「科普」超详细的锂电池知识介绍
【博富能电池】锂离子电池生产厂家
锂电池是一类采用石墨或其他碳材料作为负极，以含锂的化合物作正极的可充电电池。它是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
一、锂电池的发展
1981年发表了第一个锂离子电池方面的专利。
1992年，SONY公司开始大规模生产民用锂离子电池。
1998年方型锂离子电池大量投放市场，占据了市场较大份额。
1999年中国锂离子电池开始大批量生产。
二、锂电池的分类
1.按外形分类
圆柱形锂电池
圆柱形锂离子电池，其型号命名一般为5位数字，前两位数字为电池的直径，中间两位数字为电池的高度，最后一位数字0代表圆柱形，单位为毫米。
最常用的圆柱形锂电池：
18650锂电池、14500锂电池、18500锂电池、21700锂电池、26650锂电池、32650（32700）锂电池
方形锂电池
方形锂电池通常是指铝壳或钢壳方形锂电池，广泛应用于勘探测绘、医疗设备、便携式检测设备。
2.按外壳分类
钢壳锂电池
早期锂离子电池大多为钢壳。由于钢壳重量大，安全性较差，但钢的稳定性强，后期很多厂商通过安全阀、PTC等器件优化设计结构，大大增加了其安全性能。而有些则直接替换掉钢壳，采用铝壳和软包，例如现在的手机电池。
铝壳锂电池
铝壳锂离子电池由于质量较轻且安全性稍优于钢壳锂离子电池。
软包装锂电池
软包装锂离子电池由于其质量轻，开模成本较低，安全性高等优点，逐步在扩大其市场份额。
3.按正极材料分类
锂离子电池所用正极材料目前有四种：
钴酸锂电池、锰酸锂电池、磷酸铁锂电池、镍钴锰（三元）锂电池
锂离子电池正极材料特性对比如下：
项目
钴酸锂电池
镍钴锰（三元）
锰酸锂
磷酸铁锂
振实密度（g/cm3）
2.8～3.0
2.0～2.3
2.2～2.4
1.0～1.4
比表面积（m2/g）
0.4～0.6
0.2～0.4
0.4～0.8
12～20
克容量(mAh/g)
135～140
140～180
90～100
130～140
电压平台(V)
3.7
3.6
3.7
3.2
循环性能
≥500次
≥500次
≥300次
≥2000次
安全性能
差
较好
良好
优秀
适用领域
中小电池
小电池/小型动力电池
动力电池、低成本电池
动力电池/超大容量电源
4.按电解质分类
液态锂离子电池
液态锂离子电池使用的是液体电解质，电解质为有机溶剂+锂盐。
聚合物锂离子电池
聚合物锂离子电池以固体聚合物电解质来代替,这种聚合物可以是“干态”的,也可以是“胶态”的,目前大部分采用聚合物胶体电解质。聚合物的基体主要为HFP-PVDF、PEO、PAN和PMMA等。
全固态锂离子电池
“全固态锂电池”是一种在工作温度区间内所使用的电极和电解质材料均呈固态、不含任何液态组份的锂电池，所以全称是“全固态电解质锂电池”。
三、锂电池的应用领域
1.消费品领域
主要应用在数码产品、手机、移动电源、笔记本等电子设备中。常用的有18650锂电池，锂聚合物电池。
2.工业领域
主要应用在医疗电子、光伏储能、铁路基建、安防通讯、勘探测绘等领域。常用的有储能/动力锂电池，磷酸铁锂电池，聚合物锂电池，18650锂电池。
3.特种领域
主要应用在、航空航天、舰艇船舶、卫星导航、高能物理等领域。常用的有超低温锂电池，高温锂电池，钛酸锂电池，防爆锂电池等。
四、锂电池参数
1.电压
标称电压
锂电池正负极之间的电势差称为锂电池的标称电压。标称电压由极板材料的电极电位和内部电解液的浓度决定。
开路电压
锂电池在开路状态下的端电压称为开路电压。锂电池的开路电压等于锂电池的正极的还原电极电势与负极电极电势之差。
工作电压
工作电压指锂电池接通负载后在放电过程中显示的电压，又称放电电压。在锂电池放电初始的工作电压称为初始电压。
锂电池常用电压推荐：
12V锂电池、24V锂电池、36V锂电池、48V锂电池
2.容量
锂电池在一定放电条件下所能给出的电量称为锂电池的容量，以符号C表示。常用的单位为安培小时，简称安时（Ah）或毫安时（mAh）。
锂电池的容量受其所用正极材料、电池的温度、放电倍率、电压等影响。
3.内阻
锂电池的内阻是指电流通过锂电池内部时受到阻力，内阻会影响锂电池的电压。
4.循环寿命
锂电池的循环寿命一般用使用次数表示，一次循环表示锂电池的一个完全充放电周期（即锂电池电量由空充电到满，再由满放电到空）。
注：锂电池的循环特性较好，一般500次循环以后还可以保持80%左右的容量。
5.放电倍率
放电倍率是指锂电池在放电时电流的大小，一般用C表示，用公式表示为：
放电倍率=放电电流/额定容量
注：由于锂电池用的是有机溶剂电解液，电导率一般只有铅酸或碱性电池电解液的几百分之一。因此，锂离子电池在大电流放电时，来不及从电解液中补充Li+,会发生电压下降。
6.工作温度
锂电池的工作温度指锂电池能够保持正常充放电工作的情况下所能适应的环境和电池本身的温度。
锂电池在低温时，放电平台有一定的降低。高温度时，会影响电池的循环性能，且会使电池有微量膨胀。因此，电池一般推荐在0-40℃范围内工作。
五、锂电池与铅酸电池、镍氢电池
项目
锂电池
铅酸电池
镍氢电池
能量密度(wh/kg)
200~260wh/kg
50~70wh/kg
40~70wh/kg
开路电压(v)
3.6V
2.0V
1.2V
循环寿命(次)
300-2500
400-600
300-350
充电速度
快
慢
很慢
记忆效应
无
无
有
环保性能
污染较低
污染高
污染低
六、锂电池PACK
锂电池PACK主要指锂电池的加工组装，主要是将电芯、保护板、BMS、连接片、标签纸等通过电池PACK工艺组合加工成客户需要的产品。
七、锂电池安全测试
最好的锂电池要符合UL2054安全标准(锂电池)，并且完成以下测试：
电性能测试
1.短路试验
2.非正常充电测试
3.强制过充测试
4.强制放电测试
5.受限制电压测试
机械测试
1.压缩测试（Crush Test）
2.振动测试（Vibration Test）
外围测试
1.铸造压力释放测试
2.燃烧测试
3.喷射试验
环境测试
1.加热测试
2.热循环测试
八、锂电池运输
锂电池运输方式包括空运、水运、陆运，最为常用的是航空运输、海洋运输。
由于锂是一种特别容易发生化学反应的金属，易延伸和燃烧，因此锂电池包装和运输处理不当，易发生燃烧和爆炸。
锂电池的包装要求：
1. 必须依据适用的包装说明指导装在DGR 危险品规则所规定的UN规格包装，并在包装上完整的显示对应编号。
2. 必须贴9类危险性标签。
3. 必须填写危险品申报单，提供相应的危包证。
锂电池的运输要求：
1. 电池须通过UN 38.3测试要求, 及1.2米的跌落包装试验。
2. 提供的危险品申报文件, 标注UN编号。
3. 电池应被保护以防止短路，在同一包装内须预防与可引发短路的导电物质接触。
4. 避免搬运过程受到强烈振动,托盘的各垂直和水平边使用护角保护。
九、如何正确使用锂电池
锂电池储存——锂电池的存放条件最关键的是温度和湿度，建议在温度20℃的环境下保存，注意防潮防湿，不要让锂电池处于亏电状态。不要挤压、碰撞，不要存放在强静电和强磁场的地方。
锂电池充放电——不要过充，不要使用劣质充电器，切勿盲目使用高倍率充电器。放电量不要超过电池容量的80%
锂电池分类及充、放电机制
锂电池的目前的类型有锰酸锂、磷酸铁锂、钛酸锂、钴酸锂、三元材料等 ，因能量性能和稀有金属成本的原因，锰酸锂、钛酸锂和钴酸锂电池逐渐变为小众选择，而磷酸铁锂和三元锂电池则得到更广泛的推广应用 。但是这两者有什么区别呢？让我们就聊一聊锂电池这点儿事。
三元锂电池
三元锂电池全称是“三元材料电池”，一般是指采用镍钴锰酸锂（Li（NiCoMn）O2，NCM）或镍钴铝酸锂（NCA）三元正极材料的锂电池，把镍盐、钴盐、锰盐作为三种不同的成分比例进行不同的调整，所以称之为“三元”，包含了许多不同比例类型的电池。 从形状上来区分，可分为软包电池、圆柱电池和方形硬壳电池。其标称电压可达到3.6-3.8V，能量密度比较高，电压平台高，振实密度高，续航里程长，输出功率较大，高温稳定性差，但低温性能优异，造价也比较高 。
磷酸铁锂电池
磷酸铁锂电池则是采用磷酸铁锂（LiFePO4）作为正极材料，用铁来做电池原料 。一来成本低廉，二不含重金属，对环境污染较小，工作电压为3.2V 。磷酸铁锂晶体中的P-O键稳固，因此在零电压存放时并不会有泄漏，高温条件下或过充时安全性非常高，可快速充电，高放电功率，无记忆效应，循环寿命高，缺点为低温性能差，正极材料振实密度小，能量密度较低，产品的成品率和一致性也饱受质疑。
这两类电池各有所长
高温条件下，三元锂电池的三元材料会在200℃时发生分解，产生剧烈的化学反应，释放出氧原子，并在高温作用下极易发生燃烧或爆炸的现象，因此基于安全的考虑，我国工信部在2016年1月，通过特殊发文规定将三元锂电池的使用暂时限制在纯电动客车之外。而磷酸锂电池的分解温度在800℃，更不容易着火，安全性相对较高。
低温条件下（气温低于-10℃以下），磷酸锂电池衰减得非常快， 经过不到100次充放电循环，电池容量将下降到初始容量的20%，基本与寒冷地区的使用绝缘了；而三元锂电池的低温性能优异，在-30℃条件下可保持正常电池容量，更适应北方低温地区的使用条件。
从制造成本上来看，三元锂电池所必需的钴元素在我国储量较少，大部分靠海外进口，受到市场波动影响非常大，所以三元锂电池的成本必然居高不下，而磷酸铁锂电池所需原材料无需进口，供应充足，价格稳定，成本相对较低。
在实验条件下，磷酸铁锂电池循环5000次后，剩余容量为84%，1C（1C表示电池一小时完全放电时电流强度） 循环5 000 次后仍能保持80%以上的初始容量；三元锂电池循环3900次后，剩余容量只剩下66%，1C循环2500次后就下降到80%初始容量。相比起来磷酸锂电池的循环寿命要远远大于三元锂电池。 此外，磷酸铁锂电池能量密度为120Wh/kg，已经基本达到理论极致，而三元电池的能量密度180Wh/kg，今后还有很大的提升空间。
前景
日本松下、韩国LG化学、三星SDI等多采用三元锂电池的技术路线，比如新能源巨头特斯拉就采用了松下的镍钴铝酸锂三元锂电池，就是所谓的NCA，在Model S和Model X上采用的是松下18650电池组，而最新的MODEL 3采用了更大容量的21700圆柱体电池组。
国内的新能源汽车企业在早期源于成本问题，大多采用磷酸铁锂电池作为能量来源，如比亚迪等企业则为磷酸铁锂电池的主力厂商，推出了秦、唐、宋等众多明星产品，而现如今由于国家对于续航里程等补贴标准的提升，三元锂电池市场份额在逐渐提升。
在与磷酸铁锂电池的竞争中，三元锂电池的安全问题有待提升，这始终是盘桓在汽车企业脑海中的阴影，连特斯拉Model X这样的技术领先产品，也曾在国内外多次发生电池组起火燃烧的事故。但从长远来看，三元锂电池有着磷酸铁锂电池不可比拟的高能量密度、耐低温等特性，在新能源汽车发展的未来，三元锂电池解决掉安全和成本问题之后，将彻底取代目前磷酸铁锂的市场地位，将成为新能源市场上的大势所趋。
18650锂离子电池介绍：
18650是锂离子电池的鼻祖--日本SONY公司当年为了节省成本而定下的一种标准性的锂离子电池型号，其中18表示直径为18mm，65表示长度为65mm，0表示为圆柱形电池。而5号电池的型号是14500，直径14毫米，长50毫米。一般18650的电池在工业上用的比较多，民用的很少，常见的也就在笔记本电池和高档手电上用的比较多。
18650只是电池的尺寸型号，根据电池种类还能分为，锂离子的18650，磷酸铁锂的18650，镍氢的18650（很少见），常见的18650是锂离子的。锂离子电池电压为标称电压为3.7v，充电截止电压为4.2v，磷酸铁锂电池标称电压为3.2V，充电截止电压为3.6v，容量通常为1200mAh-3350mAh，常见容量是2200mAh-2600mAh。
再说回自己项目中使用的电池，通过以上资料的了解，可确定手中电池为1200mAh的锂离子电池，且是三元锂离子电池，标称电压3.7V，截止电压4.2V。若要得到电池电量百分比，则需要继续了解其充放电特性。
1.锂离子电池充电
锂离子电池充电采用CC/CV的方式(恒流+恒压)也就是说先以一个恒定的电流进行充电，当电压达到4.2 V*n时转为恒压充电，直至电流减小到0.01C时充电停止。
充电电压：最大充电电压是4.2V*n（n：串联电池数）
充电电流：推荐的充电电流0.5C（如标称容量为2200mAh的电池，充电电流0.5*2200=1100mAh）
充电温度：电池应在0°C~45°C范围内进行充电.
2.锂离子电池放电
放电电流：放电电流应该在1.0C或更小。
放电终止电压：电池的放电终止电压不应小于2.5V*n（n：串联电池数）。电池过放会使电池寿命缩短，严重时会导致电池失效。
放电温度：电池应在-20°C~+60°C温度范围内进行放电（工作）。
放电深度的概念
所谓放电深度，就是指所放电量与所储存电量（标准容量）的比值。
比如说，放电深度为20%，就是说放到剩下80%的容量。
自然，数字越小，就意味放电越浅。
放电深度与使用寿命的关系：放电深度越深，寿命就越容易缩短；
放电深度越往深处走，电压和电流就越不能保证。反过来说，很多时候，电量计，用电量作为电池工作终止条件，也就是为了保证一定的电压和电流平台，另外就是从寿命出发。
3.锂离子电池的储存
锂电池可贮存在环境温度为-5°C—35°C，相对湿度不大于75%的清洁、干燥、通风的室内，应避免与腐蚀性物质接触，远离火源及热源。电池电量保持标称容量的30%到50%。推荐贮存的电池每6个月充电一次。
锂电池充放电介绍：
1、再述锂电池以及工作原理
锂离子电池自1990年问世以来，因其卓越的性能得到了迅猛的发展，并广泛地应用于社会。锂离子电池以其它电 池所不可比拟的优势迅速占领了许多领域，象大家熟知的移动电话、笔记本电脑、小型摄像机等等。
目前锂电池公认的基本原理是所谓的“摇椅理论”。锂电池的充放电不是通过传统的方式实现电子的转移，而是通过锂离子在层状物质的晶体中的出入，发生能量变化。在正常充放电情况下，锂离子的出入一般只引起层间距的变化，而不会引起晶体结构的破坏，因此从充放电反映来讲，锂离子电池是一种理想的可逆电池。在充放电时锂离子在电池正负极往返出入，正像摇椅一样在正负极间摇来摇去，故有人将锂离子电池形象称为摇椅电池。
我们经常说的锂离子电池的优越性是针对于传统的镍镉电池（Ni/Cd）和镍氢电池（Ni/MH）来讲的。 具有工作电压高、比能量大、循环寿命长、自放电率低、无记忆效应等优点（比能量指的是单位重量或单位体积的能量，电池的比能量就是参与电极反应的单位质量的电极材料放出电能的大小 ）。
2、锂电池日常使用过程中的常识
（1）、误区：“电池激活，前三次充电12小时以上”
对于锂电池的“激活”问题，众多的说法是：充电时间一定要超过12小时，反复做三次，以便激活电池。这种“前三次充电要充 12小时以上”的说法，明显是从镍电池（如镍镉和镍氢）延续下来的说法。所以这种说法，可以说一开始就是误传。经过抽样调查，可以看出有相当一部分人混淆了两种电池的充电方法。
锂电池和镍电池的充放电特性有非常大的区别，所查阅过的所有严肃的正式技术资料都强调过充和过放电会对锂电池、特别是液体锂离子电池造成巨大的伤害。因而充电最好按照标准时间和标准方法充电，特别是不要进行超过12个小时的超长充电。通常，手机说明书上介绍的充电方法，就是适合该手机的标准充电方法。
（2）、 不益长时间充电、电池完全用完再充电
锂电池的手机或充电器在电池充满后都会自动停充， 并不存在镍电充电器所谓的持续10几小时的“涓流”充电。如果锂电池在充满后，放在充电器上也是也不再充电。
超常时间充电和完全用空电量会造成过度充电和过度放电，将对锂离子电池的正负极造成永久的损坏，从分子层面看，过度放电将导致负极碳过度释出锂离子而使得其片层结构出现塌陷，过度充电将把太多的锂离子硬塞进负极碳结构里去，而使得其中一些锂离子再也无法释放出来。
（3）、电池寿命
关于锂离子电池充放电循环的实验表，关于循环寿命的数据列出如下(DOD是放电深度的英文缩写)：
循环寿命 (10％DOD)：> 1000次
循环寿命 (100％DOD)：> 200次
从上面数据可见，可充电次数和放电深度有关，10％DOD时的循环寿命要比100％DOD的要长很多。当然 如果折合到实际充电的相对总容量10％*1000=100，100％*200=200，后者的完全充放电还是比较好一 些。但是锂电池的寿命主要体现在充放电周期上，这个周期是一个绝对概念，上次使用了30％电力，充满电，下次又使用了70％的电力，又充满电，这个刚好是 一个充电周期。所以还是遵循锂电池发明者的口号“即用即充，即充即用”的方法使用锂电池。
（4）、定期深度充放电进行 电池校准
锂离子电池一般都带有管理芯片和充电控制芯片。其中管理芯片中有一系列的寄存器，存有容量、 温度、ID 、充电状态、放电次数等数值。这些数值在使用中会逐渐变化。使用说明中的“使用一个月左右应该全充放一次”的做法主要的作用应该就是修正这些寄存器里不当 的值。
3、锂电池的充电方式：限压恒流方式
主要分三步完成：
第一步：判断电压<3V，要先进行预充电，0.05C电流；
第二步：判断 3V<电压<4.2V，恒流充电0.2C~1C电流；
第三步：判断电压>4.2V，恒压充电，电压为4.20V，电流随电压的增加而减少，直到充满。
充电开始时，应先检测待充电电池的电压，如果电压低于3V，要先进行预充电，充电电流为设定电流 的1/10，一般选0.05C左右。电压升到3V后，进入标准充电过程。标准充电过程为：以设定电流进行恒流充电，电池电压升到4.20V时，改为恒压充电，保持充电电压为4.20V。此时，充电电流逐渐下降，当电流下降至设定充电电流的1/10时，充电结束。
一般锂电池充电电流设定在0.2C至1C之间，电流越大，充电越快，同时电池发热也越大。而且，过大的电流充电，容量不够满，因为电池内部的电化学反应需要时间。就跟倒啤酒一样，倒太快的话会产生泡沫，反而不满。
术语解释：充放电电流一般用C作参照，C是对应电池容量的数值。电池容量一般用Ah、mAh表示，如M8的电池容量1200mAh，对应的C就是1200mA。0.2C就等于240mA。
4、锂电池的放电：
锂电池放电只需要注意很少的几点：
1、放电电流不能过大， 过大的电流导致电池内部发热，有可能会造成永久性的损害；
2、绝对不能过放电！锂电池最怕过放电，一旦放电 电压低于2.7V，将可能导致电池报废。
下面是一般锂电池的典型放电曲线图：
所以，一般情况下电池大负荷工作后，减少负荷会出现电压回升现象，就是所说的“回电”现象。
给个图看看，这个放电曲线图在放电过程中停了一下，出现了“回电”。
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