鋰離子電池是如何當(dāng)選動(dòng)力電池?zé)衢T(mén)選手的?

電池依據(jù)其正極材料、負(fù)極材料、電解液等角度可分為多種類型，鋰離子電池是如何從眾多電池中脫穎而出成為當(dāng)前電池界首選?這要從電池的各種性能指標(biāo)說(shuō)起。

1. 電壓(V)

電池的電壓，分為端電壓、工作電壓、開(kāi)路電壓、額定電壓、充電終止電壓和放電終止電壓等一些參數(shù)。電池正極和負(fù)極之間的電位差即為端電壓，電池外部不接任何負(fù)載或電源時(shí)的端電壓就是開(kāi)路電壓就，而電池外接負(fù)載或電源，處在工作狀態(tài)，有電流流過(guò)時(shí)，測(cè)量所得端電壓叫做工作電壓。電池充電狀態(tài)時(shí)的電壓極限值就是充電終止電壓，放電狀態(tài)時(shí)的電壓極限值是放電終止電壓，也就是指電池所允許達(dá)到的最高和最低電壓。由于電池內(nèi)阻的存在，放電狀態(tài)時(shí)的工作電壓低于開(kāi)路電壓，充電時(shí)的工作電壓高于開(kāi)路電壓。若電池端電壓超過(guò)此極限電壓，則會(huì)導(dǎo)致電池性能降低、對(duì)電池產(chǎn)生不可逆的損害，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐善鸹鸨ǖ仁鹿省?/p>

電池的電壓只與電極活性物質(zhì)的種類有關(guān)，而與活性物質(zhì)的數(shù)量無(wú)關(guān)。電池電壓本質(zhì)上是直流電壓，但在某些特殊條件下，電極反應(yīng)所引起的金屬晶體或某些成相膜的相變會(huì)造成電壓的微小波動(dòng)，這種現(xiàn)象稱為噪聲。波動(dòng)的幅度很小但頻率范圍很寬，故可與電路中自激噪聲相區(qū)別。

電池的開(kāi)路電壓和工作電壓，與電池的容量存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

鈷酸鋰鋰離子電池的工作電壓為3.6V，錳酸鋰鋰離子電池的工作電壓為3.7V，磷酸鐵鋰鋰離子電池的工作電壓為3.2V，而鎳氫、鎳鎘電池的工作電壓僅為1.2V。

2.電池容量 (Ah)

容量是指電池在設(shè)計(jì)規(guī)定放電條件下(如溫度、放電率、終止電壓等)所釋放出的電荷量Q=It，即電池容量是放電電流(A)與放電時(shí)間(h)的乘積，單位為A?h(安培?小時(shí))或mA?h(毫安?小時(shí))。容量又可以分為理論容量、標(biāo)稱容量與額定容量。額定容量是指滿充的電池在實(shí)驗(yàn)室條件下(比較理想的溫濕度環(huán)境)，以某一特定的放電倍率(C-rate)放電到截止電壓時(shí)，所能夠提供的總的電量，可根據(jù)電池反應(yīng)式中電極活性物質(zhì)的用量和按法拉第定律計(jì)算的活性物質(zhì)的電化學(xué)當(dāng)量精確求出。但由于電池中可能發(fā)生的副反應(yīng)以及設(shè)計(jì)時(shí)的特殊需要，實(shí)際容量一般都不等于額定容量。它與溫度、濕度、充放電倍率等條件的變化直接相關(guān)，一般情況下，實(shí)際容量比額定容量偏小一些，有時(shí)甚至比額定容量小很多。

容量受放電率的影響較大,所以常在字母C的右下角以阿拉伯?dāng)?shù)字標(biāo)明放電率,如C20=50，表明在 20時(shí)率下的容量為50安˙小時(shí)。

3.電池能量和能量密度：越高越好

電池的能量是指在一定放電制度下，電池所能輸出的電能，能量(Wh)=電壓(V)×電池容量(Ah)。能量密度是指單位質(zhì)量或單位體積的電池能夠存儲(chǔ)和釋放的電量，相應(yīng)的也被稱為質(zhì)量比能量或體積比能量。這里的電量，是上面提到的容量(Ah)與工作電壓(V)的積分。如果是單位體積，即體積能量密度(Wh/L)，很多地方直接簡(jiǎn)稱為能量密度，如果是單位質(zhì)量，就是質(zhì)量能量密度(Wh/kg)，很多地方也叫比能量。其中能量密度這個(gè)指標(biāo)比容量更具有指導(dǎo)性意義。以特斯拉為例，其比能量為(Wh/L)，能量密度為(Wh/kg)。

鋰離子電池正極材料的理論比能量可達(dá)200以上，實(shí)際應(yīng)用中由于不可逆容量損失，比能量通常低于這個(gè)數(shù)值，但也可達(dá)140，該數(shù)值仍為鎳鎘電池的3倍，鎳氫電池的1.5倍。

電動(dòng)汽車領(lǐng)域，在體積和重量都受到嚴(yán)格限制的情況下，電池的能量影響電動(dòng)汽車的行駛距離，電池的能量密度決定了電動(dòng)汽車的單次最大行駛里程，電池的質(zhì)量比能量影響電動(dòng)汽車的整車質(zhì)量和續(xù)駛里程，而體積比能量影響到電池的布置空間。如果要使得電動(dòng)汽車的單次行駛里程達(dá)到500公里(與傳統(tǒng)燃油車相當(dāng))，電池單體的能量密度必須達(dá)到300Wh/kg以上。

根據(jù)16年發(fā)布的“節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖”，我們可以大概對(duì)動(dòng)力電池發(fā)展趨勢(shì)有一個(gè)概念，下圖所示，到2020年，純電動(dòng)汽車電池單體比能量要達(dá)到350Wh/kg。

4.電池功率與功率密度：越高越好

功率是指在一定的放電制度下，單位時(shí)間內(nèi)電池輸出的能量，單位為W或kW。

功率密度又稱比功率，是單位質(zhì)量或單位體積電池輸出的功率，單位為W/kg或W/L。比功率是評(píng)價(jià)電池是否滿足電動(dòng)汽車加速和爬坡能力的重要指標(biāo)。

比能量和比功率的概念需重點(diǎn)區(qū)分。比能量高的動(dòng)力電池耐力好，可以長(zhǎng)時(shí)間工作，保證汽車?yán)m(xù)航里程長(zhǎng);比功率高的動(dòng)力電池速度快，可以提供很高的瞬間電流，保證汽車加速性能好;

5.輸出效率

電池實(shí)際上是一個(gè)能量存儲(chǔ)器，充電時(shí)把電能轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)能儲(chǔ)存起來(lái)，放電時(shí)再把化學(xué)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔茚尫懦鰜?lái)，供用電裝置使用。電池的輸出效率通常用容量效率和能量效率來(lái)表示。電池的容量效率指電池放電時(shí)輸出的容量與充電時(shí)輸入的容量之比，電池的能量效率指電池放電時(shí)輸出的能量與充電時(shí)輸入的能量之比。通常，電池的能量效率為55~75%，容量效率為65～90%。對(duì)電動(dòng)汽車而言，能量效率是比容量效率更重要的一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

6.充放電速率

電池的放電速率是以經(jīng)某一固定電阻放電到終止電壓的時(shí)間來(lái)表示。充放電速率有時(shí)率和倍率兩種表示法。時(shí)率是以充放電時(shí)間表示的充放電速率，數(shù)值上=電池的額定容量 (Ah)/規(guī)定的充放電電流(A)所得的小時(shí)數(shù)。倍率是充放電速率的另一種表示法，指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)放出其額定容量(Q)時(shí)所需要的電流值，它在數(shù)值上等于電池額定容量的倍數(shù)。其數(shù)值為時(shí)率的倒數(shù)，即：充放電電流(A)/額定容量(Ah)，其單位一般為C ( C-rate的簡(jiǎn)寫(xiě))，“C”是形容電池充放電電流大小的專用符號(hào)， 1C放電就代表1小時(shí)內(nèi)把電池從滿電放到空的電流大小。如0.5C，1C，5C等.充放電倍率對(duì)應(yīng)的電流值乘以工作電壓，就可以得出電池的連續(xù)功率和峰值功率指標(biāo)。放電倍率是這個(gè)指標(biāo)會(huì)影響電池工作時(shí)的連續(xù)電流和峰值電流，電池的充放電倍率，決定了我們可以以多快的速度，將一定的能量存儲(chǔ)到電池里面，或者以多快的速度，將電池里面的能量釋放出來(lái),規(guī)格越高越好。充放電倍率指標(biāo)定義的越詳細(xì)，對(duì)于使用時(shí)的指導(dǎo)意義越大。尤其是作為電動(dòng)交通工具動(dòng)力源的鋰離子電池，需要規(guī)定不同溫度條件下的連續(xù)和脈沖倍率指標(biāo)，以確保鋰離子電池使用在合理的范圍之內(nèi)。

比亞迪e6電動(dòng)汽車中使用的每顆電池容量是200AH，則這個(gè)電池1C放電電流就是200安培。一個(gè)電池如果用高倍率放電，通常放出的能量比低倍率少。以容量為24Ah電池舉例來(lái)說(shuō)：用48A放電，其放電倍率為2C，反過(guò)來(lái)講，2C放電，放電電流為48A，0.5小時(shí)放電完畢;用12A充電，其充電倍率為0.5C，反過(guò)來(lái)講，0.5C充電，充電電流為12A，2小時(shí)充電完畢。

7. 壽命：越長(zhǎng)越好

在說(shuō)壽命前，需要先了解荷電狀態(tài)和放電深度兩個(gè)概念。

荷電狀態(tài)(%)SOC，全稱是State of Charge，也叫剩余電量，代表的是在一定放電倍率下，電池放電后剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值。荷電狀態(tài)值是個(gè)相對(duì)量，一般用百分比的方式來(lái)表示，SOC的取值為：0≤SOC≤100%。當(dāng)SOC=0時(shí)表示電池放電完全，當(dāng)SOC=1時(shí)表示電池完全充滿。電池管理系統(tǒng)(BMS)就是主要通過(guò)管理SOC并進(jìn)行估算來(lái)保證電池高效的工作，所以它是電池管理的核心。

放電深度(%)DOD，Depth of Disge，是放電容量與額定容量之比的百分?jǐn)?shù)，與SOC之間存在如下數(shù)學(xué)計(jì)算關(guān)系：DOD=100%/SOC。

我們平時(shí)用來(lái)評(píng)價(jià)電池性能所說(shuō)的電池壽命，可分為循環(huán)壽命和日歷壽命兩個(gè)參數(shù)。

循環(huán)壽命是電池在滿足規(guī)定條件——理想的溫度濕度、額定的充放電電流(比如1C放電，0.3C充電)、進(jìn)行深度的充放電(從0%充放到100% DOD或者80%DOD)，計(jì)算電池容量衰減到額定容量的80%時(shí)所經(jīng)歷的循環(huán)次數(shù)。目前，鋰離子電池在深度放電情況下，循環(huán)次數(shù)可達(dá)1000次以上;在低放電深度條件下，循環(huán)次數(shù)可達(dá)上萬(wàn)次，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于其他同類電池。

循環(huán)次數(shù)越多，動(dòng)力電池的使用時(shí)間越長(zhǎng)。目前常見(jiàn)鋰電池可循環(huán)500次，根據(jù)不同材料制作的鋰電池充放電次數(shù)從300-3000次不等。充放電次數(shù)和使用習(xí)慣有很大關(guān)系。

(1)充放電強(qiáng)度對(duì)循環(huán)次數(shù)的影響

工廠標(biāo)注：每次從0%充放到100%，1C放，0.3C充，500次后容量衰減到80%，這是最嚴(yán)苛的測(cè)試循環(huán)，也可以不這么嚴(yán)格，看下面

如果每次電量的循環(huán)都在25%-75%，1C放，0.3C充，2000次后容量衰減到80%

如果每次電量的循環(huán)都在50%-100%，1C放，0.3充，1800次后容量衰減到80%

(2)淺充淺放對(duì)壽命的影響

工廠標(biāo)注：每次從0%充放到100%，1C放，0.3C充，500次后容量衰減到80%，是最嚴(yán)苛的測(cè)試循環(huán)，也可以不這么嚴(yán)格，看下面

每次電量的循環(huán)都在25%-75%，1C放，0.3C充，2000次后容量衰減到80%

每次電量的循環(huán)都在50%-100%，1C放，0.3充，1800次后容量衰減到80%

以上兩個(gè)例子可看出充放電的倍率越小、越有利于壽命提升;淺充淺放也有利于壽命提升。

上圖為電池的充放電特性圖，可以看出，不同的充放電方式對(duì)電池的壽命影響不一樣，如上圖數(shù)據(jù)，以30%充放電的壽命可以達(dá)到1200次，即我們所說(shuō)的電池淺充淺放。

電池在日常使用中不可能一直在充放電，也不可能一直處于理想環(huán)境，溫濕度條件會(huì)有變化，充放電的倍率也是時(shí)刻在變化的。日歷壽命就是電池在使用環(huán)境條件下，經(jīng)過(guò)特定的使用工況，達(dá)到壽命終止條件(比如容量衰減到80%)的時(shí)間跨度。日歷壽命與具體的使用要求是緊密結(jié)合的，通常需要規(guī)定具體的使用工況，環(huán)境條件，存儲(chǔ)間隔等。日歷壽命比循環(huán)壽命更具有實(shí)際意義，但由于日歷壽命的測(cè)算非常復(fù)雜，而且耗時(shí)太長(zhǎng)，所以一般電池廠家只給出循環(huán)壽命的數(shù)據(jù)。

另外還有一種規(guī)格儲(chǔ)存壽命，它是指從電池制成到開(kāi)始使用之間允許存放的最長(zhǎng)時(shí)間，以年為單位。包括儲(chǔ)存期和使用期在內(nèi)的總期限稱電池的有效期。

8. 內(nèi)阻：越小越好

電池的內(nèi)阻是指電池在工作時(shí)，電流流過(guò)電池內(nèi)部所受到的阻力。由于電池內(nèi)阻的作用，電池放電時(shí)端電壓低于電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓，充電時(shí)充電的端電壓高于電動(dòng)勢(shì)和開(kāi)路電壓。電池的內(nèi)阻直接影響電池的工作電壓、工作電流、輸出能量與功率等，對(duì)于一個(gè)實(shí)用的化學(xué)電源，其內(nèi)阻越小越好。

電池內(nèi)阻不是常數(shù)，在放電過(guò)程中由于活性物質(zhì)的組成、電解液濃度和溫度的變化以及放電時(shí)間而變化。電池內(nèi)阻包括歐姆內(nèi)阻和極化內(nèi)阻，兩者之和稱為電池的全內(nèi)阻。歐姆內(nèi)阻由電極材料、電解質(zhì)、隔膜電阻及各部分零件的接觸電阻組成。極化內(nèi)阻是指電化學(xué)反應(yīng)時(shí)由極化引起的電阻，包括電化學(xué)極極化和濃差極化引起的電阻。極化內(nèi)阻又包括電化學(xué)極化內(nèi)阻和濃差極化內(nèi)阻。極化內(nèi)阻與活性物質(zhì)的本性、電極的結(jié)構(gòu)、電池的制造工藝有關(guān)，尤其與電池的工作條件密切相關(guān)，放電電流和溫度對(duì)其影響很大。

內(nèi)阻的單位一般是毫歐姆(mΩ)，隨負(fù)載輕重、溫度等因素隨時(shí)變化，隨著電池壽命減少，內(nèi)阻也在逐漸增大。內(nèi)阻大的電池，在充放電的時(shí)候，內(nèi)部功耗大，發(fā)熱嚴(yán)重，會(huì)造成電池的加速老化和壽命衰減，同時(shí)也會(huì)限制大倍率的充放電應(yīng)用。因此內(nèi)阻越小的電池越可以高倍率充放電，電池壽命也會(huì)更好。18650的普通電池內(nèi)阻在50mΩ左右，動(dòng)力型的18650電池在15mΩ左右。想知道內(nèi)阻多大需要用專用的設(shè)備測(cè)量，普通萬(wàn)用表不行。

如下圖表示一電池放電曲線，X軸表示放電量，Y軸表示電池開(kāi)路電壓，電池理想放電狀態(tài)為黑色曲線，紅色曲線是考慮到電池內(nèi)阻時(shí)的真實(shí)狀態(tài)。Qmax為電池最大化學(xué)容量;Quse為電池實(shí)際容量;Rbat表示電池的內(nèi)阻;EDV為放電終止電壓 ;I為放電電流。

從圖中可以看出，電池實(shí)際容量Quse <電池理論上的最大化學(xué)容量Qmax。由于電阻的存在，電池的實(shí)際容量會(huì)降低。我們也可以看到，電池實(shí)際容量Quse取決于兩個(gè)因素：放電電流I與電池內(nèi)阻Rbat的乘積，以及放電終止電壓EDV是多少。需要指出的是電池內(nèi)阻Rbat會(huì)隨著電池的使用而逐漸增大。

9. 自放電率

電池自放電，是指在開(kāi)路靜置過(guò)程中其容量下降的現(xiàn)象，又稱電池的荷電保持能力。電池在存放過(guò)程中在沒(méi)有負(fù)荷條件下電容量自行損失的速率稱為自放電率，用單位儲(chǔ)存時(shí)間內(nèi)自放電損失的容量占儲(chǔ)存前容量的百分?jǐn)?shù)表示。，通常以表示為%/月。

一般而言，電池自放電主要受制造工藝、材料、儲(chǔ)存條件的影響。自放電按照容量損失后是否可逆劃分為兩種：容量損失可逆，指經(jīng)過(guò)再次充電過(guò)程容量可以恢復(fù);容量損失不可逆，表示容量不能恢復(fù)。這里需要特別注意，一旦電池的自放電導(dǎo)致電池過(guò)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(huì)有很大損失，壽命會(huì)快速衰減。所以長(zhǎng)期放置不用的電池，一定要記得定期充電，避免因?yàn)樽苑烹妼?dǎo)致過(guò)放，性能受到很大影響。

目前對(duì)電池自放電原因研究理論比較多，總結(jié)起來(lái)分為物理原因(存儲(chǔ)環(huán)境，制造工藝，材料等)以及化學(xué)原因(電極在電解液中的不穩(wěn)定性，內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，活性物質(zhì)被消耗等)，電池自放電將直接降低電池的容量和儲(chǔ)存性能。這是我們不希望看到的，一個(gè)充滿電的電池，放個(gè)幾個(gè)月，電量就會(huì)少很多，所以我們希望電池的自放電率越低越好。鋰離子電池月自放電率僅為總電容量的5~9%，大大緩解了傳統(tǒng)的二次電池放置時(shí)由自放電所引起的電能損失問(wèn)題。

10. 工作溫度范圍

通常電池的溫度可分為工作溫度和儲(chǔ)存溫度兩種。工作溫度是指電池在充放電過(guò)程中需保持在一個(gè)合理的工作溫度范圍，如果超出了合理的范圍使用，會(huì)對(duì)電池的性能造成較大的影響。

不同材料的電池，其工作溫度范圍也是不一樣的，有些具有良好的高溫性能，有些則能夠適應(yīng)低溫條件。電池的工作電壓、容量、充放電倍率等參數(shù)都會(huì)隨著溫度的變化而發(fā)生非常顯著的變化。長(zhǎng)時(shí)間的高溫或低溫使用，也會(huì)使得電池的壽命加速衰減。

除了工作溫度有限制之外，電池的存儲(chǔ)溫度也是有嚴(yán)格約束的，長(zhǎng)期高溫或低溫存儲(chǔ)，都會(huì)對(duì)電池性能造成不可逆的影響。

11.電池一致性

動(dòng)力電池組的性能決定于電池單體的性能，但絕不是單體電池性能的簡(jiǎn)單累加。采用相同材料、相同工藝生產(chǎn)的電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材質(zhì)不完全一致，本身存在一定性能差異。即使是同一規(guī)格型號(hào)的電池單體在成組后，電池組在電壓、容量、內(nèi)阻、壽命等性能有很大的差別，初始的不一致隨著電池在使用過(guò)程中連續(xù)的充放電循環(huán)而累計(jì)，再加上電池組內(nèi)的使用環(huán)境對(duì)于各單體電池也不盡相同，導(dǎo)致各單體電池狀態(tài)產(chǎn)生更大的差異，在使用過(guò)程中逐步放大，從而在某些情況下使某些單體電池性能加速衰減、壽命縮短，最終引發(fā)電池組過(guò)早失效。性能指標(biāo)往往達(dá)不到單體電池的原有水平。在電動(dòng)汽車上使用時(shí)，容量、內(nèi)阻、充放電曲線上的一致性越高越好。電池組規(guī)模越大對(duì)一致性要求越高。

除了要求在生產(chǎn)和配組過(guò)程中，嚴(yán)格控制工藝和盡量保持單體電池的一致性外，目前行業(yè)普遍采用帶有均衡功能的電池管理系統(tǒng)來(lái)控制電池組內(nèi)電池的一致性，以延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

12.化成

電池制成后，需要對(duì)電芯進(jìn)行小電流充電，將其內(nèi)部正負(fù)極物質(zhì)激活，在負(fù)極表面形成一層鈍化層——SEI(solid electrolyte interface)膜，使電池性能更加穩(wěn)定，電池經(jīng)過(guò)化成后才能體現(xiàn)其真實(shí)的性能，這一過(guò)程稱為化成。

化成過(guò)程中的分選過(guò)程能夠提高電池組的一致性，使最終電池組的性能提高，化成容量是篩選合格電池的重要指標(biāo)。

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的性能好壞主要取決于：比能量(wh/kg)、比功率密度(wh/l)、比功率(w/kg)、循環(huán)壽命等。除此之外也要考慮電池的成本及環(huán)保等因素。相對(duì)于傳統(tǒng)的鉛酸電池、鎳鎘電池甚至鎳氫電池廢棄可能造成的環(huán)境污染問(wèn)題，鋰離子電池中不包含汞、鉛、鎘等有害元素，是真正意義上的綠色電池。綜合以上結(jié)果，就目前可應(yīng)用量產(chǎn)電池來(lái)說(shuō)，鋰離子電池理所應(yīng)當(dāng)成為動(dòng)力電池首選。