锂电池基础知识.docx
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锂电池基础知识
（一）锂电池的构成
锂电池主要由两大块构成，电芯和保护板PCM（动力电池一般称为电池管理系统BMS），电芯相当于锂电池的心脏，管理系统相当于锂电池的大脑。
电芯主要由正极材料、负极材料、电解液、隔膜和外壳构成，而保护板主要由保护芯片（或管理芯片）、MOS管、电阻、电容和PCB板等构成。
锂电池的产业链结构如下图：
电芯的构成如下面两图所示:
锂电池的PACK的构成如下图所示:
（二）锂电池优缺点
锂电池的优点很多，电压平台高，能量密度大（重量轻、体积小），使用寿命长，环保。
锂电池的缺点就是，价格相对高，温度范围相对窄，有一定的安全隐患（需加保护系统）。
对比参数 各类电池
铅酸电池
镍镉电池
（Ni-Cd）
镍氢电池
（Ni-MH）
锂电池
标称电压（V）
2
1.2
1.2
3.2/3.6/3.7
重量能量密度（Wh/kg）
25~30
40~45
60~65
120~200
体积能量密度（Wh/L）
65~80
150~180
300~350
350~400
最佳工作温度（℃）
-40~70
-20~60
-20~45
0~45
安全性
安全
安全
安全
有一些隐患
环保
铅污染
镉污染
环保
环保
循环寿命（次）
200~300
500
1000
500~1500
电池成本（RMB/Wh）
0.6~1.0
2.0~2.6
2.5~3.8
2.0~3.5
充电器成本
低
（稳压源）
一般
（恒流源）
一般
（恒流源）
高
（恒流恒压）
（三）锂电池分类
锂电池可以分成两个大类：
一次性不可充电电池和二次充电电池（又称为蓄电池）。
不可充电电池如锂二氧化锰电池、锂-亚硫酰胺电池。
二次充电电池又可以分为下面根据不同的情况分类。
1．按外型分：
方形锂电池（如普通手机电池）和圆柱形锂电池（如电动工具的18650）；
2．按外包材料分：
铝壳锂电池，钢壳锂电池，软包电池；
3．按正极材料分：
钴酸锂（LiCoO2）、锰酸锂（LiMn2O4）、三元锂（LiNixCoyMnzO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）；
4．按电解液状态分：
锂离子电池（LIB）和聚合物电池（PLB）；
5．按用途分：
普通电池和动力电池。
6．按性能特性分：
高容量电池、高倍率电池、高温电池、低温电池等。
（四）常用术语解释
1. 容量（Capacity）
指一定的放电条件下可以从电池锂获得的电量。
我们在高中学物理是知道，电量的公式为Q=I*t，单位为库伦，电池的容量单位规定为Ah（安时）或mAh（毫安时）。
意思是1AH的电池在充满电的情况下用1A的电流放电可以放1个小时。
以前的NOKIA的老手机的电池（像BL-5C）一般是500mAh，现在的智能手机电池800~1900mAh，电动自行车一般都是10~20Ah，电动汽车一般都是20~200Ah等。
2. 充放电倍率（Charge-Rate/Discharge-Rate）
表示以多大的电流充电、放电，一般以电池的标称容量的倍数为计算，一般称为几C。
像容量1500mAh的电池，规定1C=1500mAh，如果以2C放电也就是以3000mA的电流放电，0.1C充放电就是以150mA的电流充放电。
3. 电压（OCV:
OpenCircuitVoltage）
电池的电压一般指锂电池的标称电压（也叫额定电压）。
普通锂电池的标称电压一般为3.7V，我们也称其电压平台为3.7V。
我们说的电压一般指的是电池的开路电压。
当电池20~80%的容量时，电压集中在3.7V左右（3.6~3.9V左右），容量太高或太低，电压变化较大。
4. 能量（Energy）/功率（Power）
电池以一定的标准放电，电池所能放出的能量（E），单位为Wh（瓦时）或KWh（千瓦时），另外1KWh=1度电。
物理书上有基本概念，E=U*I*t，也等于电池电压乘以电池的容量。
而功率的公式为，P=U*I=E/t，表示单位时间能够释放的能量。
单位为W（瓦）或KW（千瓦）。
像容量为1500mAh的电池，标称的电压一般为3.7V，故对应的能量为5.55Wh。
5. 内阻（Resistance）
由于充放电时不能等效为一个理想的电源，有一定的内阻。
内阻是要消耗能量的，当然内阻越小越好。
电池内阻单位用毫欧（mΩ）。
一般电池的内阻由欧姆内阻和极化内阻组成，内阻的大小受电池的材料、制造工艺，还有电池的结构的影响。
6. 循环寿命（CycleLife）
电池充电和放电一次就称为一个循环，循环使用寿命是衡量电池寿命性能的一个重要指标。
IEC标准规定手机锂电池，0.2C放电至3.0V，1C充电至4.2V，反复循环500次后电池容量应保持为初始容量的60%以上。
也就是说锂电池的循环寿命为500次。
国标规定，循环寿命300次后，容量应保持初始容量的70%。
电池容量低于初始容量的60%一般要考虑报废处理了。
7. 放电深度（DOD:
DepthofDischarger）
定义为电池放出的容量占额定容量的百分比。
锂电池一般放电深度越深，电池寿命越短。
8. 终止电压（Cut-OffVoltage）
终止电压分为充电终止电压和放电终止电压，也就是说电池不能继续充电或放电的电压，在终止电压下再继续充电或放电对电池的寿命影响很大。
锂电池的充电终止电压一般为4.2V，放电终止电压为3.0V。
锂电池超过终止电压的深充或深放是严格禁止的。
9. 自放电率（Self-Discharge）
指电池在存放期间容量的下降率，用单位时间内容量下降的百分比表示。
一般的锂电池的自放电率为2%~9%/月。
10. SOC（StateofCharge）
指电池的剩余电量与可以放出总电量的百分比，0~100%。
反映电池剩余电量情况。
（五）电池命名规则
不同的厂家有不同的命名规则，但通用电池大家都遵循统一的标准，根据电池的名称可以知道电池的尺寸等。
IEC61960规定，圆柱形和方形电池的规则如下：
1. 圆柱形电池，3个字母后跟5个数字，
3个字母，第一个字母表示负极材料，I表示有内置的锂离子，L表示锂金属或锂合金电极。
第二个字母表示正极材料，C表示钴，N表示镍，M表示锰，V表示钒。
第三个字母为为R表示圆柱形。
5个数字，前2个数字表示直径，后3个数字表示高度，单位都为mm。
2. 方形电池，3个字母后更6个数字，
3个字母，前两个字母的意义和圆柱形一样，后一个字母为P表示为方形。
6个数字，前2个数字表示厚度，中间2个表示宽度，后面2个表示高度（长度），单位也为mm。
如：
ICR18650就是直径为18mm，高度为65mm的通用的18650圆柱形电池；
ICP053353就是厚度为5mm，宽度为33mm，高度（长度）为53mm的方形电池。
（六）锂电池工艺
不同的电池、不通的厂家工艺流程有一定的差异，详细的工艺流程会很复杂，下面列出基本的工艺流程，电芯制作的工艺流程和PACK制作的工艺流程。
电芯生产工艺流程主要为极片制造、电芯制作、电池装配、注液、化成、分选等工序。
从配料到卷绕，是正极、负极分不同的车间同时做的，正负极做好后再一起做后面的工序。
中间会插入不同的品质检测QA环节。
（七）电池的成组和串并联
应用在不同的领域中，对电池的要求不一样，系统对电压，容量，内阻等都有一些特殊的要求。
往往单节电池不能满足要求，需要电池串并联后才能给外供电。
电池串并联后的性能由最差那一节电池的性能决定，也就是我们常说的“木桶原理”，因此电池成组最重要的一点就是电池性能参数的一致性。
像笔记本，电动自行车，电动汽车，储能系统等都需要考虑电池的串并联组成电池包。
笔记本电池电压一般是11.1V或14.8V，主要采用18650电池，所以一般2串3并或2串4并。
AppleiPAD就是3块聚合物电池并联，容量25Wh左右。
电动自行车和电动摩托车系统一般是24V、36V、48V、60V、72V系统，具体成组情况见下表（S代表串联）。
纯电动汽车和混合动力（EV/PHEV）电压更高，250~500V左右，最大会串联到150节以上。
另外电池成组串并联是要考虑很多东西，电池的电压平台的一致性，电池的容量的一致性，电池的内阻的一致性等。
电池的串并联后其参数的一致性对电池的性能和寿命有很大的影响。
电池包电压
锰酸锂/三元锂
磷酸铁锂
12V
4S
4S
18V
5S
6S
24V
7S
8S
36V
10S
12S
48V
13S
15S/16S
60V
16S
19S
64V
18S
20S
72V
20S
23S
（八）各种动力电池对比
动力电池主要是更具其应用来考虑的，主要应用在电动电动汽车、电动自行车、电动工具等。
动力电池区别于普通电池又其一定的特殊性：
1. 电池的串并联
2. 电池的容量较大
3. 电池的放电倍率较大（混合动力和电动工具）
4. 电池的安全性要求较高
5. 电池的工作温度范围较宽
6. 电池的使用寿命长，一般要求5~10年
由于动力电池的特殊性，其工艺和材料的也存在一定的差异，根据正极材料的情况主要分为锰酸锂（LiMn2O4）、三元锂（LiNixCoyMnzO2）、磷酸铁锂（LiFePO4）等，其电压平台、能量密度、价格、安全性等都有一定的差异，具体见下表的对比：
（其中钴酸锂由于其稳定性较差，价格较高等原因很少用做动力电池，放在下表一并列出对比）
序号
参数
钴酸锂
三元锂
锰酸锂
磷酸铁锂
1
振实密度（g/cm3）
2.8~3.0
2.0~2.3
2.2~2.4
1.0~1.4
2
比表面积（m2/g）
0.4~0.6
0.2~0.4
0.4~0.8
12~20
3
容量密度（Ah/kg）
135~140
155~165
100~115
130~140
4
电压平台（V）
3.7
3.6
3.6
3.2
5
循环性能
>300
>800
>500
>2000
6
过度金属
贫乏
贫乏
丰富
非常丰富
7
原料成本
很高
高
低廉
低廉
8
环保
含钴
含镍、钴
无毒
无毒
9
安全性能
差
较好
良好
优秀
10
适用领域
小电池
小电池、小型动力电池
动力电池
动力电池、超大容量电源
（九）锂电池模型
电池内阻在电气特性上，不完全等效为一个电阻，具体可以参考国外的PNGV等效电路模型。
如下图所示。
电池的内阻主要由欧姆内阻R0还有极化内阻R1构成，其中C1为极化电容。
电池的内阻测量业内有2种主流的测试方式，直流放电法和交流注入法，不能用普通的测电阻的方法测量得到，一般用专门的内阻测量仪测试。
电池的内阻是反映电池的性能和寿命的一个重
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