鋰電池

1、鋰電池的組成

我們平時見的手機電池都是鋰電池，行業較電池PACK，鋰電池PACK主要由兩大塊構成：電芯和保護板。電芯主要由五塊構 成：正極材料、負極材料、電解液、隔膜和外殼。保護板主要由保護晶片、MOS管、電阻電容和PCB板構成。

2、鋰電池的分類

鋰電池按照形狀分為圓柱型電池和方形電池。圓柱型如一些移動電源和電動工具用的18650電池，方形電池如手機電池。

按電解液分為鋰離子電池和聚合物電池。鋰離子電池電解液是液態的，外殼是一般是硬的，一般為鋁殼或鋼殼，如三星的傳統 機器都是鋰離子電池。聚合物電池電解液為固態，如蘋果手機的電池。

3、鋰電池的常用術語

3.1電池容量

電池的容量又叫電池的電量，單位為Ah(安時)或mAh(毫安時)。容量為1Ah的電池理想情況，在充滿電的情況下用1A的電流持 續放電可以放1個小時。

3.2充/放電倍率

充/放電倍率表示以多大電流充/放電，一般以電池的標稱容量的倍數來計算，一般稱為“多少C”。2500mAh的鋰電池，如果放 電倍率為1C是指放電電流為2500mA，充電電流為0.2C是指充電電流為500mA。

3.3標稱電壓

鋰電池的標稱電壓又稱為額定電壓，普通手機電池的標稱電壓一般為3.7V，電池充滿時的電壓一般為4.2V左右，電池剛放完 時的電壓一般為2.5V左右。

3.4標稱功率/標稱能量

根據物理教材， P = U ∗ I P=U*I P=U∗I， W = U ∗ I ∗ t W=U*I*t W=U∗I∗t，功率的單位為W(瓦)，能量的單位為Wh(瓦時)。容量為1500mAh的電池，標稱電壓為 3.7V，標稱功率為5.55W，標稱能量為5.55Wh。

3.5內阻

電池可以等效為一個電壓源，帶有一定的內阻的電壓源。對電池來說，內阻越小越好，內阻越小也越貴。 電池的內阻的單位為Ω(歐姆)或mΩ(毫歐)。電池內阻主要受電池的材料和製造工藝的影響。

3.6迴圈壽命

電池的迴圈壽命一般指充滿和放光一次的迴圈，電池到了迴圈壽命後，電池老化很厲害，電池的容量將下降很多，迴圈壽命也 是衡量電池的重要指標。

IEC標準規定電池的迴圈壽命為500次後保持為初始容量的60%，國標規定迴圈300次後容量應保持為初始容量的70%。

3.7剩餘電量(SoC)

電池的剩餘容量指電池當前的電量與總的可用電量的百分比，0%~100%，反映還有多少電量的情況。

鋰離子電池

1. 鋰離子電池介紹

鋰離子電池是一種二次電池（充電電池），它主要依靠鋰離子在正極和負極之間移動來工作。在充放電過程中，Li+在兩個電極之間往返嵌入和脫嵌，充電時，Li+從正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處於富鋰狀態；放電時則相反。

2.鋰離子電池的優缺點

鋰離子電池的主要優點：

• 鋰離子電池電壓高，能量密度高；
• 迴圈壽命長，一般可迴圈500，甚至達到1000次以上；
• 自放電小，室溫下充滿電的Li-ion儲存1個月後的自放電率為10%左右；
• 可快速充電，1C充電時容量可以達到標稱的80%；
• 工作溫度範圍寬，一般為-25~45°C，後面有望突破-40-70°C；
• 沒有Ni-Cd、Ni-Mh一樣的記憶效應，在充電前不比將剩餘電量用完；
• 相比較Ni-Cd、Ni-Mh來說環保無汙染（不含鎘，汞等重金屬）；

鋰離子電池的主要缺點：

• 成本高；
• 需要加保護電路板，包括過充和過放保護；
• 不能大電流放電，一般放電電流在0.5C以下，過大的電流導致電池內部發熱；
• 安全性差，容易爆炸、起火。

3.鋰電池和鋰離子電池的區別

鋰電池和鋰離子電池是兩個不同的概念，主要有如下的區別：

1. 鋰電池的正極材料是二氧化錳或亞硫醯氯，負極是鋰；
2. 鋰離子電池是以含鋰的化合物作正極的鋰電池，在充放電過程中，沒有金屬鋰存在，只有鋰離子；
3. 鋰電池也稱一次鋰電池，可以連續放電，也可以間歇放電，一旦電能耗盡便不能再用，不能進行充電；
4. 鋰離子電池也稱二次鋰電池，可以充放電；

4.鋰離子電池充電模式

鋰離子電池理想充電模式被稱為CC CV模式，即恆流 恆壓模式。

如下的圖形中，灰色為電池電壓，綠色為充電電流，紅色為電池容量。

在電池電壓低時，電池以固定的恆定電流進行充電，當電池電壓達到4.2V時，會由恆流模式切換到恆壓模式，因為電池的電壓不容許超過4.2V，所以系統會逐漸減小充電電流，直到接近於0；當電池電壓為4.2V，且充電電流為0，代表電池已充滿電。

可參閱：鋰離子電池充電簡介

為了保證電池的絕對安全，實際的充電模式會更細化，對於不確定的電池上來就按照恆流進行充電，會給電池造成更大的損壞。

• 測試模式，當電池電壓低於2V時，會以很小的電流，對電池進行喚醒；
• 涓流充電，也叫預充模式，當電池電壓處於2V~3V之間時，會以恆流充電的1/10或者1/20電流大小進行預充；
• 恆流充電，當電池電壓升至3V以上時，會以恆流模式對電池快速充電；
• 恆壓充電，當電池電壓達到4.2V時，會以恆壓模式對電池進行充電；

在電池電壓為4.2V，充電電流較低但不為0，約為恆流充電電流的1/10時，停止充電，這時候電池電壓會降低到4.16V或者4.17V；

5.為什麼鋰離子電池充電截止電壓是4.2V

下圖是電池的迴圈壽命和充電截止電壓的關係圖，在電池最初的週期中，充電到略高的電壓會得到更高的單週期電量，但只會存在一小段時間。當電池的充電電壓比推薦的4.2V最高電壓還要高50mV或100mV時，由於每個週期都會略微過度充電，因此電池的老化速度會大大加快。

電池的充電截止電壓高於4.2V，電壓越高，迴圈壽命越短，且電池容量下降越快。

6.鋰離子電池基本特性

6.1 放電曲線

放電率愈高,電池容量愈低,溫度低時,電池容量也會降低。 不同的放電率表現出不同的電池容量，在較高的放電電流下，電池容量達不到額定值，電池電壓因為電池的內阻而出現了較大的跌落（C為電池容量，單位Ah）。

6.2 充電曲線

鋰離子電池進行充電時的三個階段：預充電、恆流充電和恆壓充電。 預充電的意義是要對電池的狀態進行調整，使之進入可以進行大電流快速充電的狀態；恆流充電的作用是將電能快速地儲存到電池中，恆壓充電階段則是最後的調整階段，它使電池的容量最大化。下圖顯示了充電的三個階段：

預充電（Precharge） 發生在電池電壓比較低時，對於大多數鋰離子電池來說，這個電壓通常定義在3V以下，此階段的充電電流一般控制在0.1C-0.3C左右。恆流充電（CC） 的電流大多設定在0.5C-1C左右，電池電壓被充電到設定的電壓（一般為4.2V或4.35V，根據電池種類不同而不同）。恆壓充電（CV） 階段，電流將逐漸下降，下降到一定程度（通常是0.1C）以後,可以認為電池已經充滿了，充電過程將截止。

6.3 迴圈壽命

迴圈次數是當一個電池所經歷完整充放電的次數，是可由實際放電容量與設計容量來估計。每當累積的放電容量等於設計容量時，則迴圈次數一次。通常在500次充放電迴圈後，完全充電的電池容量約會下降 10%〜20%。

6.4 自放電率

所有電池的自放電都會隨著溫度上升而增加。自放電基本上不是製造上的瑕疵，而是電池本身特性。然而製造過程中不當的處理也會造成自放電的增加。通常電池溫度每增加10°C，自放電率即倍增。鋰離子電池每個月自放電量約為1〜2%。

6.5 充電溫度控制

鋰電池的工作溫度範圍是-20〜60℃，電池所處的溫度對其充電會有重大影響。通常情況下，溫度過低或過高時，應當禁止對電池進行充電操作。正常鋰電池充電溫度控制在10〜45℃。 有的國家和地區還對電池充電制定了不同溫度下的不同策略，日本在此方面是一個典型，特別制訂的JEITA規範就要求在溫度過低和過高時降低恆流充電電流、恆壓充電電壓，這一規範恰好與電池的容量隨著溫度的變化而變化的特性緊密對應，下圖顯示了單節鋰電池充電JEITA規範。

在T2-T3溫度範圍內，充電電流和充電電壓上限都在正常範圍。在低溫時（T1-T2）,鋰離子反應緩慢，持續大電流充電時會產生大量熱量加快電池老化，規劃規定在此範圍內充電電流降至0.5C，溫度低於T1或高於T5時充電停止。在高溫時（T3-T5）, 如果充電期間電池表面溫度升至 T3 以上，陰極材料開始變得更加活躍，會在電池電壓升高時與電解質產生化學反應，溫度過高會發生爆炸。因此在高溫時需要降低截至電壓，T3-T4階段，最大截至電壓為4.15V。T4-T5階段，最大截至電壓為4.1V，使用低充電壓確保電池安全性。

6.6 鋰離子電池保護

鋰離子電池在使用中最重要的是要確保它不會被過度充電和放電，這兩種行為對它的傷害都是不可修復的，甚至可能還是危險的，因為它的內部材料結構被破壞了，什麼問題都可能表現出來。因此使用中首先要做的就是要給它加上保護電路，確保過度的行為不會發生。目前市面上鋰離子電池保護IC很多，其功能都一樣就是實現過流、過壓保護和過充、過放保護，下圖是擷取自RT9545規格書的應用電路圖：

在一般應用中，保護IC這部分電路是和電池一起放在電池包裡的，使用者能夠看到的僅僅是+、-兩個電極。使用鋰電池時需要注意是否內建保護晶片，確保鋰電池在使用時不會被過放。 電路中Q1和Q2既是用於實現放電和充電時的保護開關，當IC在開關兩端檢測到過大的電壓壓降時，就會強制MOSFET進入截止狀態，從而關閉流過電池的電流，達到保護電池的目的。

7. 鋰離子電池工作電壓範圍

鋰離子電池的工作電壓有一個範圍，不同電芯廠家製造會有所不同，但是差別不大。