锂电池的基本原理

admin 科技生活 2024-08-30 7 0

一块电池从配料到最终用于设备,需要一整套工艺技术和参数指标,了解这些指标,对电池会有更深一层的认识。

电池电压

电池的电压是由构成正极和负极的材料在电化学反应中的电位差产生的。

几乎所有锂离子电池的工作电压均为 3.8 伏。 为了使电流从充电器流向电池,必须存在电位差。 因此,几乎所有智能手机的电池充电器或 USB 均提供 5V 电压。

截止电压

为了防止过充和过放导致电池寿命耗尽,BMS管理系统设置了充电截止电压和放电截止电压。

充电截止电压

这是在充电过程中电池可以安全达到的最大电压。当电池的电压达到这个设定值时,充电器将自动停止充电,以避免过充。过充可能会导致电池过热、电解液分解、甚至可能引起火灾或爆炸。

对于大多数锂离子电池,这个值通常设定在4.2伏特左右,但某些特殊化学组合或为了特定应用设计的电池可能会有不同的设定,例如4.35伏特或4.1伏特。

放电截止电压

放电截止电压是指电池在放电过程中应当达到的最低电压阈值。当电池电压下降到这个值时,电池应停止放电,以防止过度放电。过度放电可能会导致电池内部的化学物质永久损害,影响电池的性能和寿命。

常见的放电截止电压通常设定在2.5伏特到3.0伏特之间,具体值依赖于电池的化学组成和制造商的规定。

容量

在手机电池中,容量通常用毫安培小时(mAh)为单位,容量是电池以一定的放电电流从 100% SOC 放电至截止电压时可用的总安培小时。

电池容量的计算基于电池在特定放电条件下能够持续提供电流的能力。例如,一个1000mAh的电池理论上可以在1小时内提供1000毫安的电流,或者在2小时内提供500毫安的电流。实际上,电池的放电率和环境温度等因素可以影响这个值。

电池倍率

电池倍率(通常称为C率),用于表示电池相对于其最大容量的放电或充电速度。 它的单位是 h−1。 1C倍率是指放电电流在1小时内将整个电池放完。

C率的定义是电池容量的倍数。例如,一个具有1000mAh容量的电池,在1C的放电率下意味着它可以放电1000mA,即在1小时内将完全放电。相应地,2C放电率意味着电池可以在半小时内以2000mA的电流放电。

大多数锂离子电池只能承受最高 60°C 的温度,建议在最高 45°C 的温度下以 0.5C 的充电速率充电。

自放电

即便没有连接任何外部负载,电池也会逐渐自放电。这是一种内在的化学过程,几乎所有类型的电池都会经历自放电。

锂离子电池的自放电率通常为每月 1%-3%。 该速率随着温度和充电状态而增加。

降解

可充电电池在每个充电-放电循环中都会发生一些退化。 降解通常是由于电解质从电极迁移走或者因为活性材料从电极分离而发生的。

现在的手机电池的循环寿命为 500 次左右(充电、放电循环),充放电循环的定义是将完全没电的电池充电至 100%,然后完全耗尽至0%。

放电深度

放电深度是衡量从电池中消耗了多少能量的指标,以占满容量的百分比表示。 例如,如果一个电池的总容量为1000mAh,而从中放电了500mAh,那么该电池的放电深度为50%。

对于锂离子电池,电池的循环寿命很大程度上取决于 DOD。 在高 DOD 下,可能会发生额外的降解机制,导致阴极材料分解和溶解以及容量衰减。

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