一鋰電池的分類

根據鋰電池內鋰的存在形態不同，鋰電池可劃分為鋰金屬電池和鋰離子電池兩大類。

【資料圖】

圖：鋰電池分類圖

1、鋰金屬電池

（1）原理：

鋰金屬電池是把鋰金屬作為電極，通過對金屬鋰的腐蝕或氧化而產生電能；

圖：鋰金屬紐扣電池構成（圖源來自網絡）

（2）特點：

a）電能量高，遠大于其他材料制造的干電池；

b）正因為電能量很高，所以鋰金屬電池容易發生火災和爆炸；

c）鋰金屬電池的產品形態大多是一次性電池，不能充電和循環利用；

（3）用途：

鋰金屬電池應用最多的形式為紐扣電池。主要應用在電腦板卡或車鑰匙等設備上，用作RTC時鐘的備電供電或車鑰匙供電。

（4）紐扣電池：

常見的紐扣電池形態有CR2016、CR2032、CR2450等。CR代表扣式鋰錳電池的國際IEC編號、20&24代表電池直徑為20&24mm、16/32/50代表電池厚度為16/32/50mm。

此類紐扣電池標準工作電壓一般為3V且不可充電。CR2016常規容量在70mAh左右，CR2032容量可做到200mAh以上，CR2450容量則可以做到600mAh。

圖：CR2450電池容量

紐扣電池最高電壓不超過3.2V、最低電壓2.0V，電池容量集中在2.8~3.0V區間。

由下述的電池放電曲線圖可以看到：在3.0V~2.8V區間電池容量占比較多、電池電壓比較穩定，2.8V以下電池電壓迅速下跌。

圖：CR2032紐扣電池放電曲線

2、鋰離子電池

（1）原理：

鋰離子電池是一種可充電電池，主要依靠鋰離子在正極和負極之間往返嵌入和脫嵌實現充放電。充電時LI+充正極脫嵌，經過電解質嵌入負極，負極處于富鋰狀態。放電時則相反。

圖：鋰離子電池構成示意圖（圖源網絡）

（2）分類：

鋰離子電池還可以細分為液態鋰離子電池和聚合物鋰離子電池。

（a）液態鋰離子電池

俗稱“鋰電”，電解質為液態電解質。正極材料一般為含鋰的化合物（沒有金屬鋰，只有鋰離子），主流的正極材料是磷酸鐵鋰、錳酸鋰、三元鋰以及鈷酸鋰等。負極材料一般為石墨材料。電池形態主要為圓柱形金屬外殼電池，如14500、18650、26500等。

市面上最為常見和廣泛應用的是18650電池。目前市面上18650電池標稱電壓一般為3.6V或3.7V、最高電壓一般為4.2V、主流容量從1800mAh到3000mAh不等。

18650含義：18指電池直徑為18.0mm，65指電池高度為65.0mm，0指圓柱形電池。

圖：18650電池

為了避免密封的金屬外殼發生爆炸，液態鋰離子電池（如18650電池）都會在電池外殼頂部配有安全閥（即電流切斷裝置CID，current interrupt device）。

安全閥是18650電池最重要的防爆措施。當電池電芯出現熱失控時，內部產生大量氣體導致電芯鋼殼內部壓力過大，CID就會發生變形與焊盤脫離，從而切斷電流回路，同時還可通過對外排氣減壓避免電芯爆炸。但CID一旦動作電芯便會徹底失效，從電芯內部泄放出的化學物質在高溫條件下和空氣發生反應，也有可能出現起火現象。

圖：18650電池CID設計圖示

（b）聚合物鋰離子電池

俗稱“軟包電池”，電解質為固態聚合物（凝膠態），因此軟包電池容易做成各種形狀。除電解質形態外，其余與液態鋰離子電池基本相同。

優點：聚合物鋰離子電池穩定性好，最為安全且能量密度高，電池電壓也可以做的比較高（標稱電壓可以做到3.8V、最高電壓可以做到4.35V）。電池外形也不受限。

缺點：成本比較高，使用不當（過充、過放、低溫充電等）容易發生鼓包問題，易燃燒。

圖：聚合物電池構成示意（電解液為凝膠態）

（c）不同類型的鋰離子電池對比

二

鋰離子電池指標參數

1，電壓

電池主要的電壓參數包括標稱電壓、充電限制電壓、放電截止電壓以及出貨電壓等。

（1）標稱電壓：

也稱額定電壓。是電池標準放電過程中的平均電壓，也是電池能量最為集中的電壓點。標稱電壓值是電池整個放電過程中電壓最穩定的電壓區間。

鋰電池的放電曲線一般分為三個階段，如下圖：以18650電池為例，第一階段是電壓快速下降階段（最高電壓~標稱電壓區間），第二階段是緩慢變化階段（標稱電壓區間）也是電池容量最集中的電壓區間，第三階段是急劇下降階段（標稱電壓~最低電壓區間）。

圖：鋰電池標準放電曲線示例

（2）充電限制電壓：

指電池允許的最高充電電壓。充電高于此電壓，可能會觸發電池過充保護或損壞。

（3）放電截止電壓：

指電池放電的最低輸出電壓。放電低于此電壓，可能會觸發電池過放保護或損壞。

（4）出貨電壓：

指電池出貨時的電壓限制，出貨電壓指標和電池對應的使用場景和生產要求相關。

電池出貨電壓一般不會設置太高，大多設置在3.6V~3.9V左右。

出貨電壓太高電池運輸風險也會變高。

圖：鋰電池電壓參數示例

2，容量

電池容量參數主要包括標稱容量和最小容量。

（1）標稱容量

是指鋰電池生產廠家標明的鋰電池容量。

（2）最小容量

是指在一定的放電條件下鋰電池應放出的最低電量。電池廠商都會以最小容量參數作為電池生產的判斷依據。

圖：鋰電池電壓參數示例

一般電池的標稱容量都會大于電池的最小容量。

3，內阻及電池溫度特性

電池的內阻指標包括直流內阻、交流內阻。

（1）直流內阻：

直流內阻即DCR。直流內阻的測試方法一般是對電池施加特定的直流電流I，測量電池的壓降差值ΔU，進而可得到電池的直流內阻DCR=ΔU/I。

（2）交流內阻：

交流內阻即ACR。交流內阻的測試方法是對電池施加特定頻率（一般為1KHZ）的特定負載進行測量。電池規格書標注的大多是交流內阻

圖：電池規格書中的內阻參數

直流內阻包含了電池的極化內阻，因而同一電池同一溫度下的直流內阻都會大于交流內阻。

直流內阻的測試方法是對電池施加負載后測量電池電壓跌落情況，比較符合電池實際的使用場景，因而電池的直流內阻參數可以較好地衡量電池正常工作時的放電表現。

電池的內阻數值還受電池充放電倍率、循環次數、電池結構、電池SOC以及環境溫度等因素的影響。

（3）溫度特性

低溫時電池內部化學物質活性下降，因此低溫時電池的內阻會急劇增大，相同電流下電芯本身的壓降相應變高，導致低溫時電池的輸出電壓和可放容量都會迅速降低。

圖：電池不同溫度下的輸出電壓和放電容量（圖源網絡）

普通鋰電池的充電溫度范圍在0~45℃左右，并不支持0℃以下的低溫充電。低溫下較大電流的充電可能會對電池造成不可逆的損傷，會導致電池快速衰減，甚至可能會出現析鋰等問題。

4，循環壽命

鋰電池隨著循環次數的增加，其可放電容量會隨之慢慢衰減。

一般將電池容量降至額定容量的80%定義為電池壽命截止，此時對應電池的循環次數即為電池的循環壽命。

鋰電池循環壽命對應的電池循環次數大多在500~1000次之間。品質好的鋰電池循環壽命會更久、相應成本也會更高。

圖：電池循環壽命指標（500次示例）

編輯：黃飛

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