高中化学：锂离子电池中的锂是如何制备而来？

课堂｜锂电池性能各参数解析

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来源：汽车人参考

作为一篇入门的文章，笔者先跟大家分享一下动力电池的性能参数，虽然这些个参数都比较偏理论叙述，但是却是动力电池最基本的元素，就像一把钥匙，通过它们才能评价动力电池的好坏，才能打开这扇大门。

我们先来复习一下高中知识...

电压（Ｖ）

开路电压，顾名思义，即电池外部不接任何负载或电源，测量电池正负极之间的电位差，即为电池的开路电压。工作电压，与开路电压相对应，即电池外接上负载或电源，有电流流过电池，测量所得的正负极之间的电位差。

由于电池内阻的存在，放电状态时（外接负载），工作电压低于开路电压，充电时（外接电源）的工作电压高于开路电压。

电池容量（Ah）

能够容纳或释放的电荷Q，Q=It，即电池容量（Ah）＝电流（A）x 放电时间（h），单位一般为Ah（安时）或mAh（毫安时）。

比如车内蓄电池标注16Ah，那么在工作时电流为1A的时候，理论上可以使用16小时。

电池能量（Wh）

电池储存的能量，单位为Wh（瓦时），能量（Wh）＝电压（V）×电池容量（Ah）。

如下图，为标识为3.7V/10000mAh的电池，其能量为37Wh，而如果我们把4节这样的电池串联，就组成了一个电压是14.8V，容量为10000mAh的电池组，虽然没有提高电池容量，但总能量确提高了4倍。

（写到这儿笔者看了一下自己的充电宝标识，特意搜索了下民航规定不能携带超过160Wh…）

复习了高中知识，我们下面来一点干货...

能量密度（Wh/L & Wh/kg）

单位体积或单位质量电池释放的能量。

如果是单位体积，即体积能量密度（Wh/L），很多地方直接简称为能量密度；

如果是单位质量，就是质量能量密度（Wh/kg），很多地方也叫比能量。

如一节锂电池重300g，额定电压为3.7V，容量为10Ah，则其比能量为123 Wh/kg。

根据16年发布的“节能与新能源汽车技术路线图”，我们可以大概对动力电池发展趋势有一个概念，下图所示，到2020年，纯电动汽车电池单体比能量要达到350Wh/kg

功率密度（W/L & W/kg）

将能量除以时间，便得到功率，单位为W或kW。同样道理，功率密度是指单位质量（有些地方也直接叫比功率）或单位体积电池输出的功率，单位为W/kg或W/L。

比功率是评价电池是否满足电动汽车加速性能的重要指标。

比能量和比功率究竟有什么区别？

举个形象的例子：

比能量高的动力电池就像龟兔赛跑里的乌龟，耐力好，可以长时间工作，保证汽车续航里程长；

比功率高的动力电池就像龟兔赛跑里的兔子，速度快，可以提供很高的瞬间电流，保证汽车加速性能好；

下面的参数稍微有点绕口...

电池放电倍率（C）

放电倍率是指在规定时间内放出其额定容量（Q）时所需要的电流值，它在数值上等于电池额定容量的倍数。即：充放电电流（A）/额定容量（Ah），其单位一般为C ( C-rate的简写)，如0.5C，1C，5C等

举个例子，对于容量为24Ah电池来说：

用48A放电，其放电倍率为2C，反过来讲，2C放电，放电电流为48A，0.5小时放电完毕；

用12A充电，其充电倍率为0.5C，反过来讲，0.5C充电，充电电流为12A，2小时充电完毕；

电池的充放电倍率，决定了我们可以以多快的速度，将一定的能量存储到电池里面，或者以多快的速度，将电池里面的能量释放出来。

荷电状态（%）

SOC，全称是State of Charge，荷电状态，也叫剩余电量，代表的是电池放电后剩余容量与其完全充电状态的容量的比值。

其取值范围为0~1，当SOC=0时表示电池放电完全，当SOC=1时表示电池完全充满。电池管理系统（BMS）就是主要通过管理SOC并进行估算来保证电池高效的工作，所以它是电池管理的核心。

目前SOC估算主要有开路电压法、安时计量法、人工神经网络法、卡尔曼滤波法等，我们以后再详细解读。

内阻

内阻是指电池在工作时，电流流过电池内部受到的阻力。包括欧姆内阻和极化内阻，其中：欧姆内阻包括电极材料、电解液、隔膜电阻及各部分零件的电阻；极化内阻包括电化学极化电阻和浓差极化电阻。

用数据说话，下图表示一电池放电曲线，X轴表示放电量，Y轴表示电池开路电压，电池理想放电状态为黑色曲线，红色曲线是考虑到电池内阻时的真实状态。

图示：Qmax为电池最大化学容量；Quse为电池实际容量；Rbat表示电池的内阻；EDV为放电终止电压；I为放电电流；

从图中可以看出，电池实际容量Quse < 电池理论上的最大化学容量Qmax。由于电阻的存在，电池的实际容量会降低。我们也可以看到，电池实际容量Quse取决于两个因素：放电电流I与电池内阻Rbat的乘积，以及放电终止电压EDV是多少。需要指出的是电池内阻Rbat会随着电池的使用而逐渐增大。

内阻的单位一般是毫欧姆(mΩ)，内阻大的电池，在充放电的时候，内部功耗大，发热严重，会造成电池的加速老化和寿命衰减，同时也会限制大倍率的充放电应用。所以，内阻做的越小，电池的寿命和倍率性能就会越好。通常电池内阻的测量方法有交流和直流测试法。

自放电

电池自放电，是指在开路静置过程中电压下降的现象，又称电池的荷电保持能力。

一般而言，电池自放电主要受制造工艺、材料、储存条件的影响。自放电按照容量损失后是否可逆划分为两种：容量损失可逆，指经过再次充电过程容量可以恢复；容量损失不可逆，表示容量不能恢复。

目前对电池自放电原因研究理论比较多，总结起来分为物理原因（存储环境，制造工艺，材料等）以及化学原因（电极在电解液中的不稳定性，内部发生化学反应，活性物质被消耗等），电池自放电将直接降低电池的容量和储存性能。

寿命

电池的寿命分为循环寿命和日历寿命两个参数。循环寿命指的是电池可以循环充放电的次数。即在理想的温湿度下，以额定的充放电电流进行充放电，计算电池容量衰减到80%时所经历的循环次数。

日历寿命是指电池在使用环境条件下，经过特定的使用工况，达到寿命终止条件(容量衰减到80%) 的时间跨度。日历寿命与具体的使用要求紧密结合的，通常需要规定具体的使用工况，环境条件，存储间隔等。

循环寿命是一个理论上的参数，而日历寿命更具有实际意义。但日历寿命的测算复杂，耗时长，所以一般电池厂家只给出循环寿命的数据。

上图为一三元锂电池的充放电特性图，可以看出，不同的充放电方式对电池的寿命影响不一样，如上图数据，以25%-75%充放电的寿命可以达到2500次，即我们所说的电池浅充浅放。电池寿命这个话题我们以后还会深入讨论。

电池组的一致性

这个参数比较有意思，即使是同一规格型号的电池单体在成组后，电池组在电压、容量、内阻、寿命等性能有很大的差别，在电动汽车上使用时，性能指标往往达不到单体电池的原有水平。

目前比较合理的解释：

单体电池在制造出来后，由于工艺的问题，导致内部结构和材质不完全一致，本身存在一定性能差异。初始的不一致随着电池在使用过程中连续的充放电循环而累计，再加上电池组内的使用环境对于各单体电池也不尽相同，导致各单体电池状态产生更大的差异，在使用过程中逐步放大，从而在某些情况下使某些单体电池性能加速衰减，并最终引发电池组过早失效。