關於鋰離子電池,你不得不了解的15個關鍵名詞

2021-01-18 C3H3化學

鋰系電池分為鋰金屬電池和鋰離子電池。現在手機和筆記本電腦使用的都是鋰離子電池,通常人們習慣稱之為鋰電池;鋰金屬電池由於鋰金屬的化學特性非常活潑,使得鋰金屬的加工、保存、使用,對環境要求非常高,很少應用於日常電子產品。

隔膜——一種經特殊成型的高分子薄膜,薄膜有微孔結構,可以讓鋰離子自由通過,而電子不能通過。負極——活性物質為石墨,或近似石墨結構的碳,導電集流體使用厚度7-15微米的電解銅箔。有機電解液——溶解有六氟磷酸鋰的碳酸酯類溶劑,聚合物的則使用凝膠狀電解液。電池外殼——分為鋼殼(方型很少使用)、鋁殼、鍍鎳鐵殼(圓柱電池使用)、鋁塑膜(軟包裝)等,還有電池的蓋帽,也是電池的正負極引出端


1.一次電池(Primary battery):電池僅能放電,當電池電力用罄時,無法再充電的電池。市售的鹼性電池、錳乾電池、水銀電池等,皆屬一次電池。


2.二次電池(Rechargeable battery):電池電力用完後,可經由充電重複使用之電池。如:鉛酸、鎳氫、鋰離子電池、燃料電池等。


動力電池pack一般是指包裝、封裝和裝配,譬如:2個電池串聯起來,安照客戶要求組成某一特定形狀,我們就叫它pack。在Pack行業,常常把沒有組裝成可以直接使用的電池叫做電芯,而把連接上PCM板,有充放控制等功能的成品電池叫做電池。



充放電倍率=充放電電流/額定容量,用來表示電池充放電能力倍率。


電池除了以安培(或毫安)做單位來表示電池的充放電流大小之外,也使用英文字母C(capacity)來當作額定容量(電流x時間)之電流部分,以它做為電流大小衡量的單位。C-Rate與時間成倒數關係,1C表示電池一小時完全放電時電流強度。如標稱為2200mA·h的18650電池在1C強度下放電1小時放電完成,此時該放電電流為2200mA。額定容量為100A·h的電池用20A放電時,其放電倍率為0.2C。


一般可以通過不同的放電電流來檢測電池的容量。對於24A·h電池來說,2C放電電流為48A,0.5C放電電流為12A。


 容量的單位一般為「mAh」(毫安時)或「Ah」(安時),在使用時又有額定容量和實際容量的區別。額定容量是指滿充的鋰離子電池在實驗室條件下(比較理想的溫溼度環境),以某一特定的放電倍率(C-rate)放電到截止電壓時,所能夠提供的總的電量。實際容量一般都不等於額定容量,它與溫度、溼度、充放電倍率等直接相關。一般情況下,實際容量比額定容量偏小一些,有時甚至比額定容量小很多,比如北方的冬季,如果在室外使用手機,電池容量會迅速下降。表示方法有兩種,一為體積能量密度(Wh/l),另一為重量能量密度(Wh/kg),用以表示單位體積或單位重量能取出的能量。電池的能量密度越大,那麼在同能量的情況下電池的尺寸/質量越小。


重量能量密度是指電池能量和質量之間的關係,電池能量是電池的額定電壓與電容量的相乘積,重量能量密度以Wh/Kg(瓦時/公斤),當在一定的重量所擁有的能量越高,代表其電池容量越高。在相同的瓦時電池其重量能量密度越大者其重量越輕,反之重量能量密度越小者其重量越重。


體積能量密度是每單位體積所攜帶的能量,電池能量是電池的額定電壓與電容量的相乘積,每單位體積以公升表示,體積能量密度以Wh/L(瓦時/公升),當在一定的體積所擁有的能量越高,代表其電池容量越高。在相同的瓦時電池其體積能量密度越大者其體積越小,反之體積能量密度越小其體積越大。


在實際應用中,能量密度這個指標比容量更具有指導性意義。


根據《中國製造2025》:到2020年,電池能量密度達到300Wh/kg;2025年,電池能量密度達到400Wh/kg;2030年,電池能量密度達到500Wh/kg。


目前鋰離子電池負極材料多以石墨為主,石墨的理論克容量372mAh/g。正極材料磷酸鐵鋰理論克容量只有160mAh/g,而三元材料鎳鈷錳(NCM)約為200mAh/g。根據木桶理論,鋰離子電池的能量密度下限取決於正極材料,所以當前能夠達到的能量密度水平大約在100~200Wh/kg,這一數值還是比較低的,在許多場合都成為鋰離子電池應用的瓶頸。這一問題同樣出現在電動汽車領域,在體積和重量都受到嚴格限制的情況下,電池的能量密度決定了電動汽車的單次最大行駛裡程,於是出現了「裡程焦慮症」這一特有的名詞。如果要使得電動汽車的單次行駛裡程達到500公裡(與傳統燃油車相當),電池單體的能量密度必須達到300Wh/kg以上。鋰離子電池能量密度的提升,是一個緩慢的過程,遠低於集成電路產業的摩爾定律,這就造成了電子產品的性能提升與電池的能量密度提升之間存在一個剪刀差,並且隨著時間不斷擴大。鋰離子電池的電壓,有額定電壓、開路電壓、工作電壓、充電截止電壓、放電截止電壓等一些參數。額定電壓:電池正負極材料,因化學反應所造成之電位差高低。利用此關係,所產生的電壓,稱為額定電壓。不同的正負極材料,產生的電壓不同,如:鉛酸電池-2V/cell,鎳氫電池1.2V/cell,鋰離子電池3.6V/cell,磷酸鋰鐵3.3V/cell。


開路電壓:電池外部不接任何負載或電源的況下,測量電池正負極之間的電位差,此即為電池的開路電壓。電池的開路電壓,會依電池正、負極與電解液的材料而異,如果電池正、負極的材料完全一樣,那麼不管電池的體積有多大,幾何結構如何變化,其開路電壓都一樣的。


工作電壓:電池外接負載或電源,處在工作狀態,有電流流過時,測量所得的正負極之間的電位差。一般來說,由於電池內阻的存在,放電狀態時的工作電壓低於開路電壓,充電時的工作電壓高於開路電壓。


充/放電終止電壓(充/放電截止電壓):電池充電時允許達到的最高電壓值/電池放電時允許達到的最低電壓值。超過了這一限值,會對電池產生一些不可逆的損害,導致電池性能的降低,嚴重時甚至造成起火、爆炸等安全事故。電池不可能充多少電量進去就能儲存有多少電量,一定會有不可避免的耗損。充電效率是指電池在一定放電條件下放至某一截止電壓時放出的容量與輸入的電池容量的比值,計算公式:充電效率=(放電電流* 放電至截止電壓的時間 /充電電流* 充電時間)* 100%


通常電池廠商都是建議充電量必須為額定容量的1. 5倍,才能將電池充飽。也就是說若以0.3C的電流充電需要充5小時,以3C的電流充電需要充半小時,雖理論填充量是額定容量的1.5倍,但實際填充量差不多剛好為額定容量。


充放電壽命是指電池在一定的容量的情況下所能進行的充放電循環次數,每充電、放電一次,叫做一次充放電循環。


10.定電圧(CV):以固定的電壓對電池充電,充電電流會隨著電壓值接近而下降。一般電源供應器會提供一穩定電壓(constant voltage)給負載用,不論負載輕重載變化,輸出電壓均能維持於誤差值以內。


11. 定電流(CC):以提供穩定電流對電池充電或放電為目的。


蓄電池如果一直閒置不使用,也會損耗電量,這種現象稱為蓄電池的自放電現象,容量下降的速率稱為自放電率,通常以每年或每月損失的容量百分數表示,如各種鋰電池的自放電都很少,每年約1%,金屬氫化物鎳電池則較大,達每月12%~13%。


一旦鋰離子電池的自放電導致電池過放,其造成的影響通常是不可逆的,即使再充電,電池的可用容量也會有很大損失,壽命會快速衰減。所以長期放置不用的鋰離子電池,一定要記得定期充電,避免因為自放電導致過放,性能受到很大影響。


13.過放電:蓄電池放電時,貯存的電能逐步釋放,電壓緩慢下降。當電壓降低到某一規定值時應停止放電,重新充電以恢復電池的貯能狀態。低於此規定值繼續放電,即為過度放電,過放電可能造成電極活性物質損傷,失去反應能力,使蓄電池壽命縮短。


14.過充電:電池到達飽充狀態後,超過電池充電截止電壓值,過度充電致電池內壓升高、電池變形、漏液等情況發生,電池的性能也會顯著降低和損壞。15.涓流充電(Trickle-charge):以一微小的電流對電池充電,常用於對電池開始充電前(如電池芯已經底於最低可容許之電壓值)。

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