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      高倍率聚合物鋰電池全面分析(以手機、移動電源、電動車等進行分析)

      來源:高倍率聚合物鋰電池?作者:admin??發布時間:2020-05-15 09:49:59??閱讀數:

      所謂內行看門道,外行看熱鬧,在2012年開始,高倍率聚合物鋰電池的應用已經相當普遍了,但是卻很少有人真正的了解它。這里我們重點介紹一下高倍率聚合物鋰電池的幾個重要參數;并結合手機及平板電池、筆記本及移動電源電池,電動車電池進行分析。

      高倍率聚合物鋰電池充放電倍率

      充放電倍率高越好。一般形容電池充放電電流大小的專用符號是“C”。聚合物鋰電池的1C放電就代表1小時內把電池從滿電放到空的電流大小。

      舉個例子,比如iPhone8電池容量為1821mAh,那么這顆電池的1C放電電流就是1.82安培。一個高倍率聚合物鋰電池如果用高倍率放電,通常放出的能量比低倍率要少。

      高倍率聚合物鋰電池放電量

      上圖為不同放電倍率下聚合物鋰電池放出的電量,從圖中測試結果可知這顆電池使用10C放電放出的能量只有1C放電下的85%,使用20C放電放出的能量只有1C放電下的70%。

      高倍率聚合物鋰電池充放電循環次數

      循環次數越多越好。一般500次是鋰電池的常見值,根據不同材料制作的鋰電池充放電次數從300-3000次不等。這個值的具體含義每個鋰電池生產廠家可能略有不同,大致可以理解為:按廠商規定的充放電倍率(比如1C放電,0.3C充電;每次從0%充放到100%,照此循環)下,500次循環后,電池容量還剩最初的80%。

      充放電次數和使用習慣的關系太大了,舉幾個例子:

      1、充放電強度對鋰電池循環次數的影響

      每次從0%充放到100%,1C放,0.3C充,500次后容量衰減到80%,這是最嚴苛的測試循環,也可以不這么嚴格,請往下看

      如果每次電量的循環都在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都在25%-75%,3C放,0.3C充,1600次后容量衰減到80%

      2、淺充淺放對鋰電池壽命的影響

      同樣,每次從0%充放到100%,1C放,0.3C充,500次后容量衰減到80%,是最嚴苛的測試循環,也可以不這么嚴格,請往下看

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

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

      通過以上兩個例子可看出聚合物鋰電池充放電的倍率越小、越有利于壽命提升;淺充淺放也有利于壽命提升。

      高倍率聚合物鋰電池內阻

      內阻越小越好,這個參數會隨負載輕重、溫度等因素隨時變化,隨著電池壽命減少,內阻也在逐漸增大。內阻越小的電池越可以高倍率充放電,18650的普通電池內阻在50mΩ左右,動力型的18650電池在15mΩ左右。

      想知道內阻多大需要用專用的設備測量,普通萬用表可不行。

      電池內阻測試儀

      電池一致性

      采用相同材料、相同工藝生產的電池在容量、內阻、充放電曲線上的一致性越高越好。電池能否大規模組成電池組這一點非常關鍵,電池組規模越大對一致性要求越高。根據不同的應用領域,對各參數做詳細分析:手機、平板等消費電子用鋰電池,筆記本和移動電源用鋰電池,電動車用鋰電池。

      手機及平板等消費電子用鋰電池

      這個領域相對簡單,因為這些設備里一般只有一塊鋰電池,而且基本都是鈷酸鋰電池。

      一、充放電倍率

      在數碼設備中使用的鋰電池通常對此項要求較低。你很難一個小時內把滿電的手機用到自動關機吧?也沒有廠家會設計一個續航只有1小時的數碼設備。至少都可以續航3小時,所以電池的放電倍率達到0.3C左右就能滿足需求,充電要求往往也很低,通常3-4小時充滿的數碼設備大家都能接受,所以充電上對電池提出的要求也是0.3C左右。

      聚合物鋰電池

      不論國產還是進口鋰電池,1C放電是最起碼的規格,數碼設備對電池放電的要求都遠低于電池行業的普遍標準。充電倍率上和電池行業目前能做到的基礎指標大致相當,如果沒有極特殊設計一般也不用擔心。

      二、充放電循環次數

      數碼設備中,手機算是使用強度最高的產品,我們按一天一充計算,循環次數是500次就是500天壽命,這樣算對嗎?其實是脫離了使用條件,所以是錯的。

      500次的循環指的是1C放電,0.3C充電下連續循環500次,電池容量還剩最初的80%。但我們平時使用手機放電倍率遠小于1C,往往是0.01C-0.5C之間。所以循環次數通??梢?00次后還有80%電量剩余,這已經2年時間了,手機也快過時了。

      蘋果在這方面設計的很精明,有意不使用大電量的電池,不但可以獲得輕薄的優勢,還因為2年后你必然要換下一代iPhone了,干嘛非要多花成本在電池上呢?至于有一些人一年就明顯感覺續航少了,也是確有原因的,這個之后分析。

      隨時保持100%電量并不好,其他數碼設備,比如平板電腦,電池充放周期就更久了,但有時也會發現不到2年續航就明顯下降了,這個原因也是有解釋的,看完整篇文章你就會知道。

      三、電池內阻

      前面有提到,沒有什么特別解釋的。

      四、電池一致性

      沒有特別解釋的。

      筆記本與移動電源用鋰電池

      筆記本電池規格常見的4芯、6芯,8芯。什么意思?這指的是18650電芯數量,以8芯為例,有2種組合方式,一種是2串4并,一種是4串2并,具體采用哪一種要根據筆記本廠商電壓變換電路的設計,和電池倉形狀。

      后來的輕薄的筆記本采用聚合物電池的也比較多了。

      移動電源也是采用多節鋰電池并聯的情況,市售正經品牌的移動電源10400mAh容量的產品就是由4節2600mAh的18650電芯并聯而成。

      一、充放電倍率

      新的筆記本電池少有1小時就放光電的情況,所以放電倍率1C已經足夠,充電的要求也不高,比如筆記本電池在3-4小時內充滿大家都可以接受。而對移動電源來說對電池充放電倍率的要求就更低了,幾乎是所有數碼設備中最低的。

      以目前市場中10400mAh(3.7V)的移動電源來說,最大輸出電流為2A(5V),也就是用最大電流也需要3.7個小時才能放光電,放電倍率只要滿足0.3C都夠用。充電方面,通常的規格是10400mAh配備一個1.0A的輸入口。這樣充電的倍率只有0.13C。

      這就是為什么移動電源劣質產品特別多的原因:哪怕是正規廠商也可以購買電池市場中性能最低檔(注意,性能低和質量差并不完全等同,但還是高度相關的)的產品用在移動電源中,而且還可以滿足使用規格的需求。

      二、充放電循環次數

      筆記本和移動電源使用頻率相較于手機大幅降低,手機最多三天充一次,但是移動電源和筆記本平均下來往往一周都不一定能完成一次充放電,這樣算下來,只要保證50次充放電壽命就能撐一年。

      對于成熟的聚合物鋰電池來說最差也能提供300次的循環壽命,這個次數對使用筆記本和移動電源的人來說都夠正常使用6年的了。

      而我們往往用不到這么久就更新換代了,所以尤其是移動電源這個行業,實際使用中的輕負載和低頻率的充放電次數,讓我們很難察覺到產品質量的好壞。

      一些無良的廠商就會用最差的電芯,甚至把拆機電芯用在移動電源上。拆機電芯可能從前用在其他設備中,已經循環了400次,按壽命看還有100次左右就要淘汰了,而100次也足夠讓移動電源撐上兩年時間,所以廢物利用買來裝移動電源里面,根本不會有人發現。

      相對移動電源來說,筆記本中的原配電池電芯都來自國際大廠。但我們也經常發現周圍有人的筆記本買來不到2年電池續航就大幅下降了,這是什么原因呢?

      還記得前面我們說到平板電腦使用周期不頻繁,但有的也會出現1-2年,電池續航就大幅下降吧?其實他們都是由同一個原因引起的:電池保存不當。

      如果你經常沒事就把電池充滿,或者充電線一直插在設備上,那就隨時維持最高電量,電池容量就會快速減少。這個原因涉及到鋰電池的結構。

      鋰電池的正極是由含有鋰離子的金屬氧化物組成,負極一般是石墨構成的晶格,充電時鋰離子向石墨一端移動,最終鉆入由石墨構成的穩定的晶格中,蓄勢待發??梢匀菁{鋰離子的晶格越多,可以移動的鋰離子越多,電池容量越大。

      長期滿電存放主要影響的是可以移動的鋰離子數量,因為滿電后電池達到4.2V電壓,維持的高電壓讓電解液和電池的正負極均發生一些反應,而這些反應在3.0V-3.7V的狀態下雖然也在發生,但是非常微弱。

      這種反應在電極上生成了鈍化膜,電壓越高膜越厚,膜越厚可以移動的到負極鉆入石墨晶格的鋰離子數量越少。于是宏觀上的表現就是電池容量衰減。

      聚合物鋰電池高電壓長期儲存有多惡劣?

      這里有個例子,玩航模的人有2塊規格一樣的全新三元材料航模鋰電池A和B,6月份買來同時存放,A剩余電量30%存放,B充滿100%存放,3個月后測試電池容量,A容量為最初的98%,B容量為最初的60%。

      沒錯,影響就是如此惡劣,所以你的筆記本電池經常長期維持高電壓,一年后續航大幅下降也就不要稀奇了。

      手機是最不容易遇到長期滿電存放的設備,因為即便充滿了,也一直在使用,不到幾個小時電壓就降下來了。但手機偶爾也會遇到這個問題,比如充滿電后關機了,這時沒有任何耗電,電池就一直維持高壓,也許一周后你打開盒子一看,電池已經鼓包了。

      正確的做法是充30%-40%的電量,然后長期保存。

      木桶效應說的是一個木桶能盛多少水取決于圍城木頭中最短的那個木片的高度,放在鋰電池組上來形容一致性再好不過了。電池一致性表現不好對串并聯組數比較多的電池影響更大。

      假設一個6芯電池中第三顆18650因為某種原因容量下降的比較快,很快容量就只剩下75%了,他們6個是并聯在一起的,那么放電過程中第三顆電池會最早達到放電終止電壓,于是不論另外5顆電池還有沒有電量,電池組放電都會停止。

      充電時也是一樣。結果另外5顆電池沒有任何問題,也都跟著有問題的18650同步充放電,這組電池從外部看就是嚴重容量衰減的。實際上里面只有一顆有問題。這就是電池一致性的重要性的體現。

      電動車用鋰電池

      綠源、新日等品牌電動車從2010年開始進入每個家庭,但那時絕大多數電動車用的都是鉛酸電池。從2012年后開始出現了采用鋰電池的電動車,常見的規格是電壓36V/48V,容量8Ah-12Ah。

      帶腳蹬子的那種電動車如果使用48V12Ah的鋰電池,純電續航達50公里。

      一、充放電倍率

      電動車對充電方面沒有特別要求,常見的充電倍率是0.1C-0.3C之間,電池廠輕松達標,但放電倍率上稍高,至少要滿足1C,這對電池廠來說壓力也不大。但是目前還有一種電動摩托車,采用踏板摩托車外形,時速甚至可以超過100km/h,這種車對電池的要求一下提高到2C-3C,所以如果你是自己組裝這種高性能電動車,選購電池時要計算好。

      廠商配的電池往往不用操心,自己配的電池一般有3種類型:磷酸鐵鋰電池,三元鋰電池,動力三元電池。他們最高的放電倍率分別是:2C,1.5C,10C。你也可以通過增大電池組的容量來提升1C放電對應的電流。

      二、充放電循環次數

      磷酸鐵鋰電池壽命約2000次,三元鋰電池約800次,動力三元鋰電約800次。但是由于電動車中往往不是單體電池,木桶效應導致成組后第一次出現容量上的故障,時間上會提前,大約是單體壽命周期的1/4到1/2。

      當然,這也和使用習慣相關。剛剛說過的一切規律在這里都適用,因為我們這里涉及到另一種正極材料:磷酸鐵鋰了,所以要單說一下。

      磷酸鐵鋰的能量密度比三元鋰電低40%,同樣能量的電池磷酸鐵鋰體積大,分量沉,優勢在于循環次數多,好保養。比如還是剛剛所說的條件,三元鋰電滿電存放3個月,電池容量衰減到初始的60%,但磷酸鐵鋰面對這樣嚴酷的存放條件還可以保持90%,雖然也損失了,但遠沒有三元鋰電那么嚴重。

      這個原因和磷酸鐵鋰絕大部分能量(85%以上)都集中在3.2V電壓上有關,雖然這種電池充電的截止電壓有3.6V,但從3.6V到3.2V的區間內存儲能量還不到總能量的1%,即便充滿后,放置幾分鐘電壓也會回落到3.2V。所以磷酸鐵鋰自動維持低的電壓應力。不容易形成鈍化膜。

      一致性問題更加重要,目前電動車采用的單體電池大致有2類:

      1、小單體電池,也就是18650電池,容量2.2Ah-2.6Ah,每組電池單體數量200個-500個。

      2、大單體電池,容量一般為20Ah-40Ah之間,每組電池單體數量15個-30個。

      我們以72V40Ah的電池組為例,如果采用小單體電池,就需要20串19并的方式,共380顆18650電池。每20顆首尾相接為一條,19條電池組在任何時候充放電都要求電壓差在0.02V以內,聽上去要求很高,但實際上卻不像想象中的難,因為18650電池的工藝已經非常成熟,同批次電池的一致性相當的好。

      如果采用20Ah大單體電池,就需要20串2并的方式,共40顆大單體電池,只要這40顆工作起來同步就沒問題了,總得來說大單體電池成組后在一致性上出現問題的幾率更小。不利因素也有,如果是磷酸鐵鋰的大單體電池,一致性會比三元鋰電差很多,所以電池組都需要再添加一個自動均衡的電路,在每次充電的末尾判斷哪一顆電池需要單獨多充一會兒電,來解決磷酸鐵鋰一致性不佳的弱點。

      一致性問題在這里已經上升到很重要的地位,但還沒有到極致。

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