(shí)，電(diàn)流流過電(diàn)池內(nèi)部所受到的阻力，它包括歐姆內(nèi)阻和(hé)極化內(nèi)阻，極化內(nèi)阻又包括電(diàn)化學極化內(nèi)阻和(hé)濃差極化內(nèi)阻。
歐姆內(nèi)阻由電(diàn)極材料、電(diàn)解質、隔膜電(diàn)阻及各部分零件的接觸電(diàn)阻組成。極化內(nèi)阻是指電(diàn)化學反應時(shí)由極化引起的電(diàn)阻，包括電(diàn)化學極極化和(hé)濃差極化引起的電(diàn)阻。
內(nèi)阻的單位一般是毫歐姆(mΩ)，內(nèi)阻大(dà)的電(diàn)池，在充放電(diàn)的時(shí)候，內(nèi)部功耗大(dà)，發熱嚴重，會(huì)造成锂離子電(diàn)池的加速老化和(hé)壽命衰減，同時(shí)也會(huì)限制(zhì)大(dà)倍率的充放電(diàn)應用。所以，內(nèi)阻做(zuò)的越小(xiǎo)，锂離子電(diàn)池的壽命和(hé)倍率性能就會(huì)越好。
7. 自放電(diàn)
電(diàn)池在放置的時(shí)候，其容量是在不斷下降的，容量下降的速率稱為(wèi)自放電(diàn)率，通(tōng)常以百分數(shù)表示：%/月。
自放電(diàn)是我們不希望看到的，一個(gè)充滿電(diàn)的電(diàn)池，放個(gè)幾個(gè)月，電(diàn)量就會(huì)少(shǎo)很(hěn)多(duō)，所以我們希望锂離子電(diàn)池的自放電(diàn)率越低(dī)越好。
這裏需要特别注意，一旦锂離子電(diàn)池的自放電(diàn)導緻電(diàn)池過放，其造成的影(yǐng)響通(tōng)常是不可(kě)逆的，即使再充電(diàn)，電(diàn)池的可(kě)用容量也會(huì)有(yǒu)很(hěn)大(dà)損失，壽命會(huì)快速衰減。所以長期放置不用的锂離子電(diàn)池，一定要記得(de)定期充電(diàn)，避免因為(wèi)自放電(diàn)導緻過放，性能受到很(hěn)大(dà)影(yǐng)響。
8. 工作(zuò)溫度範圍
由于锂離子電(diàn)池內(nèi)部化學材料的特性，锂離子電(diàn)池有(yǒu)一個(gè)合理(lǐ)的工作(zuò)溫度範圍(常見的數(shù)據在-40℃~60℃之間(jiān))，如果超出了合理(lǐ)的範圍使用，會(huì)對锂離子電(diàn)池的性能造成較大(dà)的影(yǐng)響。
不同材料的锂離子電(diàn)池，其工作(zuò)溫度範圍也是不一樣的，有(yǒu)些(xiē)具有(yǒu)良好的高(gāo)溫性能，有(yǒu)些(xiē)則能夠适應低(dī)溫條件。锂離子電(diàn)池的工作(zuò)電(diàn)壓、容量、充放電(diàn)倍率等參數(shù) 都會(huì)随着溫度的變化而發生(shēng)非常顯著的變化。長時(shí)間(jiān)的高(gāo)溫或低(dī)溫使用，也會(huì)使得(de)锂離子電(diàn)池的壽命加速衰減。因此，努力創造一個(gè)适宜的工作(zuò)溫度範圍，才能夠最 大(dà)限度的提升锂離子電(diàn)池的性能。
除了工作(zuò)溫度有(yǒu)限制(zhì)之外，锂離子電(diàn)池的存儲溫度也是有(yǒu)嚴格約束的，長期高(gāo)溫或低(dī)溫存儲，都會(huì)對電(diàn)池性能造成不可(kě)逆的影(yǐng)響。
