必备的锂电池知识

前言

18650 1200mah锂电池

电池在日常生活中变得极为重要了,家电、手机、电脑、仪表、玩具等等方面都依靠电池来提供能量。在这些电子产品中最常见的电池有普通干电池,如南孚,可充电的锂离子电池或锂聚合物电池等等。在本文中,我们主要关注锂离子电池,因为它相比其他类型的电池用处更多,像小型的充电宝,或者笔记本电脑电池,甚至大到像特斯拉的Model 3一样的汽车,都是由锂离子电池来驱动的。

锂离子电池的历史

最早的锂离子电池的概念是由G.N Lewis正在1912年提出的,直到1970年第一个不可充电的锂电池才被投入市场,上世纪80年代,各国工程师不断尝试用锂作为阳极材料,尝试制造可充电的锂电池,经过不懈努力取得了一定的成功,但工程师们也注意到,这些的锂电池在充电过程中是非常不稳定的,充电时有可能会在电池内部产生短路,从而导致电池温度增高,严重时极易引发爆炸。

1991年在日本发生了一起手机锂电池在使用中爆炸的事故,事故炸伤了受害人的脸。在这一事件发生后,人们真正意识到在使用锂电池时应该要谨慎,于是制造商对这些进入市场的电池大部分进行了召回。之后,经过大量的研究,索尼公司推出了一种先进的锂离子电池,它使用了一种新的化学材料,基本解决了稳定性的问题,这种化学材料在锂电池领域一直被广泛使用至今。

锂离子电池的工作原理

锂是一种非常轻的金属,储能密度很高,这个特性使锂电池在重量上可以做得很轻,同时可提供较大的电流。储能密度是储存在电池单位体积内的能量,储能密度越高,相同容量的电池体积就越小。尽管锂的特性非常适合储能,但它却不能直接作为电极来使用,因为锂金属的性质极不稳定。因此,我们使用的锂离子,虽然具有与金属锂相同的特性,但它并不是金属的,使用起来相对安全一些。

通常锂电池的阳极是由碳原子制成的,电池的阴极是用钴氧化物或其他金属氧化物制成的。两个电极通过电解液连接,电解液里面含有锂离子。当放电时,带正电的锂离子向负极移动,并对其进行撞击,直到它变得带正电,负极带正电后,它就会吸引带负电的电子,这些电子来源于我们的电路,从而锂电池可以为电路提供能量。同样,在充电时,情况正好相反。来自电荷的电子流进电池,因此锂离子向阳极靠近,使阴极失去了正电荷。

锂离子电池的参数

关于锂离子电池的理论已经说得够多了,现在让我们来了解一下锂电池的最小单元,这样我们就可以对它在一些DIY项目中的使用更有信心了。最常用的锂离子电池单元是18650电池颗粒,下图是一个典型的18650电池颗粒。

Samsung-IMR-18650-2500mA

18650锂离子电池并不神秘,它和普通干电池一样也有电压和容量等级。所有18650锂电池颗粒的额定电压均为3.6V,因此当你需要更高的电压或电流时,你可以将两个或多个电池颗粒结合在一起就可以满足。默认情况下,单个18650锂电池颗粒的额定电压只有3.6V,当它完全放电后,电压将下降到3.2V,当它在充电时单体电压可能达到4.2V。需要记住的是,如果将单体电池颗粒放电到3.2V以下或充电电压超过4.2V,将永久损坏电池,甚至导致爆炸。再次强调本文提及的相关指标针对18650单体电池颗粒。

额定电压:18650单体电池的实际电压等级。默认情况下,它是3.6 V。只要是18650电池,尽管制造商不相同,它的额定电压都是相同的。

放电电压:18650单体电池不能在低于3.2V的情况下继续放电,否则将会改变电池的内阻将永久损坏电池,也可能导致爆炸。

充电电压:单体18650锂电池的充电电压是4.2V。

3000mah 3s 20c 锂电池

mAh:电池的容量通常以mAh(毫安时)来表示。举个例子,假设我们的单体电池容量是2000 mAh,也就是2 Ah(安培/小时),这意味着,如果让这个电池中持续输出2A工作电流,它可以持续工作1个小时,类似地,如果让这个电池中持续输出1A电流,它可以持续工作2个小时。因此,如果我们想要知道在某个DIY项目中电池可以供电多长时间,那么可以使用mAh来进行计算。

运行时间(小时)= 工作电流/mAh

C等级:如果我们想知道我们能从电池中获得的最大电流是多少,这是就需要关注电池的C等级。举个例子,假设我们的电池是2 Ah电池,3C等级,3C意味着电池可以输出3倍于额定Ah数的电流作为其最大电流,因此这个电池可以提供高达6A(3*2=6)作为最大电流。正常情况下,18650单体电池颗粒只是1 C的等级。C是以电池标称容量对照电流的一种表示方法,如电池是1000mAh的容量,1C就是充电电流1000mA。

电池最大工作电流 = C 等级 * Ah

充电电流:另一个需要注意的电池的重要参数充电电流。电池可以提供最大6A的工作电流,并不意味着它可以用6A充电。电池的最大充电电流在电池参数表可以找到,通常情况下,可以按0.5 C,也就是Ah值的一半来计算,对于2 Ah容量等级的电池,充电电流可以是1A(0.5*2=1)。

充电时间:单体18650电池所需的最小充电时间可以通过充电电流和电池的容量来简单计算。例如一个2Ah的电池,采用CC方式(恒流)充电,充电电流为1A,大约需要2小时才能完成充电。

内阻(IR):通过测量电池的内部电阻,可以预测电池的健康状况和容量。内阻是电池的阳极(正极)和阴极(负极)之间的电阻值。内阻标准值一般会在电池的参数表中体现,如果测得内阻越偏离标准值,则电池的效率就越低。18650单体电池的内阻值在毫欧的范围内,当然测量电池内阻需要用专门的仪器。

18650充电曲线

充电方式:对锂电池充电有很多种方法。最常用的是3步法,分别是CC(恒流)、CV(恒压)和涓流充电。

锂电池的充电原理:

第一阶段 涓流充电,涓流充电用来先对完全放电的电池单元进行预充(恢复性充电)。在电池电压低于3V左右时采用涓流充电,涓流充电电流是恒流充电电流的十分之一即0.1C(以恒定充电电流为1A举例,则涓流充电电流为100mA)。

第二阶段 恒流充电,当电池电压上升到涓流充电阈值以上时,提高充电电流进行恒流充电。恒流充电的电流在0.2C至 1.0C之间。电池电压随着恒流充电过程逐步升高,一般单节电池设定的此电压为3.0-4.2V。

第三阶段 恒压充电,当电池电压上升到4.2V时,恒流充电结束,开始恒压充电阶段。电流根据电芯的饱和程度,随着充电过程的继续充电电流由最大值慢慢减少,当减小到0.01C时,认为充电终止。

TP4056 18650锂电池充电模块

充电状态(SOC) %:充电状态仅仅是显示电池的容量变化,类似于我们的手机电池容量的显示。电池的容量的变化不能简单用它的电压阈值来计算,它通常是用电流积分来计算的,以确定电池容量随时间的变化。

放电深度(DOD) %:电池不会进行百分之百的放电,因为这样会损坏电池。正常情况下,所有电池的放电深度为80%。

18650锂电池颗粒尺寸

电芯尺寸:18650单体电池的尺寸和它的名称有直接关系,所有18650单体电池的高度都是18毫米,而长度都是650毫米,18650就是根据它的外观尺寸直接进行命名的。

 

 

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