鋰電池的基礎(chǔ)知識(shí)以及性能介紹（不同類(lèi)型的鋰離子電池對(duì)比）

一 鋰電池的分類(lèi)

根據(jù)鋰電池內(nèi)鋰的存在形態(tài)不同，鋰電池可劃分為鋰金屬電池和鋰離子電池兩大類(lèi)。

圖：鋰電池分類(lèi)圖

1、鋰金屬電池

（1）原理：

鋰金屬電池是把鋰金屬作為電極，通過(guò)對(duì)金屬鋰的腐蝕或氧化而產(chǎn)生電能；

圖：鋰金屬紐扣電池構(gòu)成（圖源來(lái)自網(wǎng)絡(luò)）

（2）特點(diǎn)：

a）電能量高，遠(yuǎn)大于其他材料制造的干電池；

b）正因?yàn)殡娔芰亢芨?，所以鋰金屬電池容易發(fā)生火災(zāi)和爆炸；

c）鋰金屬電池的產(chǎn)品形態(tài)大多是一次性電池，不能充電和循環(huán)利用；

（3）用途：

鋰金屬電池應(yīng)用最多的形式為紐扣電池。主要應(yīng)用在電腦板卡或車(chē)鑰匙等設(shè)備上，用作RTC時(shí)鐘的備電供電或車(chē)鑰匙供電。

（4）紐扣電池：

常見(jiàn)的紐扣電池形態(tài)有CR2016、CR2032、CR2450等。CR代表扣式鋰錳電池的國(guó)際IEC編號(hào)、20&24代表電池直徑為20&24mm、16/32/50代表電池厚度為16/32/50mm。

此類(lèi)紐扣電池標(biāo)準(zhǔn)工作電壓一般為3V且不可充電。CR2016常規(guī)容量在70mAh左右，CR2032容量可做到200mAh以上，CR2450容量則可以做到600mAh。

圖：CR2450電池容量

紐扣電池最高電壓不超過(guò)3.2V、最低電壓2.0V，電池容量集中在2.8~3.0V區(qū)間。

由下述的電池放電曲線圖可以看到：在3.0V~2.8V區(qū)間電池容量占比較多、電池電壓比較穩(wěn)定，2.8V以下電池電壓迅速下跌。

圖：CR2032紐扣電池放電曲線

2、鋰離子電池

（1）原理：

鋰離子電池是一種可充電電池，主要依靠鋰離子在正極和負(fù)極之間往返嵌入和脫嵌實(shí)現(xiàn)充放電。充電時(shí)LI+充正極脫嵌，經(jīng)過(guò)電解質(zhì)嵌入負(fù)極，負(fù)極處于富鋰狀態(tài)。放電時(shí)則相反。

圖：鋰離子電池構(gòu)成示意圖（圖源網(wǎng)絡(luò)）

（2）分類(lèi)：

鋰離子電池還可以細(xì)分為液態(tài)鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。

（a）液態(tài)鋰離子電池

俗稱“鋰電”，電解質(zhì)為液態(tài)電解質(zhì)。正極材料一般為含鋰的化合物（沒(méi)有金屬鋰，只有鋰離子），主流的正極材料是磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元鋰以及鈷酸鋰等。負(fù)極材料一般為石墨材料。電池形態(tài)主要為圓柱形金屬外殼電池，如14500、18650、26500等。

市面上最為常見(jiàn)和廣泛應(yīng)用的是18650電池。目前市面上18650電池標(biāo)稱電壓一般為3.6V或3.7V、最高電壓一般為4.2V、主流容量從1800mAh到3000mAh不等。

18650含義：18指電池直徑為18.0mm，65指電池高度為65.0mm，0指圓柱形電池。

圖：18650電池

為了避免密封的金屬外殼發(fā)生爆炸，液態(tài)鋰離子電池（如18650電池）都會(huì)在電池外殼頂部配有安全閥（即電流切斷裝置CID，current interrupt device）。

安全閥是18650電池最重要的防爆措施。當(dāng)電池電芯出現(xiàn)熱失控時(shí)，內(nèi)部產(chǎn)生大量氣體導(dǎo)致電芯鋼殼內(nèi)部壓力過(guò)大，CID就會(huì)發(fā)生變形與焊盤(pán)脫離，從而切斷電流回路，同時(shí)還可通過(guò)對(duì)外排氣減壓避免電芯爆炸。但CID一旦動(dòng)作電芯便會(huì)徹底失效，從電芯內(nèi)部泄放出的化學(xué)物質(zhì)在高溫條件下和空氣發(fā)生反應(yīng)，也有可能出現(xiàn)起火現(xiàn)象。

圖：18650電池CID設(shè)計(jì)圖示

（b）聚合物鋰離子電池

俗稱“軟包電池”，電解質(zhì)為固態(tài)聚合物（凝膠態(tài)），因此軟包電池容易做成各種形狀。除電解質(zhì)形態(tài)外，其余與液態(tài)鋰離子電池基本相同。

優(yōu)點(diǎn)：聚合物鋰離子電池穩(wěn)定性好，最為安全且能量密度高，電池電壓也可以做的比較高（標(biāo)稱電壓可以做到3.8V、最高電壓可以做到4.35V）。電池外形也不受限。

缺點(diǎn)：成本比較高，使用不當(dāng)（過(guò)充、過(guò)放、低溫充電等）容易發(fā)生鼓包問(wèn)題，易燃燒。

圖：聚合物電池構(gòu)成示意（電解液為凝膠態(tài)）

（c）?不同類(lèi)型的鋰離子電池對(duì)比

電池類(lèi)型	液態(tài)鋰離子電池 （以18650為例）	聚合物鋰離子電池
示例照片		?

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二

鋰離子電池指標(biāo)參數(shù)

1，電壓

電池主要的電壓參數(shù)包括標(biāo)稱電壓、充電限制電壓、放電截止電壓以及出貨電壓等。

（1）標(biāo)稱電壓：

也稱額定電壓。是電池標(biāo)準(zhǔn)放電過(guò)程中的平均電壓，也是電池能量最為集中的電壓點(diǎn)。標(biāo)稱電壓值是電池整個(gè)放電過(guò)程中電壓最穩(wěn)定的電壓區(qū)間。

鋰電池的放電曲線一般分為三個(gè)階段，如下圖：以18650電池為例，第一階段是電壓快速下降階段（最高電壓~標(biāo)稱電壓區(qū)間），第二階段是緩慢變化階段（標(biāo)稱電壓區(qū)間）也是電池容量最集中的電壓區(qū)間，第三階段是急劇下降階段（標(biāo)稱電壓~最低電壓區(qū)間）。

圖：鋰電池標(biāo)準(zhǔn)放電曲線示例

（2）?充電限制電壓：

指電池允許的最高充電電壓。充電高于此電壓，可能會(huì)觸發(fā)電池過(guò)充保護(hù)或損壞。

（3）?放電截止電壓：

指電池放電的最低輸出電壓。放電低于此電壓，可能會(huì)觸發(fā)電池過(guò)放保護(hù)或損壞。

（4）出貨電壓：

指電池出貨時(shí)的電壓限制，出貨電壓指標(biāo)和電池對(duì)應(yīng)的使用場(chǎng)景和生產(chǎn)要求相關(guān)。

電池出貨電壓一般不會(huì)設(shè)置太高，大多設(shè)置在3.6V~3.9V左右。

出貨電壓太高電池運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)變高。

圖：鋰電池電壓參數(shù)示例

2，容量

電池容量參數(shù)主要包括標(biāo)稱容量和最小容量。

（1）?標(biāo)稱容量

是指鋰電池生產(chǎn)廠家標(biāo)明的鋰電池容量。

（2）最小容量

是指在一定的放電條件下鋰電池應(yīng)放出的最低電量。電池廠商都會(huì)以最小容量參數(shù)作為電池生產(chǎn)的判斷依據(jù)。

圖：鋰電池電壓參數(shù)示例

一般電池的標(biāo)稱容量都會(huì)大于電池的最小容量。

3，內(nèi)阻及電池溫度特性

電池的內(nèi)阻指標(biāo)包括直流內(nèi)阻、交流內(nèi)阻。

（1）直流內(nèi)阻：

直流內(nèi)阻即DCR。直流內(nèi)阻的測(cè)試方法一般是對(duì)電池施加特定的直流電流I，測(cè)量電池的壓降差值ΔU，進(jìn)而可得到電池的直流內(nèi)阻DCR=ΔU/I。

（2）交流內(nèi)阻：

交流內(nèi)阻即ACR。交流內(nèi)阻的測(cè)試方法是對(duì)電池施加特定頻率（一般為1KHZ）的特定負(fù)載進(jìn)行測(cè)量。電池規(guī)格書(shū)標(biāo)注的大多是交流內(nèi)阻

圖：電池規(guī)格書(shū)中的內(nèi)阻參數(shù)

直流內(nèi)阻包含了電池的極化內(nèi)阻，因而同一電池同一溫度下的直流內(nèi)阻都會(huì)大于交流內(nèi)阻。

直流內(nèi)阻的測(cè)試方法是對(duì)電池施加負(fù)載后測(cè)量電池電壓跌落情況，比較符合電池實(shí)際的使用場(chǎng)景，因而電池的直流內(nèi)阻參數(shù)可以較好地衡量電池正常工作時(shí)的放電表現(xiàn)。

電池的內(nèi)阻數(shù)值還受電池充放電倍率、循環(huán)次數(shù)、電池結(jié)構(gòu)、電池SOC以及環(huán)境溫度等因素的影響。

（3）溫度特性

低溫時(shí)電池內(nèi)部化學(xué)物質(zhì)活性下降，因此低溫時(shí)電池的內(nèi)阻會(huì)急劇增大，相同電流下電芯本身的壓降相應(yīng)變高，導(dǎo)致低溫時(shí)電池的輸出電壓和可放容量都會(huì)迅速降低。

圖：電池不同溫度下的輸出電壓和放電容量（圖源網(wǎng)絡(luò)）

普通鋰電池的充電溫度范圍在0~45℃左右，并不支持0℃以下的低溫充電。低溫下較大電流的充電可能會(huì)對(duì)電池造成不可逆的損傷，會(huì)導(dǎo)致電池快速衰減，甚至可能會(huì)出現(xiàn)析鋰等問(wèn)題。

4，循環(huán)壽命

鋰電池隨著循環(huán)次數(shù)的增加，其可放電容量會(huì)隨之慢慢衰減。

一般將電池容量降至額定容量的80%定義為電池壽命截止，此時(shí)對(duì)應(yīng)電池的循環(huán)次數(shù)即為電池的循環(huán)壽命。

鋰電池循環(huán)壽命對(duì)應(yīng)的電池循環(huán)次數(shù)大多在500~1000次之間。品質(zhì)好的鋰電池循環(huán)壽命會(huì)更久、相應(yīng)成本也會(huì)更高。

圖：電池循環(huán)壽命指標(biāo)（500次示例）

編輯：黃飛