手把手带你认识锂离子电池(二)

夏军

本文的特约作者夏军将《手把手带你认识锂离子电池》,该文章共分为四篇,我们将分期发表,其为第二篇。

《手把手带你认识锂离子电池(一)》

三、 主要参数指标

锂离子电池具有能量密度高、转换效率高、循环寿命长、无记忆效应、无充放电延时、自放电率低、工作温度范围宽和环境友好等优点,因而成为电能的一个比较理想的载体,在各个领域得到广泛的应用。

一般而言,我们在使用锂离子电池的时候,会关注一些技术指标,作为衡量其性能“优劣”的主要因素。那么,哪些指标是我们需要在使用的时候,应该予以特别关注呢?

1. 容量

这是大家比较关心的一个参数。智能手机早已普及,我们在使用智能手机的时候,最为担心的就是电量不足,需要频繁充电,有时还找不到地方充电。早期的功能机,正常使用情况下,满充的电池可以待机3~5天,一些产品甚至可以待机7天以上。可是到了智能机时代,待机时间就显得惨不忍睹了。这里面很重要的一个原因,就是手机的功耗越来越大,而电池的容量却没有同比例的增长。

手把手带你认识锂离子电池(二)

容量的单位一般为“mAh”(毫安时)或“Ah”(安时),在使用时又有额定容量和实际容量的区别。额定容量是指满充的锂离子电池在实验室条件下(比较理想的温湿度环境),以某一特定的放电倍率(C-rate)放电到截止电压时,所能够提供的总的电量。实际容量一般都不等于额定容量,它与温度、湿度、充放电倍率等直接相关。一般情况下,实际容量比额定容量偏小一些,有时甚至比额定容量小很多,比如北方的冬季,如果在室外使用手机,电池容量会迅速下降。

2. 能量密度

能量密度,指的是单位体积或单位重量的电池,能够存储和释放的电量,其单位有两种:Wh/kg,Wh/L,分别代表重量比能量和体积比能量。这里的电量,是上面提到的容量(Ah)与工作电压(V)的积分。在应用的时候,能量密度这个指标比容量更具有指导性意义。

手把手带你认识锂离子电池(二)

基于当前的锂离子电池技术,能够达到的能量密度水平大约在100~200Wh/kg,这一数值还是比较低的,在许多场合都成为锂离子电池应用的瓶颈。这一问题同样出现在电动汽车领域,在体积和重量都受到严格限制的情况下,电池的能量密度决定了电动汽车的单次最大行驶里程,于是出现了“里程焦虑症”这一特有的名词。如果要使得电动汽车的单次行驶里程达到500公里(与传统燃油车相当),电池单体的能量密度必须达到300Wh/kg以上。

锂离子电池能量密度的提升,是一个缓慢的过程,远低于集成电路产业的摩尔定律,这就造成了电子产品的性能提升与电池的能量密度提升之间存在一个剪刀差,并且随着时间不断扩大。

3. 充放电倍率

这个指标会影响锂离子电池工作时的连续电流和峰值电流,其单位一般为C(C-rate的简写),如1/10C,1/5C,1C,5C,10C等。举个例子来阐述倍率指标的具体含义,某电池的额定容量是10Ah,如果其额定充放电倍率是1C,那么就意味着这个型号的电池,可以以10A的电流,进行反复的充放电,一直到充电或放电的截止电压。如果其最大放电倍率是10C@10s,最大充电倍率5C@10s,那么该电池可以以100A的电流进行持续10秒的放电,以50A的电流进行持续10秒的充电。

充放电倍率对应的电流值乘以工作电压,就可以得出锂离子电池的连续功率和峰值功率指标。充放电倍率指标定义的越详细,对于使用时的指导意义越大。尤其是作为电动交通工具动力源的锂离子电池,需要规定不同温度条件下的连续和脉冲倍率指标,以确保锂离子电池使用在合理的范围之内。

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